4D打印最初被定义为多材料3D打印，可以在外部刺激下随着时间的推移产生预编程的形状变化。因此，广泛的研究依赖于基于多材料的设计来操纵4D打印物体的变形。一个容易被忽视的事实是，打印参数也是影响打印对象微观结构和性能的主要因素。参数编码编程策略赋予3D打印在构建特定区域的梯度/有序结构方面的专有能力，从而赋予打印结构预编程的各向异性/非线性形状变形响应。
最近，相当多的文献集中在打印参数在形状变形行为中所起的作用，其中，打印速度、打印高度、UV光剂量、打印温度、打印路径、磁场等与4D打印结构的动态性能密切相关。然而，目前还没有系统的综述对不同打印技术中的关键参数进行分类，并指出参数编码4D打印的应用。
2023年，复合材料TOP期刊《Composites Part B》发表了吉林大学、曼彻斯特大学和华中科技大学有关工艺参数在4D打印中的作用方面的研究工作，论文标题为“Understanding the role of process parameters in 4D printing: A review”。
文章全面阐述了不同工艺参数(速度、高度、温度、路径、光线)对4D打印形状变形行为的影响原理；此外，还介绍了梯度结构、仿生结构和超材料等参数编码的4D打印结构；最后，给出了4D打印在电子、生物和工程领域的各种潜在应用，并展望了未来4D打印设计的启发(图1)。
图1由工艺参数设计的4D打印示意图，从中心到外围
1 4D打印技术中的关键打印参数
1.1 基于挤压技术的打印技术
材料挤压(ME) 3D打印利用连续热塑料长丝或粘弹性复合油墨作为基材并以一层一层的方式堆叠它们。根据所使用的原材料，ME可分为两类，即熔融沉积成型(FDM)和直写成型(DIW)，分别使用热塑性长丝和粘弹性复合油墨(图2和表1)。
图2材料挤压3D打印及工艺参数：a) FDM 3D打印及参数；b) DIW 3D打印工艺
表13D打印工艺及其参数在4D打印中的应用
1.2基于光的打印技术
基于光的4D打印通过光聚合的方法，将容器内的前驱体溶液中的单体固化成树脂或水凝胶网状物。基于光的4D打印主要由数字光处理(DLP)和立体光刻设备(SLA)组成，DLP用投影仪照亮特定区域，SLA用激光产生聚点光束，如图3和表1所示。
图3基于光的打印技术：a) DLP 3D打印和工艺参数；b) SLA 3D打印和工艺参数
2参数编码4D打印设计的最新进展
2.1速度编码4D打印设计的进展
图4a)通过打印速度逐层编程打印过程和形状变化，实现功能分级4D打印；b)打印速度编程控制预应力，实现可逆结构变形控制；c)在UV辅助FDM打印中，打印速度用于编程材料的交联密度；d) DIW 4D打印速度控制粘弹性油墨的挤出形式；e)编程DIW打印速度，实现掺纤维复合材料纤维取向度的编程；f)编程DIW打印速度，实现液晶弹性体晶域取向度的编程
2.2高度编码4D打印设计的进展
图6a) FDM工艺利用打印高度实现线材螺旋卷曲；b)在FDM工艺中，利用打印高度实现层与层之间不同的孔隙分辨率；c)打印高度编程，实现能够产生顺序变形的SMP；d) UV辅助DIW工艺实现了由打印高度决定的材料固化程度；e) DLP工艺中打印高度的差异会产生交联密度的差异；f)在多光子光刻(MPL)工艺中，光刻被高度编程以实现凝胶交联密度的差异
图7高度编程4D打印原理总结：a) FDM打印工艺中的打印高度设计打印出不同截面形状的打印长丝；b) DIW打印工艺中的打印高度设计用于打印螺旋长丝；c)设计UV辅助挤出打印工艺中的打印高度，是为了设计打印长丝的交联程度；d) DLP工艺中的打印高度设计了层间交联度的差异
2.3温度编码4D打印设计的研究进展
图8a)利用FDM打印过程中温差产生的预应力对形状变换进行编程；b)利用FDM打印过程中温差产生的预应力设计A线；c)通过DIW打印过程中的温度设计，设计液晶弹性体的收缩效果；d)通过SLM打印过程中的温度设计，设计NiTi形状记忆合金的形状记忆效果；e) DIW打印过程中温度冷却过程对液晶弹性体挤压后变形的影响；f) DLP工艺中料槽的温度设计实现了物料玻璃化转变温度的差异
图9温度编程4D打印原理总结：a)打印温度产生的热预应力实现了材料的自收缩；b) DIW打印过程中的温度根据液晶弹性体晶体域的取向程度进行编程；c)在DLP工艺中，在不同的料槽温度下实现交联后Tg温度的差异；d) SLA工艺中光源温度对材料粘度和透明度的影响，以实现交联后交联密度的差异
2.4光编码4D打印设计的进展
图10a) DLP过程中灰度曝光获得的SMP交联密度差异；b) DLP过程中光强编程实现的吸水可膨胀凝胶交联密度差异；c)动态光掩膜辅助实现连续形状记忆的DIW过程中光强编程的拉伸模量、失效应力和玻璃化转变温度；d)不同波长光源对光固化材料动态行为的影响
