譚建榮：從三維打印到四維打印-關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展趨勢

在2024增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇暨增材制造產(chǎn)業(yè)年會(huì)主論壇上，中國工程院院士、浙江大學(xué)求是特聘教授、浙江大學(xué)設(shè)計(jì)工程及自動(dòng)化系系主任、譚建榮，做了《從三維打印到四維打�。宏P(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展趨勢》的演講。

譚建榮：各位領(lǐng)導(dǎo)、各位專家，大家上午好！我今天很高興來到我們廣州，來向大家交流一下我最近學(xué)習(xí)、研究和應(yīng)用從三維打印到四維打印，增材制造關(guān)鍵技術(shù)的新發(fā)展，我想把我的學(xué)習(xí)體會(huì)向我們到會(huì)的各位領(lǐng)導(dǎo)、各位專家、各位來賓做一個(gè)交流匯報(bào)。

我來自浙江大學(xué)，主要從事數(shù)字設(shè)計(jì)智能制造方面的研究，我們?nèi)�維打印我們前面李院士做了一個(gè)水平非常高，同時(shí)也是非常實(shí)事求是的一個(gè)報(bào)告，三維打印增材制造是一項(xiàng)高新技術(shù)，但是目前有很多痛點(diǎn)和難點(diǎn)。痛點(diǎn)在什么地方？物理性能難以掌控，難以檢測。你檢測它用什么手段？什么依據(jù)？什么標(biāo)準(zhǔn)？什么理論？什么方法？還有待進(jìn)一步探討。

第二個(gè)還有一個(gè)難點(diǎn)痛點(diǎn)就是物理性能，但是三維打印確實(shí)還有很多的用處，它可以改變實(shí)際制造方式，縮短實(shí)際制造時(shí)間，節(jié)約實(shí)際制造成本，降低實(shí)際制造人力，增加實(shí)際制造的可能。特別是最后一句，增加實(shí)際制造的可能，這個(gè)就是三維打印和增材制造的最大用處。

三維打印和增材制造技術(shù)可以應(yīng)用于很多領(lǐng)域，但是最適合的領(lǐng)域就是三維打印用在什么地方？就是用在大批量定制的產(chǎn)品。需要定制化生產(chǎn)的產(chǎn)品。那么三維打印的單件、小批量、定制化，大批量定制，大批量不是修飾定制的，大批量和定制兩種生產(chǎn)方式，優(yōu)點(diǎn)組合起來是這個(gè)意思。我們有些人沒有正確的理解，大批量理解為定制的修飾詞，那么定制化是一個(gè)好東西，但是是不是一定是定制好呢？不是的。我們大批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)不能否定它，特別是我們的定制化是需要在標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化基礎(chǔ)上的定制化的，有的企業(yè)主管說100%定制，100%定制不好了，任何東西推向極端就走向反面，而且100%定制徹底否定了標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化。而這三個(gè)化就是大批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。

所以我們要正確理解大批量定制是大批量生產(chǎn)和定制生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，優(yōu)勢互補(bǔ)的生產(chǎn)模式，所以三維打印比較適合。

那么從三維打印到現(xiàn)在發(fā)展為四維打印，三維打印篇幅不講了，我們重點(diǎn)講四維打印。四維打印什么意思？四維打印就是以三維打印為基礎(chǔ)，結(jié)合自己相應(yīng)性的材料，所以關(guān)鍵就是自己相應(yīng)性的材料，成為引入時(shí)間成為第四維度的新型增材制造技術(shù)。最早密歇根大學(xué)一個(gè)老師提出的，提出二十多年了，但是現(xiàn)在這個(gè)四維打印正在越來越多的領(lǐng)域得到重視和應(yīng)用。

所謂四維打印就是利用可編程的物質(zhì)和三維打印技術(shù)制造出在預(yù)先之間能放在水中，能通過加熱、加壓、通電、光照等可以自我變換的物理屬性，這個(gè)物理屬性可以自由變換，包括形態(tài)、密度、顏色、彈性、導(dǎo)電性、光學(xué)特性、電池三維物體，我們這個(gè)動(dòng)畫就演示了這個(gè)四維打印的過程，打印出來之后長這樣，隨著時(shí)間變化有一個(gè)時(shí)間就開始變換了。

那么可編程物質(zhì)通過編程方式控制的，這個(gè)PLC就是可編程，機(jī)器人就是可編程的機(jī)器，所以可編程比較重要，以可編程的方式改變外形、密度、導(dǎo)電性、顏色、光學(xué)特性、電池特性等物質(zhì)，四維打印第四維就是物體制造出來之后，在其形態(tài)、性能可以自由變換是這個(gè)意思。

