增材制造中的5D打印：多轴曲面层沉积、材料创新、跨行业应用及未来战略展望

《Journal of Manufacturing and Materials Processing》：5D Printing in Additive Manufacturing: Current Status, Applications, and Future Perspectives

　　

自20世纪80年代末以来，增材制造（additive manufacturing，AM）已成为一种突出的制造技术，并在过去数十年中经历了显著发展。尽管发展迅速，该技术仍面临诸多制造挑战。在AM发展的推动下，5D打印由传统3D打印演化而来，通过引入五个受控自由度（三个平移轴和两个旋转轴），实现非平面沉积（non-planar deposition）、曲面层制造（curved-layer fabrication）以及沉积方向（deposition orientation）的改进控制。本综述批判性地分析和总结了5D打印技术，详述其发展、材料创新、应用和未来展望。该研究从1D打印经2D打印到3D打印的演进出发，详述其局限性以及向5D打印的范式转变。研究人员还讨论了材料选择方面的见解，材料选择在决定5D打印的功能性和性能方面起着关键作用。此外，还讨论了5D打印在航空航天、汽车、生物医学、珠宝和食品工业中的多种应用，突出其在轻量化、高强度及定制化部件方面的潜力。进一步地，研究人员展示了针对5D打印的详细SWOT（strengths, weaknesses, opportunities, and threats）分析，以评估该技术的优势、劣势、机会和威胁，为5D打印在工业中的定位提供战略视角。最后，讨论了多材料集成（multi-material integration）、人工智能（artificial intelligence，AI）优化打印（AI-optimized printing）和混合制造方法（hybrid manufacturing methods）的未来前景。

1. Introduction
增材制造（AM）自20世纪80年代后期成为变革性技术。5D打印在3D打印基础上引入三个平移轴（X、Y、Z）和两个旋转轴（α、β）共五个自由度，实现非平面沉积、曲面层制造和沉积方向控制，可减少支撑和材料浪费并提高力学性能。材料选择与五自由度打印精度共同决定功能适应性、结构完整性和性能。应用涉及航空航天、汽车、生物医学、国防等。挑战包括高成本、复杂工艺规划与软件、材料范围有限、多轴沉积精度和重复性不足。本综述采用PRISMA指导的文献筛选，分析1D至5D打印演进、材料分类、力学性能与材料效率、跨行业应用及SWOT（strengths, weaknesses, opportunities, and threats）分析，并讨论多材料集成、人工智能（AI）优化打印和混合制造前景。

Literature Search and Selection Criteria
检索Scopus、Web of Science和Google Scholar，关键词包括“5D printing”“multi-axis additive manufacturing”“curved layer printing”“materials in 5D printing”“biomedical applications of 5D printing”和“multi-axis toolpath planning”。仅纳入英文文献，时间以2015—2026年为主，多数为2020—2026年；优先实验验证、新机器配置和新应用研究，排除未涉及多轴或曲面层沉积的传统3D/4D打印研究。筛选过程按PRISMA流程图进行。

2. Development of 3D, 4D, and 5D Printing Technologies
2.1. 3D Printing: Evolution and Its Limitations
3D打印源于20世纪80年代，1981年Kodama展示逐层光聚合物制造，1984年Hull申请立体光刻（SLA）专利，1988年Stratasys推出熔融沉积建模（FDM），1989年Deckard发明选择性激光烧结（SLS）。2000年代后用于航空航天、汽车和医疗。其局限包括材料范围有限、动态环境力学性能不足、层间结合弱导致各向异性、后处理和可扩展性限制。

2.2. 4D Printing: Origin and Its Limitations
2013年Tibbits提出4D打印，强调智能材料使物体随时间或刺激变形；Qi等利用打印活性复合材料（PACs）和形状记忆材料（SMMs）实现复杂形状。4D打印面临智能材料昂贵、刺激响应有限、形变时间与方向控制困难、环境因素不可预测、耗时昂贵且受3D打印机分辨率限制等问题。

2.3. Evolution of 5D Printing
5D打印是AM持续演进的结果。与4D打印关注时间依赖和刺激响应不同，5D打印关注多轴沉积及额外旋转自由度，通过多轴运动和曲面层沉积缓解各向异性、强度不足和材料浪费。5D打印不等同于广义多轴AM，也不等同于传统五轴减材加工；其特指主动利用两个旋转自由度控制沉积方向并生成非平面、曲面层或自由曲面路径的五轴AM。其工业效益仍需实验验证和标准化。

3. A Comparative Overview of 3D, 4D, and 5D Printing
在Mitsubishi Electric Research Laboratories（MERL）压力帽案例中，3D打印帽约承受0.1 MPa，5D打印帽可达约3.7 MPa。5D打印因可制造曲面和凹面结构而具有更高强度，在汽车等要求耐久性和材料效率的领域更具吸引力。

4. Materials for 5D Printing
5D打印材料主要分为聚合物、金属和陶瓷，其中聚合物基材料（如PLA、ABS、PEEK等）占主导。连续纤维增强热塑性复合材料（CFRTPCs）在五轴打印中表现出比3D打印高27%的载荷重量比，表面粗糙度由37.63 μm降至约12 μm。食品材料如淀粉基凝胶和紫薯泥-甜奶体系结合益生菌和茶多酚可改变质构和功能。羟基磷灰石（HA，Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂）用于骨相关支架，其钙磷比、结晶度、粒径和孔隙率影响生物活性。金属材料包括不锈钢316L、Al 6061/7075、Ti-6Al-4V、Inconel、钴铬、金、银、钽、镍铬、钨和铜等；激光粉末床熔融（LPBF）优化17-4 PH不锈钢时得到能量密度71 J/mm²、构建方向90度和六边形扫描等参数。复合材料中，Kevlar/PLA的纤维取向影响拉伸性能；大豆壳纤维处理使孔尺寸由81 μm降至39 μm、弹性模量由36 MPa升至54 MPa；BN/ABS在35 wt%氮化硼时注塑件面内导热1.45 W/m·K，3D打印件0.93 W/m·K；多壁碳纳米管（MWCNTs）/PLA电磁干扰（EMI）屏蔽效率可达约70 dB g/cm³。金属和陶瓷在5D打印中的研究仍有限，五轴定向能量沉积（DED）如Ti-6Al-4V已有实验，但工艺稳定性和性能一致性需进一步研究。

