谭建荣：从三维打印到四维打印-关键技术与发展趋势

在2024增材制造产业发展论坛暨增材制造产业年会主论坛上，中国工程院院士、浙江大学求是特聘教授、浙江大学设计工程及自动化系系主任、谭建荣，做了《从三维打印到四维打印：关键技术与发展趋势》的演讲。

谭建荣：各位领导、各位专家，大家上午好！我今天很高兴来到我们广州，来向大家交流一下我最近学习、研究和应用从三维打印到四维打印，增材制造关键技术的新发展，我想把我的学习体会向我们到会的各位领导、各位专家、各位来宾做一个交流汇报。

我来自浙江大学，主要从事数字设计智能制造方面的研究，我们三维打印我们前面李院士做了一个水平非常高，同时也是非常实事求是的一个报告，三维打印增材制造是一项高新技术，但是目前有很多痛点和难点。痛点在什么地方？物理性能难以掌控，难以检测。你检测它用什么手段？什么依据？什么标准？什么理论？什么方法？还有待进一步探讨。

第二个还有一个难点痛点就是物理性能，但是三维打印确实还有很多的用处，它可以改变实际制造方式，缩短实际制造时间，节约实际制造成本，降低实际制造人力，增加实际制造的可能。特别是最后一句，增加实际制造的可能，这个就是三维打印和增材制造的最大用处。

三维打印和增材制造技术可以应用于很多领域，但是最适合的领域就是三维打印用在什么地方？就是用在大批量定制的产品。需要定制化生产的产品。那么三维打印的单件、小批量、定制化，大批量定制，大批量不是修饰定制的，大批量和定制两种生产方式，优点组合起来是这个意思。我们有些人没有正确的理解，大批量理解为定制的修饰词，那么定制化是一个好东西，但是是不是一定是定制好呢？不是的。我们大批量生产的优点不能否定它，特别是我们的定制化是需要在标准化、系列化、模块化基础上的定制化的，有的企业主管说100%定制，100%定制不好了，任何东西推向极端就走向反面，而且100%定制彻底否定了标准化、系列化、模块化。而这三个化就是大批量生产的优点。

所以我们要正确理解大批量定制是大批量生产和定制生产的优点结合起来，优势互补的生产模式，所以三维打印比较适合。

那么从三维打印到现在发展为四维打印，三维打印篇幅不讲了，我们重点讲四维打印。四维打印什么意思？四维打印就是以三维打印为基础，结合自己相应性的材料，所以关键就是自己相应性的材料，成为引入时间成为第四维度的新型增材制造技术。最早密歇根大学一个老师提出的，提出二十多年了，但是现在这个四维打印正在越来越多的领域得到重视和应用。

所谓四维打印就是利用可编程的物质和三维打印技术制造出在预先之间能放在水中，能通过加热、加压、通电、光照等可以自我变换的物理属性，这个物理属性可以自由变换，包括形态、密度、颜色、弹性、导电性、光学特性、电池三维物体，我们这个动画就演示了这个四维打印的过程，打印出来之后长这样，随着时间变化有一个时间就开始变换了。

那么可编程物质通过编程方式控制的，这个PLC就是可编程，机器人就是可编程的机器，所以可编程比较重要，以可编程的方式改变外形、密度、导电性、颜色、光学特性、电池特性等物质，四维打印第四维就是物体制造出来之后，在其形态、性能可以自由变换是这个意思。

那么所以四维打印它的主要构成可以分为4个部分，第一个智能和智接材料，第二四维打印的设备，第三外部直接因子，第四智能化设计过程。四维打印的4个要素我们具体展开看到，第一个智能和智接反馈材料，四维打印可以根据应用场景的特定需求直接或者具有特定条件的智能变换，展现出智能的特性，使研究呈现这类物质的基本材料，成为智能材料。

我们广东深圳有一个智能材料的研究所，第二四维打印设备，打印设备就像不同材料的合理分布，不同的材料属性如热膨胀系数等等，使得结构可以按照特定的方式变为可能。

第三刺激因子，这个是关键，刺激因子用来改变四维打印结构形状，属性和功能变化的触发，所以它是关系，研究者在四维打印领域已经应用刺激因子包括水、温度、紫外线、光热组合以及水热组合等等。

