描述
开 本: 32开纸 张: 轻型纸包 装: 平装国际标准书号ISBN: 9787111529446
增材制造是各国竞相发展的高端制造技术，以增材制造技术为代表的智能制造突出体现为《中国制造2025》确立的十大重点领域之一。在新工业革命大潮汹涌来袭的当下，能否因时而变，借势而起，以增材制造等智能制造技术的发展带动整个制造业乃至整体国民经济的提振，将是我国在新形势下经济发展的重要决定因素。
作为增材制造领域的尖端技术，4D打印融合了材料、装备、模式与应用等环节的前沿成果，以制造“自为”的产品为主要特征，给产业、经济，乃至整个社会带来了前所未有的可能性。本书全面介绍可4D打印相关技术与影响，综合分析了“新造物时代”工业、商业与社会的发展方向，科技感、时代感、通俗性并存，是广大读者不容错过的前瞻之作。
4D打印是增材制造技术的*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*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。
目 录
前言
第1部分 4D时代
第1章 让大家成为“上帝”
第2章 2D打印：中国奉献世界的印刷术
第3章 3D打印：从创造“集中”到创造“发散”
第4章 4D打印：3D打印的沿袭和升华
第2部分 4D打印，第四次工业革命的标志
第5章 第一次工业革命，“规模制造”与欧洲兴起
第6章 第二次工业革命，“科学制造”与世界大战
第7章 第三次工业革命，“网络制造”进入人类视野
第8章 第四次工业革命，“智能制造”时代即将到来
第3部分 4D打印， 帮助传统企业实现 “互联网+” 战略
第9章 4D打印，加快“互联网+”战略实现
第10章 4D打印，如何协助传统企业互联网化
第11章 定制模式，电子商务未来的发展趋势
第12章 大数据信息化，4D打印商业模式的基础
第13章 分布式制造，彻底打通互联网和制造业
第14章 4D打印，“云计算”的一个成功案例
第4部分 4D打印，推动生活大变革
第15章 4D打印时代，“山寨”货还存在吗
第16章 4D打印时代，网购尚能饭否
第17章 4D打印，中国新一轮造富运动的起点
第5部分 4D打印时代，中华民族伟大复兴
第18章 国际政治经济格局新变动
第19章 4D打印技术，改变世界格局的源动力
第20章 中国应借助3D、 4D打印技术实现民族全面复兴
第6部分 4D打印，我们应该做好哪些准备？
第21章 国家应为4D打印保驾护航
第22章 4D打印，从“中国智造”到“中国创造”
参考文献
万事万物，周而复始。这个世界有它自己的客观规律，人类自诞生以来就不断地去适应和探索，力争摸清规律，顺势而为。直到4D打印的出现，人类开始“修改”世界。
为什么这样说呢？
或许科技才是这个时代最好的信仰，它的革命性成果总会让我们瞠目结舌。
2D、3D、4D，看起来像个等差数列。2D打印，即在平面上打印，最早是由中国人发明的，印刷术是中国四大发明之一，直到现在我们还经常使用2D打印，比如在纸上打印文档或简历；新兴的3D打印则是在2D打印的基础上加上了一个立体的维度，可以打印立体的物体；而4D打印增加的这个“D”代表的是时间，即打印出来的物体增加了一个“时间维度”。4D打印能够打印出随时间变化而变化的物体，这个物体可以适时而变。
从2D到3D是量变，而从3D到4D却是质变，为什么这么说呢？这是因为3D物体是静态的，需要人工控制，而4D物体能够自动对环境做出反应，自行组装、修补或变形。4D打印将人类制造业扩展至时间维度上。它通过使用对热量、水或者压力敏感的特殊材质来生产增材制造产品，这些产品即使从4D打印机中生产出来很久了，也还能依据环境情况采用非常具体、有目的的方式自动改变形状。在某些情况下，有些物品甚至能恢复到它们原来的形状。这些都属于第四度空间的制造业大革命——打印根据编程随时间而变化的物体。
时间维度
时间维度，这个词看起来好像很熟悉。记得牛顿的经典力学吗？经典力学可以反映出三维空间里所有低速物体的运动规律，在爱因斯坦诞生以前，这就是普世真理。但后来爱因斯坦认为，世界并非我们原先所认识的世界，它其实是由空间和时间构成，即：时空，比原来的三维空间的长、宽、高三条轴外又多了一条时间轴，于是真理又前进了一步，这就是“时间维度”的革新之处。
很多科幻电影里的场景正在逐一实现。一根拐杖在下雨的时候就变成了雨伞；房屋建筑可以自动“长”出屋顶、承重墙；在《变形金刚》里，一辆汽车可以瞬间变成机器人……
