譚建榮：從三維打印到四維打印-關鍵技術與發(fā)展趨勢

在2024增材制造產業(yè)發(fā)展論壇暨增材制造產業(yè)年會主論壇上，中國工程院院士、浙江大學求是特聘教授、浙江大學設計工程及自動化系系主任、譚建榮，做了《從三維打印到四維打�。宏P鍵技術與發(fā)展趨勢》的演講。

譚建榮：各位領導、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習、研究和應用從三維打印到四維打印，增材制造關鍵技術的新發(fā)展，我想把我的學習體會向我們到會的各位領導、各位專家、各位來賓做一個交流匯報。

我來自浙江大學，主要從事數字設計智能制造方面的研究，我們三維打印我們前面李院士做了一個水平非常高，同時也是非常實事求是的一個報告，三維打印增材制造是一項高新技術，但是目前有很多痛點和難點。痛點在什么地方？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？什么標準？什么理論？什么方法？還有待進一步探討。

第二個還有一個難點痛點就是物理性能，但是三維打印確實還有很多的用處，它可以改變實際制造方式，縮短實際制造時間，節(jié)約實際制造成本，降低實際制造人力，增加實際制造的可能。特別是最后一句，增加實際制造的可能，這個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可以應用于很多領域，但是最適合的領域就是三維打印用在什么地方？就是用在大批量定制的產品。需要定制化生產的產品。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方式，優(yōu)點組合起來是這個意思。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。我們大批量生產的優(yōu)點不能否定它，特別是我們的定制化是需要在標準化、系列化、模塊化基礎上的定制化的，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%定制徹底否定了標準化、系列化、模塊化。而這三個化就是大批量生產的優(yōu)點。

所以我們要正確理解大批量定制是大批量生產和定制生產的優(yōu)點結合起來，優(yōu)勢互補的生產模式，所以三維打印比較適合。

那么從三維打印到現在發(fā)展為四維打印，三維打印篇幅不講了，我們重點講四維打印。四維打印什么意思？四維打印就是以三維打印為基礎，結合自己相應性的材料，所以關鍵就是自己相應性的材料，成為引入時間成為第四維度的新型增材制造技術。最早密歇根大學一個老師提出的，提出二十多年了，但是現在這個四維打印正在越來越多的領域得到重視和應用。

所謂四維打印就是利用可編程的物質和三維打印技術制造出在預先之間能放在水中，能通過加熱、加壓、通電、光照等可以自我變換的物理屬性，這個物理屬性可以自由變換，包括形態(tài)、密度、顏色、彈性、導電性、光學特性、電池三維物體，我們這個動畫就演示了這個四維打印的過程，打印出來之后長這樣，隨著時間變化有一個時間就開始變換了。

那么可編程物質通過編程方式控制的，這個PLC就是可編程，機器人就是可編程的機器，所以可編程比較重要，以可編程的方式改變外形、密度、導電性、顏色、光學特性、電池特性等物質，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意思。

那么所以四維打印它的主要構成可以分為4個部分，第一個智能和智接材料，第二四維打印的設備，第三外部直接因子，第四智能化設計過程。四維打印的4個要素我們具體展開看到，第一個智能和智接反饋材料，四維打印可以根據應用場景的特定需求直接或者具有特定條件的智能變換，展現出智能的特性，使研究呈現這類物質的基本材料，成為智能材料。

我們廣東深圳有一個智能材料的研究所，第二四維打印設備，打印設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等等，使得結構可以按照特定的方式變?yōu)榭赡堋?br />
第三刺激因子，這個是關鍵，刺激因子用來改變四維打印結構形狀，屬性和功能變化的觸發(fā)，所以它是關系，研究者在四維打印領域已經應用刺激因子包括水、溫度、紫外線、光熱組合以及水熱組合等等。