第四智能化设计过程，我们基于交互机制可预测行为和需求参数，充分考虑可以保证得到可控的结果。

传统的三维打印通过专业扫描仪和扫描设备获取对象的三维数据，那么四维打印要根据其变换的特性在建模之初就将材料的价值、时间等变形因素以及其他相关的数字化参数预先呈现到打印材料当中。所以它有一些优势，第一类优势事物可以从一种形态转变为另外一种形态，提供最大限度的产品设计自由度，第二可以在打印部件中嵌入驱动等感知能力，无法额外时间成本，第三可以在统一批次产品中实现定制生产，第四可以生产个性化的产品，第五可预先打印简单的结构，如果通过外部刺激变成有复杂功能的结构，他先可以打印一个简单的物体，通过刺激使其变形到复杂物体，第六一旦制造出适应打印的材料，并嵌入动态的功能，产品功能将超预期，这个是巴黎的埃菲尔铁塔变型过程，第七可以从根本上消除供应链和组装线，他不需要供应链可以自己变形，自己变成一个小系统，第八可以利用设计和编程实现物质世界的数字化，第九数字文件可以发送到世界任何地点，并且结合三维像素制造需要的产品，把数字文件发过去就可以了。

第十三维像素的设计制造将成为新兴行业，带来影响异常深远。现在都要搞颠覆性的技术，我们希望有颠覆性的产业，颠覆性的产业三维打印是其中之一。

第十一，将激发科学家和工程师多种功能、多种物质体想象能力，进行物质编程，并利用四维打印实现物质程序化，这一领域将会实现。

四维打印主要用于什么呢？主要用于航天航空，医工结合等等，比如说这个人体里面现在注入一个小的机器人，机器人把你肠道打开，到了肠道再变形，航空航天也是一样的，把简单物体发射到太空里面，在太空里面变形为复杂产品，这样成本更低，效率更高。

那么增材制造包括三维打印和四维打印有哪些新的关键技术呢？我总结归纳了有7项关键技术，在这里向大家展现一下：

第一，增材制造自适应分层和精度强化技术，主要是精度分层，三维打印最基本的就是分层制造，分层制造我们自适应分层和精度如何强化是关键；
第二，增材制造免支撑高效高精多轴打印技术，多个自由度打印同一个物体；
第三，可制造性增强的复合材料打印优化技术；
第四，四多材料电热响应模糊控制稳建设计技术；
第五，增材制造过程易判别缺陷检测技术。
第六，基于多域融合增材制造数字孪生技术；
第七，流形拓扑关联的四维打印多响应可控技术。

这是增材制造最新发展的几项关键技术，其中包括三维打印也包括四维打印，它具有高品质、高效的、高定制化、高算力支撑4大特点和发展趋势，要向高品质发展、高效率发展、高定制化和高算力发展。我这个团队主要从事数字化实际制造，我们这个方面也发表了很多的论文，也在增材制造发表ICIEI高水平论文有一百余篇，发明专利80余项，增材制造产业化方面我们组织了投资4个亿的产业化合作基地，和我们杭州的几个企业，这个是论文，这个是我们的产业化基地，产业化基地我们也开发了成功的金属三维打印设备，开发了不锈钢、钛合金等等金属的三维打印，以及它的激光工艺，这个有一些客户，包括我们航天科技，在福建导弹喷气发动机，耐热高温打印材料做了一些贡献。

这个是我们的项目的检测报告，我们还用三维打印技术、四维打印技术和机器人技术融合起来，机器人我们开发了应急管理机器人，应急管理机器人是我博士生为主开发的，我们专利授权给他，他成立了一个杭州科技智能有限公司，这个公司也是我们工信部单项冠军，2021年成功在上海证交所上市，我们还开发了一个用三维打印的机器人这个机器人既可以教也可以用，作为中国向“一带一路”国家重点推广的新产品，我们开发一个机器人教会人用机器人，教会机器人如何运动，怎么动作，因为它要适合定制的场合，所以用三维打印技术比较合适。

现在这个公司也在运作上市当中，是我的一个硕士生开发的，专利技术都是我们的，那么这个公司第一年他注册在杭州人工智能小镇，第一年他生产的教用一体，既可以用于教学，又可以用于生产那么企业比较欢迎，那么你买去就会用了，他的优点在这里。即买即用，第一年就生产了一百台，第二年就生产了三百台，第三年生产了五百台，当他生产五百台的时候，他的面积就不够了，场地就不够了，杭州主动提出，我们给你做厂房，我们给你造研发大楼，今年10月份就在北京亦庄举行了世界机器人大会，我们这个公司也包了一个展，展示了这个公司最新研发的三款人形机器人非常震撼，人形机器人可以按照客户的需求提供参观者不同的饮料，可口可乐或者雪碧，可以选择。

那么这个展厅我们还在超大型低能耗装备，高端数控机床等等应用数字化网络化智能化技术，成功帮助一批数字企业实现数字化转型，我们也欢迎我们广东的企业，我们三维打印的同行我们增材制造的各个领域专家有机会到杭州、到浙江大学进行技术交流、项目合作，我的报告到此结束，谢谢大家！