4D打印：智能制造时代的工业、商业与社会变革_水木然慕千里_9787111529446

4D打印是增材制造技术的最新进展，在3D打印的基础上增加了时间维度。借助4D打印技术，产品可在特定情境下随特定外界刺激实现自动形变、自动修复、自动组装。本书介绍了4D打印技术的最新进展和应用前景，并从经济角度出发，结合历史、现实与未来，对智能制造时代的工业、商业与社会变革进行了展望，对以4D打印为最前沿的技术革新给未来工作与生活、产业与商业带来的深远影响进行了详细分析。

4D打印：3D打印的沿袭和升华
就像当前所有的制造过程一样，3D打印是造物呈现的终结；而4D打印则是造物呈现的开始，就像人类的诞生一样，3D打印的物体是“死”的，而4D打印的物体却是“活”的。

一、4D打印是3D打印的沿袭
3D打印和4D打印都是在计算机辅助设计的导引下，经过逐层堆积生成零部件的制造工艺。4D打印基本沿袭了3D打印的工艺原理，只是在所采用的材料上进行了创新，从而由过去的三维扩展为四维。4D打印在3D打印的基础上增加了时间维度，也就是说，4D打印的产品是可以随时间和外界刺激变化而改变的物体，这种性质我们可以描述为“自组织”。

二、4D打印是3D打印的升华
4D打印是3D打印的升华，具体表现为产品形态的不同。3D打印只能按照预设的形状打印，产品一旦成型，形态不能发生变化。而在4D打印时代，人们可以通过软件设定模型和条件，产品会在设定的时间或条件下自动变化为所需的形状。4D打印产品的自我组装特征是直接将设计内置到物料当中实现的，不需要连接任何复杂的机电设备，就能使得产品按照设计自动折叠成相应的形状。
举个日常生活中最司空见惯的例子：虽说3D打印技术制造锅碗瓢盆等厨房用品在技术上并无难度，但效果上与4D打印技术却无法相提并论——应用4D打印技术制造的这些物品可根据用户炒菜量的大小自动改变容积，这样一来，人们就再也不必为家里来了客人了而炖锅太小而发愁了。

三、4D打印比3D打印具有更大的发展前景
4D打印的产品在成型后仍能在特定时间或特定条件下改变形状和功能，具有“自组织”功能和动态演变能力。显然，4D打印将让生产与生活更加智能，不仅能创造出产品，更能使产品根据环境变化和需要自行变化，无需人工组装和修复，大大降低了人力成本。
4D打印的发展前景十分广阔，作为一项颠覆性技术，它将创造出“可被编程的世界”将对传统制造业产生革命性影响。4D打印的制造者们只需下载产品设计程序，就可通过采集和编程制造出所需产品；4D打印所造成的工业排放几乎可以忽略不计，在真正意义上实现绿色生产，从而开辟制造业可持续发展的新途径，并改变传统的制造业模式。

