什麼是4D列印？淺談4D列印概念與應用

相信各位對於3D列印並不陌生，即使對3D列印不熟，也聽過3D列印這項技術，而3D列印的基本概念是將列印物體切成好幾個斷面，透過斷面堆疊來印出實際物體《延伸閱讀：光固化3D列印原理解密！SLA、DLP、LCD列印技術比較！》。

不過你有聽過4D列印嗎？今天就要來與各位聊聊什麼是4D列印！

什麼是4D列印？

4D列印的概念最早可追朔至2013年MIT的Skylar Tibbits與Stratasys這間公司的共同開發結果，我們知道3D列印的3D對應到三維空間，而4D多出來的那個D指的是什麼呢？

答案是時間。

因為多了時間維度，所以4D列印的物體能隨著時間變形，在特定外部刺激下自行組裝成特定形狀，這個特定刺激可以是水份、光照、溫度等等。這麼說可能還是有些抽象，可參考下方影片中的4D列印實例，從影片可知這些4D列印物體泡水過後具有變形至特定形狀的能力。

 

那麼4D列印物體如何變形呢？

4D列印的變形原理可參照圖2，從圖2(a)可知4D列印物體由兩種類型的材料組成，分別是支撐用的剛體材料以及作為關節用的可變形材料，當可變形材料受到外部刺激的時候，就會沿著特定方向變形，變形幅度達到一定程度後，便能仰賴剛體本身強度來支撐變形結構。

4D列印應用與發展

了解什麼是4D列印後，我們來看看4D列印有哪些應用潛力。從前面介紹可知4D列印物體在受到特定刺激後能夠隨著時間變形，而這種特性讓4D列印材料具有可編程特性(Programmable characteristics)，能夠結合現有工業控制流程，其中一個例子如圖3所示，圖3展示一個能用溫度控制的4D列印夾爪。

而另一種可能的應用則是節省大型列印物體的存放空間，通常印製尺寸愈大的物體所需的3D印表機尺寸也愈大，但透過4D列印的結構變形便能在有限空間下列印。除此之外，如果該大型物體需要運輸的話，由於變形前的4D列印物體所占體積甚小，便能在運輸過程中增加載貨量，至目的地後再展開4D列印物體。

除了上述這些應用以外，這種自我組裝的特性也能用來節省組裝上的人力成本，或是用來開發新型致動器，甚至是作為布料用來製作衣服都有可能，只要牽涉到可編程以及自我組裝這兩種特性，這種4D列印技術皆有可能應用。

主廚結語

本次與各位介紹4D列印的基本概念與應用，在3D列印普及的現在，4D列印要能進入大眾市場仍需一點時間，儘管如此，4D列印相當有應用潛力這點也不會改變，期待這項技術在未來發光發熱的一天！

參考資料

1. Skylar Tibbits, 4D printing: multi‐material shape change, Architectural Design 2014, 84(1), 116 – 121
2. Christian Muehlenfeld et al, 3D/4D Printing in Additive Manufacturing: Process
   Engineering and Novel Excipients, 2018
3. Sculpteo, 4D Printing: All you need to know in 2022
4. FABIO NELLI, 4D Printing – a new concept, 2016