1、4D打印的兴起
　　近年来，4D打印概念的提出，便在增材制造技术领域引起了一股技术革命的浪潮。与3D打印相同，4D打印是一种集材料科学、机械科学以及计算机科学等诸多学科高度交叉融合的先进制造技术。但又与3D打印不同，4D打印是一种具备动态演变能力的智能制造技术，是在3D打印基础上结合智能材料与智能结构设计，针对制造产品的形态、性能和功能方面的进一步发展。4D打印作为新一代增材制造技术，其依赖于时间，独立于制造设备，并且其演变过程完全可预测、可设计和可控制，从技术路线与成型工艺角度来看，3D打印与4D打印的区别与联系如图1所示。4D打印的先进性在于可以快速成型制造出具有环境自适应性动态演变的智能产品，从而区别于传统3D打印产品的功能单一、无变化的稳态特性。针对悬空、螺旋和中空等曲边曲面复杂结构，4D打印可以先快速成型制造出相应简单结构后，再由智能演变实现最终的产品形态和性质，从而达到减少加工时间和材料的目的。 

图1-4D打印与3D打印对比 

图2-4D打印技术框架

2、全球4D打印产业发展趋势
　　从全球的专利申请情况来看，从2003年至2021年期间，4D打印专利仍处于技术萌芽的阶段，历史专利申请数量为500件，其中最早在2004年出现相关专利，从2016年开始年度申请量在增长，年度专利申请量最高的是在2021年，专利申请量为119件，可见该领域的起步较晚，是在3D打印技术的基础上增加材料、建模、控制等技术改进所形成的4D打印技术。 

图3 2003-2021年4D打印专利申请量

　　从全球技术产出地域来看，4D打印技术专利申请产出国家/地区主要来自亚洲及北美地区，主要有中国（414件）、美国（30件）、WTO（27件）、韩国（15件）、日本（6件）。美国作为最早提出4D打印技术概念的国家，在该领域专利技术产出已被中国所超越，目前中国已成为该领域的技术输出重镇。

图4 全球4D打印专利地域排名

　　全球4D打印技术专利申请量增势迅猛，其研究正在逐步受到关注与重视，但国内与国际呈现出截然不同的发展趋势。目前该技术领域发展完成一次技术生命周期回环，呈现了技术发展孕育和突破过程，可以预见后续的技术发展将持续新一轮的技术生命周期回环。4D打印技术领域全球研发实力集中度分散，中国目前是全球最大的该领域技术专利产出国，全球核心研发机构大部分位于中国。
3、全球4D打印技术发展趋势
　　目前4D打印关键技术主要集中在：打印工艺与打印材料研究。4D打印技术分化趋势为：打印结构、打印材料、打印工艺、外界激励、医疗应用，且均处于新兴发展阶段。
　　美国最早4D打印的专利是由Stratasys Ltd等申请的具有编码预测形状变化的附加制造对象及其制造方法（申请号：US14189819，申请日：20140225），公开了3D打印技术加上随时间变换的附加维度的组合在此被称为4D打印技术。在3D打印过程中使用的(一种或多种)添加剂制造材料的特定布置可以创建打印的3D对象，该打印的3D对象随着时间从第一打印形状转变为第二预定形状。主要在3D打印技术基础上通过显著减少所需的时间和材料而具有批量生产定制部件的能力，提高打印效率。 

　我国最早4D打印的专利是由西安交通大学申请的一种4D打印成型人工血管支架的方法（申请号：CN201410344228.2，申请日：20141029），公开了一种4D打印成型人工血管支架的方法，包括以下步骤：1)以形状记忆聚合物或形状记忆合金作为可变形材料单元，以聚合物材料或金属材料作为基体材料单元，设计血管支架初始构型；2)采用熔融直接成型方法将可变形材料单元和基体材料单元，打印成所需要的3D初始构型，或者选择激光选区熔化成型或微喷熔滴电磁约束成型中的一种，作为形状记忆合金打印成型方式制造血管支架；3)对步骤2)得到的3D初始构型或血管支架进行保温、缓冷处理；4)对成型后的血管支架进行性能测试，包括力学性能测试、激励变形测试、医学性能测试，使血管支架满足使用要求，至此，完成人工血管支架的4D打印成型。可以看出采用4D打印技术真正应用在医学领域的创新方法，获得了时间上的优势。在此基础上，往后的研究方向主要是形状记忆、形状记忆聚合物、打印系统、打印技术和钛镍形状记忆合金等领域，目前我国的专利申请量已遥遥领先于其他国家，为后续4D打印技术的广泛应用占得先机。 

图3-中国专利申请主题类别分布图

　　综上所述，4D打印技术仍处于技术新兴发展阶段，近年来我国发展快速，加大研发力度，已有初步成果，相信在日后能够在本领域有所突破和发展，占领市场。

检索式：3D打印 and 4D打印、3D and 4D and 打印、4D and 打印 and材料、4D and 打印 and材料 and模型、4D and 打印 and材料 and模型 and控制
检索范围：全球
参考文献：冯韬、孟正华、郭巍，4D打印智能材料及产品应用研究进展，数字印刷，2022.06.10
张问采、闫晓捷、谭礼斌、李端玲，基于知识图谱的全球4D打印技术专利数据挖掘分析，数字印刷，2021年第5期
数据来源：IncoPat