與3D打印相比,4D打印增加了一個可變維度,其核心是材料自組裝,即在3D打印過程中,在預先設定的部位內置入智能材料。打印完成后,將產品置于特定的環境中,智能材料在外界環境的作用下發生物理或化學變化,導致產品形狀、強度等發生改變,最終按照產品設計,折疊成相應形狀。

4D打印技術更多地依賴材料,而非打印技術。它所需要的并非一般的普通材料,而是帶有記憶功能的智能材料,是一種能夠感知外部刺激,并能夠通過判斷而進行自我變形、組裝的新型功能材料。該材料不僅具備可打印性,還要具有傳感功能、反饋功能、信息識別與積累功能、響應功能、自我變形能力、自我組裝能力、自我診斷能力、自我修復能力和超強適應能力,以及快速響應的變形組裝能力。現階段,4D打印所需要的材料一般包括電活性聚合物、形狀記憶材料、壓電材料、電磁流變體、磁致伸縮材料等。除了對材料要求較高以外,4D打印還需要具備觸發智能材料自我改變的“催化劑”。根據不同的打印材料,這一“催化劑”可以是水,也有可能是光、熱、聲音、震動、氣體等,當觸發介質發生變化時,4D打印材料會自動響應,改變形態。

美國研究機構將4D打印技術研究的熱點和重點集中在智能材料領域。美國各大學的硏究機構紛紛參與4D打印智能材料的研發。

美國哈佛大學工程與應用科學學院、匹茲堡大學斯旺森工程學院、伊利諾伊大學的研究人員共同運用其在納米和微觀層面操縱材料的技術能力與研究優勢,研究出可以隨著時間推移修改結構的仿生復合材料。這種材料能夠根據外界刺激,重新調整形狀、性能或功能,具有自適應、靈活輕盈、堅固等特點,而不是靜態或簡單地改變形狀的材料,這也為生產新一代智能傳感器、涂料、紡織品及結構件開辟了新途徑。

美國佐治亞理工學院和新加坡科技與設計大學的研究人員共同研發了可制造出由組件自行折疊形成的3D物體。這些組件可以壓扁或卷成管狀,并能以準確定時的方式對溫度、濕度或光線等刺激做出反應,從而形成立體結構。這項研究成果利用多種不同的智能形狀記憶聚合物材料,按照設計好的模式制作出自折疊結構。

4D打印可以實現由-種三維結構變形成另-種三維結構。這種結構的可變化也為4D打印技術帶來廣闊的應用前景,例如,4D打印有利于新型醫療植入物的制造。對于心臟支架而言,如果采用4D打印技術,將不再需要給病人做開胸手術,可通過血液循環系統注射攜帶設計方案的智能材料,到達心臟指定部位后自我組裝成支架;

4D打印生產的武器裝備可根據環境和攻擊目標而優化武器攻擊性能，從而提高作戰效能。美國陸軍和海軍已經考慮采用4D打印技術制造軍事裝備零部件,以減少因運輸和儲存帶來的巨大成本和損耗,啟動具有適應各種地形的車輛研發制造；4D打印可使智能材料感知外光的變化，自動實現與周圍環境融為一體，從而改善偽裝效果，設計生產“自適應偽裝作戰服”。該作戰服如果成功，則具有以下三個方面的典型特色：（1）隱身功能，該服裝能在不同的環境下自由變換色彩，實現士兵的自適應隱身；（2）適穿功能，根據溫度的變化自動調節服裝厚度和透氣性，實現士兵的自適應舒適性；（3）防彈功能，根據所受外力自動調節軟服裝外圍硬度，平時穿著柔軟如織，遇子彈襲擊堅硬如鋼，實現士兵的自適應保護。

大型軍用構建制造的成本控制一直是個難題，然而利用4D打印技術可以大為改善，我們可以控制智能材料的關鍵部位敏感部位，把大型構件設計成折疊狀，然后利用3D打印機得到半成品，通過特殊的參數刺激控制來實現大型軍用構件的自動展開。例如將4D打印技術應用于軍用人造衛星，通過該技術的自動展開和組裝功能快速成型帆板和天線等大型構件，將大大減少機械部件的數量和重量，降低發射軍用衛星所需成本。

試想戰機的各個部件若用4D打印技術制造，則何懼敵人炮火攻擊，損壞的部件會快速被生長出的新部件所取代，完好如初。

預計在2019年,全球4D打印市場規模將達到6300萬美元,2025年將上升至5.3億美元。其中,預計2019年~2025年亞太地區的復合年增長率最高,將會達到51.75%。從企業競爭態勢看,全球最大的二維/三維設計和工程軟件公司歐特克(Autodesk)、3DFSystems等在4D打印市場上已有布局,且處于領先位置。其中,歐特克(Autodesk)及Stratasys參與了麻省理工學院的4D打研發項目,歐特克向麻省理工學院提供了4D打印輔助軟件Cyborg,Stratasys正在開發不同硬度及彈性的新型材料。

隨著4D打印的出現，有望推動個性化訂制向私人化工廠發展。4D打印技術出現后,其所改變的將不再只是個性化訂制問題,而是讓每個人實現自定義工廠、自主化生產成為可能。另外,當前以商品或設備整體銷售為主的商業模式將得以改變,消費者所購買的將不再是已有的固態產品,而是根據自己的需求購買相應的經4D打印的關鍵部件,通過外部環境的變化實現物件的動態調整。