图11a)可调功能PPF材料，具有曝光时间设计；b)局部可编程程度的暴露时间差和温度响应水凝胶的膨胀和收缩速率；c)打印时间对SMP形状记忆特性的精细控制；d)打印时间可实现对材料Tg温度的控制
图12光编程4D打印原理总结：a)材料交联度光强设计实现4D打印编程；b)材料交联度波长设计实现4D打印编程；c)曝光时间设计材料交叉链接度实现4D打印编程
2.5填充模式编码4D打印设计的研究进展
图13a)通过打印填充图案实现4D打印的编程；b)通过打印填充角度实现4D打印编程；c)通过DIW打印工艺的打印路径，实现4D打印紫薯泥；d)通过DIW打印工艺的打印路径实现4D打印薯条；e)通过打印路径实现双层结构4D打印水凝胶；f)换热性能填充模式的各向异性控制；g)单线路径设计的形状记忆超材料
图14总结填充法编程4D打印的原理：a)单线打印，实现4D功能变化；b)充填度差分规划的变形控制；c)通过填充角度实现各种形状变化
2.6磁场编码4D打印设计的研究进展
2.7微观和宏观参数编码4D打印设计的进展
2.8 4D打印中的拓扑优化设计
图17a)模型问题的进化算法编码示意图：在上面的图中，红色用于表示活性物质，蓝色用于表示被动物质；b) EA驱动下的整个设计过程示意图
3 4D打印应用程序启用参数编码方法
3.1采用参数编码方法的电子产品4D打印
图18a)表面微结构可调的自适应形状记忆纳米发电机；b)由工艺参数设计的仿生梯度间隙实现传感器驱动集成装置；c)打印路径规划的自感知驱动程序；d) 4D打印液体传感器，可适应多种液位高度；e)充满液体的电容式传感器和夹夹之间的电容
3.2采用参数编码方法的医疗器械4D打印
图19a)具有工艺参数编程的光控SMP通过形状记忆功能实现血栓清除；b) 4D打印形状记忆仿生支架通过结构重组打开模拟猪肠梗阻的可行性；c)采用DLP/SLA双过程参数规划的形状记忆可重复心脏
3.3基于参数编码的软机器人4D打印
图20a)由交联密度差编程的形状记忆膨胀致动器；b)通过交联密度差编程的热致收缩水凝胶实现了具有自主排汗功能的致动器；c)通过编程实现LCE软机器人的晶域取向度；d)不同交联密度的磁控凝胶软机器人
4挑战和展望
参数编码4D打印技术充分利用了增材制造技术的潜在能力，是一种高效、通用、经济的4D行为编程手段。然而，科学家和工程师要利用这些能力并不容易。目前的参数化编程方法大多是基于商用切片软件对一些G代码进行手工修改，不允许进行复杂的参数化编码，效率较低。为此，还有各种各样的技术壁垒需要打破。目前，大多数3D打印机都有一个封闭的架构，这使得研究人员无法对加工条件进行有意义的改变。这些3D打印机是这样设计的，他们有一个不可改变的工艺参数在零件精度和速度的之间权衡。打印参数难以实现实时动态控制是主要挑战之一，这需要4D打印硬件和软件的协同改进。例如，温度作为影响打印部件性能的重要参数，目前的4D打印设备由于散热和热惰性等原因，无法实现对温度的动态快速调节。因此，需要开发能够动态调节打印参数的专用AM机器。例如，可以实时改变液化温度的材料挤压3D打印机的开发。通过调节熔融温度，可以控制打印聚合物材料的结晶度，从而实现性能的调节。对于光固化工艺3D打印机，需要开发可调工艺，可以实时改变曝光参数，从而调节固化材料的结构和性能。除了工艺和机器等硬件技术外，更重要的是，需要更深入地了解增材制造工艺中的打印参数-结构-性能关系。为了揭示打印参数对材料结构和性能的影响规律，需要开展增材制造、机器学习和人工智能的数字孪生研究。采用数字孪生技术，可获得工艺参数和打印件性能数据。通过机器学习和人工智能，可以揭示打印参数与成型材料性能之间的关系，从而建立工艺性能模型。
原始文献：
Lei Ren, Zhenguo Wang, Luquan Ren, Chao Xu, Bingqian Li, Yusheng Shi, Qingping Liu,Understanding the role of process parameters in 4D printing: A review, Composites Part B 265 (2023) 110938, https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2023.110938.
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359836823004419.
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