5. Applications of 5D Printing
5.1. Aerospace Industries
5D打印适用于航空航天中高强度复杂构件。NASA Langley和Glenn研究中心利用增材制造提升飞机结构、涡轮发动机、火箭推进和航天器系统性能，采用选择性激光熔化（SLM）、电子束自由成形（EBF³）和粉末床熔融（PBF）等技术制造复杂部件。5D多轴曲面层沉积可改善载荷分布、降低应力集中并延长疲劳寿命，但太空制造仍受构建体积和微重力沉积稳定性限制。

5.2. Automotive and Manufacturing Industries
5D打印在汽车和制造业中用于功能集成和快速制造。其可结合聚合物基板、导电银浆电路和表面贴装电子器件，制造机电一体化装置。拓扑优化和晶格结构可减重并缩短打印时间。与3D打印相比，5D打印可减少各向异性、提高结构完整性和力学性能，潜在应用包括轻量支架、壳体、歧管、工具和冲压模等。

5.3. Jewelry
5D打印在珠宝和装饰设计中显示潜力，可改进产品开发并弥补3D打印不足，但相关研究有限，仍需更多研究。

5.4. Food Industry
食品领域探索5D打印以制造复杂形状糖果、曲面零食和曲面包装等。适宜材料包括淀粉、蛋白、多糖、果泥和奶基配方，其流变行为、粘度、流动性、结构稳定性、水分和后打印质构决定打印性。益生菌和多酚等功能成分可赋予额外营养或生物功能。可食用机器人等新概念也被提出，但整体仍处早期。

5.5. Biomedical Applications
5.5.1. Drug Delivery
5D生物打印可结合患者CT数据和仿生纳米材料制造个性化血管装置，实现纳米颗粒靶向释放并保持生物相容性。与AI结合时，5D打印可能比传统3D打印节省约80%时间，在药物递送装置快速制造方面具有潜力。

5.5.2. Orthopedics
5D打印可用于制造曲面、更高强度的骨科植入物和人工骨。文献指出5D打印样品强度可较3D打印样品高约3—5倍。5D CT和MRI有助于术前可视化，但成本和专业知识要求较高。临床应用仍需降低成本、改进成像与设计并验证长期性能。

5.5.3. Tissue Engineering
组织工程与再生医学（TERM）中，5D打印可制造血管化骨支架、可重构支架及角膜和神经相关结构。基于GelMA和聚(ε-己内酯)（PCL）的支架可在近红外光下由平板变为可调曲率圆柱，支持细胞生长和骨组织形成。5D打印在复杂神经构建和个性化治疗模型中具有潜力，但需材料优化、生物性能验证和技术简化。

5.5.4. Dentistry
5D打印可制造高定制牙科修复体、牙冠、桥和正畸装置，曲面层结构可减少薄弱点并提高寿命。结合AI可提升个性化、精度和效率，但大规模临床实施仍需持续研究。

6. SWOT Analysis
SWOT分析基于PRISMA筛选保留的61项研究。5D打印的优势包括制造复杂、轻量和高力学性能结构；劣势包括高运营成本、材料兼容性有限和需专家操作；机会包括AI、机器人和智能材料集成，支持个性化医疗、航空航天和结构工程；威胁包括阻碍其发展和采用的各类因素。整体需多学科策略推动其从实验演示走向工业应用。

7. Discussion and Future Perspectives of 5D Printing
5D打印通过多轴运动提供更高几何灵活性，在生物医学中可制造贴合解剖曲率的植入物和支架，增强力学强度并减少材料浪费。医疗应用中需谨慎规范AI和数据驱动工具，确保患者安全和伦理使用。多轴几何控制与智能设计方法结合，使5D打印成为连接物理精度和自适应制造的潜在途径。

Challenges and Strategic Solutions in 5D Printing Technologies
规模化挑战包括多轴硬件高资本成本、刀具路径计算复杂、CAD/CAM软件与非平面几何兼容有限，以及五轴同步运动中的误差传播和工具干涉。生产上还受长构建时间和低产能限制。环境方面，多轴曲面层沉积可减少材料浪费和能耗，但生命周期评估仍稀缺。策略包括模块化或混合机器架构、AI校准与预测维护、开源多轴刀具路径软件、测试标准与认证合作以及劳动力培训。现有证据支持部分实验室和原型可行性，但工业商业化仍需过程可靠性、重复性、产能和数字集成验证。

8. Conclusions
本综述系统分析5D打印技术，认为其通过五个自由度（X、Y、Z、α、β）实现曲面连续复杂结构，改善沉积与载荷路径对齐，减少各向异性和支撑需求。材料仍以聚合物为主，金属和陶瓷研究有限。航空航天和汽车可受益于轻量载荷优化结构，生物医学可用于药物递送、骨科植入物和组织工程支架，珠宝和食品工业也显示个性化潜力。通过材料科学、工艺优化和AI集成，5D打印有望成为可持续、高效和高度定制化的先进制造技术。