四、4D打印的本质是“智能制造”
作为传统制造业的变革方向和新技术创业者的契机，4D打印代表着“智能制造”的大势所趋，具有十大独特优势：

（一）大幅降低制造成本
不论是当前的制造技术，还是“工业4.0”“中国制造2025”等国家战略展望的新型制造技术，在生产复杂或订制化的产品时，制造和组装成本都是一个问题。
而在4D打印技术支持下的产品制造，部件与产品本身结构的复杂程度将变得不再重要，因为对整体产品不同部件进行的一体化打印以及产品的自组织特性，将让组装成本化整为零，最大幅度地降低产品的生产制造成本。
（二）个性化订制成本不变
在当前的制造技术与环境下，小批量订制的成本仍然较高，而大批量个性化订制的成本更是难以想象。
伴随着4D打印技术的介入，订制的成本将与传统批量化制造的成本趋同，甚至更加低廉。因为在传统制造中被认为是很复杂的结构和工艺，借助4D打印技术都将变得简单，成本不会因部件复杂程度的变化而波动。
（三）消除人工组装成本
4D打印的产品部件将不再需要厂商或用户进行组装。厂商根据用户的需要，将产品运送到指定地点放置好后，用户在需要时直接给予介质触发，产品就会实现自动组装，这就取代了当前依赖人力进行组装搭建或拆解的方式，也消除了相应的人工组装成本。
（四）零库存的生产方式
当前的生产制造企业追求尽量降低产品的库存，因为一旦销售周转放缓，将直接导致资金周转率降低，进而影响利润。
通过4D打印技术进行的生产制造将有效缓解这个问题。企业根据消费者的想法随时提供产品设计、打印制造服务，做到“即买即造、即造即销”，真正取代传统的库存销售方式。
（五）放大创意空间
对于很多设计师而言，最痛苦的事莫过于创意很“丰满”，制造现实却很“骨感”。满满的创意受制于传统加工制造技术，往往无法完全体现在产品上。
在未来的4D打印时代，可以毫不夸张地说，但凡设计师能描绘出来的创意构想，都能不折不扣地得到实现，真正做到让创意设计的价值获得充分绽放。
（六）降低制造专业性
当前的制造业不论是简单或复杂，都在一定程度上对生产工人的专业性和熟练性提出了要求，而技术的培养需要经过多年的训练和沉淀，期间还存在所培养的技术人才流失的风险。
4D打印技术的应用，大大降低了制造复杂部件对于专业技能的要求，将有效降低制造的专业门槛和人才的流失风险。
（七）有效简化制造环节
大部分产品是由多个零部件组装而成的，而不同零部件需要不同的配套制造设备。对厂家来说，各式设备不仅占据了较大的场地空间，也让制造成本水涨船高。
4D打印技术则全然不同，只需要一台打印机，即可使用不同材料、依照用户设定直接打印不同的部件或整体产品，打印生成的部件还可以实现自行组装。
（八）不良率将成为过去式
传统制造企业最常规的生产制造考核指标就是对不良产品生产率的控制。而在4D打印时代，不良率这个名词将走向历史的终结，决定着产品能否满足用户需求的关键将被转移至设计端。也就是说，未来决定产品是否合格的关键要素不再是制造，而是设计，设计师将成为制造业的灵魂。
（九）材料无限组合
当今的制造技术要将不同原材料结合成一件产品是比较困难的，因为传统的制造机器在切割或成型过程中不能轻易地将多种原材料融合在一起。尽管多种材料的混合注塑技术在一些领域已经有所应用，但其成本与不良率都相对较高。
4D打印技术的出现将改变这一现状。在4D打印的过程中，我们可以将多种不同材料通过同一台设备进行混合打印，这也就意味着在不久的将来，复杂如汽车的产品也将直接通过打印的方式被生产制造出来。
（十）批量一致性堪称完美
尽管现代制造技术借助于模具在一定程度上保障了产品生产的一致性，但还是难以获得批量一致性的百分百保障。
4D打印技术将让产品的复制难题得到彻底解决。依托4D打印技术，批量生产就如同复制数字文件般简单，而产品间的一致性程度也将如数字文件的拷贝一样高。

这些优势并不是科幻，有相当部分已经在3D打印技术层面得到了实现。随着4D打印技术的不断成熟，我们在新的工业时代的制造方式、生活方式将被“打印”重新改写。
有了3D打印，任何想象都可以被打印成现实，而有了4D打印，我们的想法将被赋予更多的变化与可能。3D打印技术的发展必然会有利于4D打印技术的探索、应用，其中包括对设计软件的推动。4D打印与3D打印最大的区别在于给设计师增加了更多的可能与挑战，如产品不同形态变化下的美感、功能，或产品最佳形态变化方式的预期等，这些将考验设计师的智慧，同时也将给设计学科带来一些改变。
4D打印的“智能制造”是3D打印“个性化制造”的延续和升华。众所周知，工业革命推动了制造业的发展和腾飞。历史已经见证了三次工业革命，每一次都带来了社会关系的重大变革，大大促进了社会生产力的发展，改变了工业布局，推动了国际经济结构的调整，促使世界各国经济相互依存、联系更加紧密。
4D打印将给人类社会带来那些变化？会不会推动第四次工业革命的到来？

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