3D打印方兴未艾，4D打印渐行渐近，未来已来！在我们还在为3D打印惊叹之际，殊不知4D打印正在酝酿时机，以待一鸣惊人。美国陆军已经利用3D打印技术研发用于阿富汗前线的新装备，而4D打印技术可以让军方制造出能适应各种地形的车辆，或能发现有毒气体的制服。
美国“神经系统”（Nervous System）设计工作室利用增材制造技术制作成世界上首件4D打印连衣裙。“神经系统”设计工作室声称，这件4D连衣裙通过3 316个连接点把2 279个打印块连在一起，堪称为模特量身定制。
每个人都是一台4D打印机
其实每个人都是蛋白质分子按照基因密码的预先设定，组合形成各种细胞和组织，最后靠“4D打印”完成的“作品”。我们的每一条染色体所蕴藏的基因密码，便是我们这个“产品”最原始的设计程序编码；而我们这一生的成长过程，也就体现着人类这个4D打印物在时间这个第四维度基于环境的“催化”而发生的组织变化。
我们已经开始利用3D打印的心脏、肢体骨架等对人体衰老病变的器官进行替换。4D打印的出现，无疑将给我们带来更多可能的优化方案，如心脏支架的更换，将不再需要“动刀”。对DNA的编辑将给人类永葆健康的梦想打开一扇窗户，而4D打印将是打开这扇窗户的一把金钥匙。
4D打印的市场规模预计到2019年将达到6 300万美元，而到2025年，4D打印市场规模预计将达到5.556亿美元，凑巧的是，《中国制造2025》规划也将在这一年完成。
那么，4D打印究竟会从哪些方面革新传统制造业呢？
1. 大幅降低制造成本
随着产品精密度的提高，传统制造业的成本会随着部件的复杂程度同比例上涨。而对于4D打印技术来说，产品结构的复杂程度与制造成本不再有直接关系，4D打印对整体产品不同部件进行的一体化打印，以及可变形自组装的产品特征将让组装成本化整为零，这可以最大限度地降低产品的生产制造成本。
2. 个性化制造更容易
在传统制造技术条件下，小批量订制的成本一直居高不下，更别说私人订制了。随着4D打印技术的成熟，私人订制的成本会变得低廉。因为在传统制造中被认为是很复杂的结构、工艺，在4D打印面前都将变得简单，尤其体现在成本不会随部件的复杂程度而波动。
3. 产品自动组装
4D打印的产品将不再需要厂家或用户自行组装。厂商根据用户的需要，将所制造的产品运送到指定地点放置好后，用户在需要的时候直接给予介质触发，打印物就会实现自动组装，这就取代了当前依赖于人力进行组装搭建或拆解的传统方式，极大程度地降低人力成本。
4. 零库存
传统制造业无法避免地会遇到产品库存问题，而4D打印将有效缓解这个难题。厂家根据消费者的想法随时提供产品设计、打印制造的服务，做到“即买即造、即造即销”，真正取代传统的库存销售方式。
5. 创意为王
在传统制造业里，设计师最大的痛苦就是创意很“丰满”，而现实制造却很“骨感”。利用4D打印技术，只要设计师能描绘出来的创意构想，都能不折不扣地得到实现，真正做到让设计师创意设计的价值获得充分体现。与3D打印的预先建模然后使用物料成型并不一样，4D打印直接将设计内置到物料当中，简化了从“设计理念”到“实物”的创造过程。让物体如机器般“自动”组装，不需要连接任何复杂的机电设备。
6. 降低制造专业性和人才流失的风险
传统制造业总是依赖技术熟练的工人，这就存在所培养的人才流失的风险。而4D打印技术可以大大降低对于复杂制造部件的专业技能要求，并且可以帮助制造者承担相当一部分的“高难度”工艺制作，从而有效降低制造的专业门槛和人才流失的风险。
7. 简化制造环节
传统制造业的产品通常由多个零部件组装而成，而不同零部件则需要不同的设备为其配套制造，这就牵扯到分包和管理成本。4D打印只需一台打印机，根据不同的材料以及用户所设定的不同部件形态直接打印不同的部件或整体产品。打印生成的部件或产品还可以通过自我驱动进行组装。
8. 不良产品生产率将成为过去式
不良产品生产率是决定着传统制造企业经济效益的关键指标。在4D打印时代，不良产品生产率这个名词将走向历史的终结，而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环节，而是设计环节：一切将由设计师来决定。
不过，4D打印技术还有不少瓶颈需要突破。首先是“催化剂”的问题。在现有的4D打印实验以及一些4D打印技术研发项目中，所有触发变形材料变形的“催化剂”都是水。水作为“催化剂”虽然很常见，成本也很低，但4D打印技术要想进一步普及，就必须开发出更多的“催化剂”，比如声、光、电、热，并对应产品的使用情境，这样4D打印的适用范围才能足够大。
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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