周功耀：浅谈高端3D打印到新颖的4D打印——美国3D打印现状及发展

3D打印的起源在美国，最新技术的产生美国在这方面应该是走在世界的前面，所以首先邀请来自于美国机械工程学会院士周功耀老师，从他个人的理解，从高精度、大尺寸，以及微观的角度，给大家介绍分享他在工艺方面的一些体会。

周功耀：大家早上好，像刚才杨伟东教授说的，在父亲节和端午节还能参加这种学术讨论和3D打印的追求，你们必定是先驱者和成功者，为你们高兴。

首先要感谢大会，特别是罗军秘书长，也是罗总，邀请我来参加这个会议。说起来和罗总的关系，我们一共五届，我没有落下一届，每一届都来参加。一个是我是在3D打印行业参加比较早，是在美国，整个3D打印是80年代起步的，他大概是88年第一台机子在美国售出来，我是90年代就开始涉及这个领域，到现在将近30年了，可以说在3D印领域我还是比较活跃，特别是我也亲眼看到了中国特别是在大家的努力下，同样在罗军秘书长和3D打印联盟努力下，一步一步在扎实往前走，而且走得越来越好。

总的来说，问题当然还有很多，但是前景是辽阔的，也是美妙的，希望我们今天共同努力。

我今天抛砖引玉，讲一些和前面可能不太一样的3D打印，让大家对3D打印有一个更大的、更全面的看法，再一个是启发一下大家，3D打印我们不但要跟着走，而且还要跑着走，甚至还要超前地走。怎么能做到这个?我们要沉下心来，做一些核心技术、前沿技术的研究。这些东西可能暂时看不到什么经济效益，但是五年、十年一定会有更大的突破，这是我的希望。

我今天谈一下，题目就叫高端3D打印，低端3D打印我们已经做得很好了，而且做得很多了，特别是FDM的桌面机，中国现在产量最多，在全世界使用者也最广的，也许我们人多力量大，一旦做起来铺天盖地，这是我们的优势。但是在创新技术上、前沿上、高端上我们还有一定的距离，今天抛砖引玉讲一些我们在美国在做哪些方面的研究，看看有没有合适的地方，我们适当学习一下。还谈到4D打印，当我们3D打印还没有掌握好，还没有普及的时候，我就做一个研发，做一个带头兵，来学一学。

什么是高端3D打印?这个没有定义，目前3D打印问题很多，速度很慢，过去我们这个叫快速成型，但实际上你去看的话，它是很慢的，几个小时甚至几天才能打印出来一个比较复杂的产品，而且速度慢的同时表面也很粗糙，FDM还有一层一层的概念，这个层本身就增加了它的粗糙度。同时精度也不够高，普通3D打印实际是2D打印一个一个叠加起来的，这样做的话黏合起来每一层比较慢，精度也不高，时间也更长，这个是需要我们解决的。所以我定义高端3D打印就是高精度，现在3D打印很多东西工业不能应用，精密机械也不能应用;再一个是高速度，现在的速度太慢了;还有一个大尺寸，真正在各行各业都被用上的话，3D打印的尺寸也是太小。

第一个是微米尺寸的增材制造。美国大概在5年以前就已经发明了，这个机子的主要原理是用快速的曝光，像照片一样一透光以后，下面一层全部凝结，然后再做另外一层，这个可以达到很高的精度，可以达到微米级的精度。大家看，这是大概10个毫米、5个毫米的垫，它可以做得这么精细，这些东西已经做出来了，而且已经在发展，在美国5年以前就开始做。这是一个很小的螺纹，整个达到了微米级。微米制造现在有细胞打印，细胞大小不等，10微米、20微米、50微米都有，现在微米打印细胞在中国也有，在美国已经广泛应用，可以应用于人体的器官。

下面讲一下纳米制造。纳米制造大家觉得很新奇，但是纳米3D打印也已经到了这种程度，用纳米的方法，利用光学原理，可以看到这个设备复杂一些，这个已经有很多人在做，而且已经有一些应用。比如打印了一个法国艾菲尔铁塔，整个塔大概有10—20厘米，放大10微米也可以看到它的细节达到了纳米级。这种光学方法已经在应用，而且可以达到。所以说3D打印不单可以打印比较日常的用品，包括机械、零件，它还可以打印有更高精度需要的应用，不管在科学上、医疗上、精密仪器设备上都可以应用。惠普的3D打印现在是所有市面上能够买到的3D打印机速度最快的，比普通的要快10倍。这是在德国Voxeljet公司提出比现行的粉末烧结的方法快100倍，还没有上市，但是他们保证今年年底或者明年年底上市，这个机器颠覆性地提出了高速烧结，很快就可以面世，解决了高速度的问题。用这种方法打印的鞋子和机械零件是高速，而且高温快速烧结，和材料结合在一起，才能达到这个速度。