第四智能化設計過程，我們基于交互機制可預測行為和需求參數，充分考慮可以保證得到可控的結果。

傳統(tǒng)的三維打印通過專業(yè)掃描儀和掃描設備獲取對象的三維數據，那么四維打印要根據其變換的特性在建模之初就將材料的價值、時間等變形因素以及其他相關的數字化參數預先呈現到打印材料當中。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)轉變?yōu)榱硗庖环N形態(tài)，提供最大限度的產品設計自由度，第二可以在打印部件中嵌入驅動等感知能力，無法額外時間成本，第三可以在統(tǒng)一批次產品中實現定制生產，第四可以生產個性化的產品，第五可預先打印簡單的結構，如果通過外部刺激變成有復雜功能的結構，他先可以打印一個簡單的物體，通過刺激使其變形到復雜物體，第六一旦制造出適應打印的材料，并嵌入動態(tài)的功能，產品功能將超預期，這個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鏈和組裝線，他不需要供應鏈可以自己變形，自己變成一個小系統(tǒng)，第八可以利用設計和編程實現物質世界的數字化，第九數字文件可以發(fā)送到世界任何地點，并且結合三維像素制造需要的產品，把數字文件發(fā)過去就可以了。

第十三維像素的設計制造將成為新興行業(yè)，帶來影響異常深遠�，F在都要搞顛覆性的技術，我們希望有顛覆性的產業(yè)，顛覆性的產業(yè)三維打印是其中之一。

第十一，將激發(fā)科學家和工程師多種功能、多種物質體想象能力，進行物質編程，并利用四維打印實現物質程序化，這一領域將會實現。

四維打印主要用于什么呢？主要用于航天航空，醫(yī)工結合等等，比如說這個人體里面現在注入一個小的機器人，機器人把你腸道打開，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雜產品，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鍵技術呢？我總結歸納了有7項關鍵技術，在這里向大家展現一下：

第一，增材制造自適應分層和精度強化技術，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分層和精度如何強化是關鍵；
第二，增材制造免支撐高效高精多軸打印技術，多個自由度打印同一個物體；
第三，可制造性增強的復合材料打印優(yōu)化技術；
第四，四多材料電熱響應模糊控制穩(wěn)建設計技術；
第五，增材制造過程易判別缺陷檢測技術。
第六，基于多域融合增材制造數字孿生技術；
第七，流形拓撲關聯的四維打印多響應可控技術。

這是增材制造最新發(fā)展的幾項關鍵技術，其中包括三維打印也包括四維打印，它具有高品質、高效的、高定制化、高算力支撐4大特點和發(fā)展趨勢，要向高品質發(fā)展、高效率發(fā)展、高定制化和高算力發(fā)展。我這個團隊主要從事數字化實際制造，我們這個方面也發(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，增材制造產業(yè)化方面我們組織了投資4個億的產業(yè)化合作基地，和我們杭州的幾個企業(yè)，這個是論文，這個是我們的產業(yè)化基地，產業(yè)化基地我們也開發(fā)了成功的金屬三維打印設備，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，這個有一些客戶，包括我們航天科技，在福建導彈噴氣發(fā)動機，耐熱高溫打印材料做了一些貢獻。

這個是我們的項目的檢測報告，我們還用三維打印技術、四維打印技術和機器人技術融合起來，機器人我們開發(fā)了應急管理機器人，應急管理機器人是我博士生為主開發(fā)的，我們專利授權給他，他成立了一個杭州科技智能有限公司，這個公司也是我們工信部單項冠軍，2021年成功在上海證交所上市，我們還開發(fā)了一個用三維打印的機器人這個機器人既可以教也可以用，作為中國向“一帶一路”國家重點推廣的新產品，我們開發(fā)一個機器人教會人用機器人，教會機器人如何運動，怎么動作，因為它要適合定制的場合，所以用三維打印技術比較合適。

現在這個公司也在運作上市當中，是我的一個碩士生開發(fā)的，專利技術都是我們的，那么這個公司第一年他注冊在杭州人工智能小鎮(zhèn)，第一年他生產的教用一體，既可以用于教學，又可以用于生產那么企業(yè)比較歡迎，那么你買去就會用了，他的優(yōu)點在這里。即買即用，第一年就生產了一百臺，第二年就生產了三百臺，第三年生產了五百臺，當他生產五百臺的時候，他的面積就不夠了，場地就不夠了，杭州主動提出，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器人大會，我們這個公司也包了一個展，展示了這個公司最新研發(fā)的三款人形機器人非常震撼，人形機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。

那么這個展廳我們還在超大型低能耗裝備，高端數控機床等等應用數字化網絡化智能化技術，成功幫助一批數字企業(yè)實現數字化轉型，我們也歡迎我們廣東的企業(yè)，我們三維打印的同行我們增材制造的各個領域專家有機會到杭州、到浙江大學進行技術交流、項目合作，我的報告到此結束，謝謝大家！