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4D打印潛力巨大 (廖錦興博士)

By on January 13, 2021

本文作者廖錦興博士,為香港青年工業家協會當然顧問,為《信報》撰寫專欄「科網人語」。

目前3D打印技術已相當成熟,不論在選用物料、打印速度和生產成本都符合市場需要。(新華社資料圖片)

目前3D打印技術已相當成熟,不論在選用物料、打印速度和生產成本都符合市場需要。(新華社資料圖片)

自2011年德國漢諾威工業博覽會提出工業4.0的概念,至今已經有10年,也令3D打印被廣泛認識。其實3D打印技術已有超過30年歷史,但直到最近10年才被廣泛應用在不同領域上。由小型打印機生產及設計樣本、製造注塑模具前的手辦,甚至是工業配件,都可以直接使用大型專業3D打印機進行打印,並立即進行裝嵌。目前3D打印技術已相當成熟,不論在選用物料、打印速度和生產成本都符合市場需要,同時因應市場對科技發展的期望和需求,4D打印技術亦漸受關注。

4D打印是指3D打印產品在外部能量輸入時,例如溫度、濕度、光線或其他環境刺激等因素下,可把自身轉換為另一種結構或形體(a 3D printed object transforms itself into another structure over the influence of external energy input),就是因為這樣的自身轉換,令原有3D打印產品增加了第四個維度(Dimension),這維度的關鍵形態是「時間」,即產品會因應成形時間的長短,產生結構或形體的改變。

4打印受不同條件而生產的形體變化,可以應用在各種生物醫學方面,例如心臟支架等。(新華社資料圖片)

4打印受不同條件而生產的形體變化,可以應用在各種生物醫學方面,例如心臟支架等。(新華社資料圖片)

2019年底美國麻省理工學院建築系設計研究課程講師,亦是自組裝研究實驗室(Self-Assembly Lab)的創始人斯基拉提比茨教授(Prof. Skylar Tibbits),他的最新研究報告講述有關利用水、熱力和機械動力改變物料成為新形狀,這顯示4D打印技術愈趨成熟,亦快將成為一種可靠而創新的生產模式。

現時4D打印主要採用形狀記憶聚合物(Shape Memory Polymer, SMP)作為基材,由於SMP具有獨特的機械性能(包括高變形能力和形狀恢復性),使它成為4D打印最可行的材料。與金屬形狀記憶合金相比,SMP更易於加工、重量輕而且價格便宜。

4D打印的管道可自行適應水流量,動態地改變其直徑,有望改善當前管道因自身限制而破裂的缺陷。(路透資料圖片)

4D打印的管道可自行適應水流量,動態地改變其直徑,有望改善當前管道因自身限制而破裂的缺陷。(路透資料圖片)

4D打印技術具有巨大的潛力,甚至將會應用於各種在今時今日我們無法想像的智能及工業產品之中。比如建築業的管道系統,若用4D打印的管道,可以自行適應水流量和需求,然後動態地改變其直徑,有望改善當前管道因為自身限制而破裂或影響耐用性的缺陷。4打印受不同條件而生產的形體變化,相信可以應用在各種生物醫學方面,例如細胞支架、血管支架、骨支架、氣管支架和心臟支架;其他應用包括汽車、家具、服裝和鞋類均有頗高的可塑性。

根據國際市場研究公司Market Insight Reports的最新報告,4D打印在2019年的市場產值為7000萬美元,預計到2025年將達到3.5億美元。其次,4D打印技術研發的供應商都是跨國企業,如Stratasys、Autodesk、Materialise、ARC、 Exone、Organovo等;在學術界,除了美國麻省理工學院自組裝研究實驗室外,亦有美國哈佛大學威斯研究所(Wyss Institute, Harvard)、澳洲臥龍崗大學(University of Wollongong)及新加坡科技設計大學(Singapore University of Technology and Design)等學院在研究4D打印技術方面的發展。

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