大概介绍一下它的原理。实际上它也是粉末，一喷马上有大的热量过来，热量就会使这个地方烧结住，烧结住以后就形成了整个产品。这种方法已经在用，这也是我们需要学习的。

今年我去参观Carbon的展览，他们现在已经着重于材料，所有你所需要的不同强度、硬度的材料都可以给你造成出来，因为它的发明者就是化学教授，研究化学材料的，所以可以像变戏法做出各种材料。阿迪达斯现在已经与他们合作在打印这种鞋子，一个鞋垫或者一个鞋子十几分钟就完成了。公司的销售人员跟我说，他们现在已经加工出来了鞋子，大家都穿上了，去年年底的时候这种鞋子就要上市，当然现在已经上市了，我估计比较贵，大概相当于二三百美元，即两三千人民币左右。现在已经不成问题了，今年发布有几十万双的3D打印鞋子要上市，它的技术是充分利用高速度、高精度。

再一个是大尺寸金属打印，随随便便就打印出来这么一口锅，人都可以放进去，就是用普通的3D打印技术，当然有一些特殊的方法，可以打印得很大，人站在这儿，锅比人还要大，所有这些都是金属3D打印机打的，在美国工业化应用已经不成问题了。

再一个是大尺寸塑料打印，中国可能也在做，但是世界上做得已经超脱人的想象，它的导轨可以无限制延长，这样的话打印的尺寸就大得多了。这个机子在展会上随手就可以打来，而且机子比较简单，也便宜。

我现在介绍一个我刚刚完成的电液动力学3D打印，这种3D打印还在研发中，但是我已经造出来了这种机器。机器的特点是什么呢?第一个是它的精度很高，可以达到小于10个微米。大家都知道，我们现在一般的3D打印机精度能够达到100微米就不错了，但是特殊的机子、专业的机子也可能达到50个微米，但是商业的机子很少有这种精度，但是我这个机子可以达到小于10微米。第二个特点，有一个特殊的原理，就是说你打印头的内径和最后打印的线条或者尺寸相比是大的口径比，可以达到10到20倍。有什么好处?喷头的直径不用做得太小也可以达到微米级。这在过去是一个大的技术问题，孔径小就打不出来东西，但是我们这个问题就解决了。同时它可以容忍很大黏度的材料。一般科研上使用的液体喷头打印的材料黏度有一两百就相当不错了，但我这个可以达到万甚至十万级，很多很稠的东西我这里就可以打印出来。为什么?一个是它的内径比和打印出来的比在这儿，有10到20倍，再一个是我使用的方法，我这是3×10的6次方cp，这就很高了，几万、几十万，一般的打印头几百、几千就相当不错了。它的另一个特点，它利用的原理是电场的原理，打印的时候不像过去一样在后头加很大的气压、液压或者机械力量来旋转，让管子里头的东西出来，我们这个不需要，为什么?因为我们是电场，电场是在外面，它就像抽真空一样往外抽，液体很顺地就下来，没有任何的摩擦，所以达到这么高的精度，而且不用常用的机械力，这样就便宜，很好做，是我们已经发明出来，也正在做的。这是具体的机器框图，有高速摄像机、高压电场发生器、多喷头、控制元件都在上头。这是我打印的三维结构，因为我这个可以达到很细微，在精密机械上将来会有很大的用途，在牙科上也有很大的用途。

这里有几个图，第一个是23毫米，很小的一点，放大以后可以看到达到了20层，成精度可以达到十几个微米。这边打印了一个框格形的支架，打印了一个环，精度都小于20微米。刚才说不是小于10微米吗?因为我的钱不够，所以做的质量不是很高，如果质量高的话，所有需要的高精度设备可以打印得更高。你看，30层、20层、10层打环形我们都可以做到。刚开始做得比较简单，我们资金比较缺，在美国一个精益的工作台几万美元或者十几万美元，我用的是我自己做的，才几千美元，所以精度现在还没有达到最好，画图的曲线已经可以达到18微米。