那么所以四維打印它的主要構(gòu)成可以分為4個(gè)部分，第一個(gè)智能和智接材料，第二四維打印的設(shè)備，第三外部直接因子，第四智能化設(shè)計(jì)過程。四維打印的4個(gè)要素我們具體展開看到，第一個(gè)智能和智接反饋材料，四維打印可以根據(jù)應(yīng)用場景的特定需求直接或者具有特定條件的智能變換，展現(xiàn)出智能的特性，使研究呈現(xiàn)這類物質(zhì)的基本材料，成為智能材料。

我們廣東深圳有一個(gè)智能材料的研究所，第二四維打印設(shè)備，打印設(shè)備就像不同材料的合理分布，不同的材料屬性如熱膨脹系數(shù)等等，使得結(jié)構(gòu)可以按照特定的方式變?yōu)榭赡堋?br />
第三刺激因子，這個(gè)是關(guān)鍵，刺激因子用來改變四維打印結(jié)構(gòu)形狀，屬性和功能變化的觸發(fā)，所以它是關(guān)系，研究者在四維打印領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用刺激因子包括水、溫度、紫外線、光熱組合以及水熱組合等等。

第四智能化設(shè)計(jì)過程，我們基于交互機(jī)制可預(yù)測行為和需求參數(shù)，充分考慮可以保證得到可控的結(jié)果。

傳統(tǒng)的三維打印通過專業(yè)掃描儀和掃描設(shè)備獲取對象的三維數(shù)據(jù)，那么四維打印要根據(jù)其變換的特性在建模之初就將材料的價(jià)值、時(shí)間等變形因素以及其他相關(guān)的數(shù)字化參數(shù)預(yù)先呈現(xiàn)到打印材料當(dāng)中。所以它有一些優(yōu)勢，第一類優(yōu)勢事物可以從一種形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硗庖环N形態(tài)，提供最大限度的產(chǎn)品設(shè)計(jì)自由度，第二可以在打印部件中嵌入驅(qū)動(dòng)等感知能力，無法額外時(shí)間成本，第三可以在統(tǒng)一批次產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)定制生產(chǎn)，第四可以生產(chǎn)個(gè)性化的產(chǎn)品，第五可預(yù)先打印簡單的結(jié)構(gòu)，如果通過外部刺激變成有復(fù)雜功能的結(jié)構(gòu)，他先可以打印一個(gè)簡單的物體，通過刺激使其變形到復(fù)雜物體，第六一旦制造出適應(yīng)打印的材料，并嵌入動(dòng)態(tài)的功能，產(chǎn)品功能將超預(yù)期，這個(gè)是巴黎的埃菲爾鐵塔變型過程，第七可以從根本上消除供應(yīng)鏈和組裝線，他不需要供應(yīng)鏈可以自己變形，自己變成一個(gè)小系統(tǒng)，第八可以利用設(shè)計(jì)和編程實(shí)現(xiàn)物質(zhì)世界的數(shù)字化，第九數(shù)字文件可以發(fā)送到世界任何地點(diǎn)，并且結(jié)合三維像素制造需要的產(chǎn)品，把數(shù)字文件發(fā)過去就可以了。

第十三維像素的設(shè)計(jì)制造將成為新興行業(yè)，帶來影響異常深遠(yuǎn)。現(xiàn)在都要搞顛覆性的技術(shù)，我們希望有顛覆性的產(chǎn)業(yè)，顛覆性的產(chǎn)業(yè)三維打印是其中之一。

第十一，將激發(fā)科學(xué)家和工程師多種功能、多種物質(zhì)體想象能力，進(jìn)行物質(zhì)編程，并利用四維打印實(shí)現(xiàn)物質(zhì)程序化，這一領(lǐng)域?qū)��?huì)實(shí)現(xiàn)。

四維打印主要用于什么呢？主要用于航天航空，醫(yī)工結(jié)合等等，比如說這個(gè)人體里面現(xiàn)在注入一個(gè)小的機(jī)器人，機(jī)器人把你腸道打開，到了腸道再變形，航空航天也是一樣的，把簡單物體發(fā)射到太空里面，在太空里面變形為復(fù)雜產(chǎn)品，這樣成本更低，效率更高。

那么增材制造包括三維打印和四維打印有哪些新的關(guān)鍵技術(shù)呢？我總結(jié)歸納了有7項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，在這里向大家展現(xiàn)一下：

第一，增材制造自適應(yīng)分層和精度強(qiáng)化技術(shù)，主要是精度分層，三維打印最基本的就是分層制造，分層制造我們自適應(yīng)分層和精度如何強(qiáng)化是關(guān)鍵；
第二，增材制造免支撐高效高精多軸打印技術(shù)，多個(gè)自由度打印同一個(gè)物體；
第三，可制造性增強(qiáng)的復(fù)合材料打印優(yōu)化技術(shù)；
第四，四多材料電熱響應(yīng)模糊控制穩(wěn)建設(shè)計(jì)技術(shù)；
第五，增材制造過程易判別缺陷檢測技術(shù)。
第六，基于多域融合增材制造數(shù)字孿生技術(shù)；
第七，流形拓?fù)潢P(guān)聯(lián)的四維打印多響應(yīng)可控技術(shù)。

這是增材制造最新發(fā)展的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，其中包括三維打印也包括四維打印，它具有高品質(zhì)、高效的、高定制化、高算力支撐4大特點(diǎn)和發(fā)展趨勢，要向高品質(zhì)發(fā)展、高效率發(fā)展、高定制化和高算力發(fā)展。我這個(gè)團(tuán)隊(duì)主要從事數(shù)字化實(shí)際制造，我們這個(gè)方面也發(fā)表了很多的論文，也在增材制造發(fā)表ICIEI高水平論文有一百余篇，發(fā)明專利80余項(xiàng)，增材制造產(chǎn)業(yè)化方面我們組織了投資4個(gè)億的產(chǎn)業(yè)化合作基地，和我們杭州的幾個(gè)企業(yè)，這個(gè)是論文，這個(gè)是我們的產(chǎn)業(yè)化基地，產(chǎn)業(yè)化基地我們也開發(fā)了成功的金屬三維打印設(shè)備，開發(fā)了不銹鋼、鈦合金等等金屬的三維打印，以及它的激光工藝，這個(gè)有一些客戶，包括我們航天科技，在福建導(dǎo)彈噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，耐熱高溫打印材料做了一些貢獻(xiàn)。

這個(gè)是我們的項(xiàng)目的檢測報(bào)告，我們還用三維打印技術(shù)、四維打印技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)融合起來，機(jī)器人我們開發(fā)了應(yīng)急管理機(jī)器人，應(yīng)急管理機(jī)器人是我博士生為主開發(fā)的，我們專利授權(quán)給他，他成立了一個(gè)杭州科技智能有限公司，這個(gè)公司也是我們工信部單項(xiàng)冠軍，2021年成功在上海證交所上市，我們還開發(fā)了一個(gè)用三維打印的機(jī)器人這個(gè)機(jī)器人既可以教也可以用，作為中國向“一帶一路”國家重點(diǎn)推廣的新產(chǎn)品，我們開發(fā)一個(gè)機(jī)器人教會(huì)人用機(jī)器人，教會(huì)機(jī)器人如何運(yùn)動(dòng)，怎么動(dòng)作，因?yàn)樗�要適合定制的場合，所以用三維打印技術(shù)比較合適。

現(xiàn)在這個(gè)公司也在運(yùn)作上市當(dāng)中，是我的一個(gè)碩士生開發(fā)的，專利技術(shù)都是我們的，那么這個(gè)公司第一年他注冊在杭州人工智能小鎮(zhèn)，第一年他生產(chǎn)的教用一體，既可以用于教學(xué)，又可以用于生產(chǎn)那么企業(yè)比較歡迎，那么你買去就會(huì)用了，他的優(yōu)點(diǎn)在這里。即買即用，第一年就生產(chǎn)了一百臺，第二年就生產(chǎn)了三百臺，第三年生產(chǎn)了五百臺，當(dāng)他生產(chǎn)五百臺的時(shí)候，他的面積就不夠了，場地就不夠了，杭州主動(dòng)提出，我們給你做廠房，我們給你造研發(fā)大樓，今年10月份就在北京亦莊舉行了世界機(jī)器人大會(huì)，我們這個(gè)公司也包了一個(gè)展，展示了這個(gè)公司最新研發(fā)的三款人形機(jī)器人非常震撼，人形機(jī)器人可以按照客戶的需求提供參觀者不同的飲料，可口可樂或者雪碧，可以選擇。

那么這個(gè)展廳我們還在超大型低能耗裝備，高端數(shù)控機(jī)床等等應(yīng)用數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化技術(shù)，成功幫助一批數(shù)字企業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，我們也歡迎我們廣東的企業(yè)，我們?nèi)�維打印的同行我們增材制造的各個(gè)領(lǐng)域?qū)＜矣袡C(jī)會(huì)到杭州、到浙江大學(xué)進(jìn)行技術(shù)交流、項(xiàng)目合作，我的報(bào)告到此結(jié)束，謝謝大家！