这是我们现场打印的一个视频，昨天李琳院士的很多东西都放不出来，所以我昨天晚上又加工了一下，可以给你们放一些视频。这个就这么看起来好象打印不出来东西，因为它的线条太细，可以看到它在按照我的设计在打印东西，也可以看到这个设备比较简陋，工作台是我们自己做的，软件也是自己的，所以它的精度不是太高。

下面介绍一下4D打印。4D打印现在在国外还比较火，由于它新，倒不是有很大的应用了，正在探讨它的应用，但是比较火。火在哪里?大家回去以后可以给你的家人、你的孩子说，你们刚刚知道3D打印?我这里已经4D打印了，超出你们一大截了。

4D打印是一个什么东西?4D打印主要是在3D打印的基础上，多加了一个元素或者多加了一个维度。这个维度不是尺寸、形状的维度，而是时间和形状的维度，这个叫时间和形状我加到了3D打印的产品中。这是过去3D打印打印出来的一条棒，当我增加到一定能量的时候，这个能量可以是热量，可以是水，也可以是光，也可以是磁，也可以是电场，只要能够给它加能量，它的形状就会发生变化，形状一旦发生变化，这就有很大的用处了，不再只能以固态形式存在，能够在设定的情况下出发，在一定时间能自动完成形状的改变，形成的过程无需人的参与。

主要是在2013年提出来，现在才2018年，主要是在麻省理工有一个人叫斯凯勒·蒂比茨，他提出来增加时间的维度，不需要建模，也不需要扫描，只需要增加打印，过了一定时间增加能量以后就完全变了，也不需要自我组装，也不需要优化设计，它就可以出来，它会发生很大变化，整个概念是3D打印机还必须有，3D打印机打印的是很简单、很朴素的一个东西，随着时间的推移，我把能量加上以后它就变成了一个盒子，这是它的概念。

这是一个演示，打印的时候就打印机械式的薄片，到使用的时候，把这个热水加上去了以后，它得到了能量以后就变了，变成了一个老人、小孩坐的摇摆椅。这位女士打印的时候只打印了很简单的一个环形，把光和热量加上以后，就变成了摇摆椅。这种方法是你打印好了以后，一旦把能量加上去以后就变了。

这是在服饰上的应用。你要打一个很好的连衣裙或者婚纱、晚礼服，这是很难打印的，按照常规状态是把人的形状找着，然后设计好了以后，用软件、算法把它弄得很漂亮，但是这种东西不能放到机子上打印，一个是尺寸大，再一个是结构太复杂，不好弄。怎么办?把它的设计做好了以后，这是一个设计得很好看的你们晚礼服，你设计好了以后，很复杂，又大，我就想一个办法，用一个数学算法把它折叠了以后变得很小，很小我就可以在3D打印机子上打印，打印好了以后它也这么小，我把它寄到广东或者寄到美国或者上海，只需要提供当时激发所储存的能量，能量一旦激发出来以后就又变成这种形状，没有任何损失，又大又漂亮，所以这种应用也是很广的。航天的应用也是一样，送上去的时候是很简单的模型，使用的时候把它激发，不是用电机或者控制，它是自控制，只要有了适当的温度和环境就可以做出来。打印的时候只是一条很简单的线，但是当我想用它的时候，这里头是MIT，字就出来了，但是你必须放到所合适的能量的地方。这个我设计是一个可以弯曲的东西，怎么动?只要光一照它，它就动了，而且你照到什么地方它动到什么地方，一种光照的时候它就弯下来，还有一种光照它就又恢复了，所以是用光来控制它。现在我打印是最简单的一条线，但是可以打很复杂的，只要光上去它就可以变，这是我们4D打印的方法。左边绿光、蓝光照在它的手上的时候，它的手就合住了。右边是你的光照在杆上头，手不合，整个臂弯曲，你不照又恢复了，这都属于4D打印的材料，4D打印主要是在材料，材料是基于你原来的形状。

我们发明了一种新的材料，这个材料有多功能性，使用双光源，当你照它的时候，底下的薄片就变形了，拱起来了。还有一个光源照其他地方的时候，它也拱起来了，这样下来它就以形成控制，任何地方只要我需要，因为我这个材料已经固定了，它的能量是光能，给它以后马上可以行动，变成你所需要的，这个形状都是原来设计好的，变成你所需要的形状，这是4D打印的特点。不同的光上去以后有各种各样的显示。这个像弹簧一样，平常的状态下是一个形状，把光加上去以后又变了形。我们由于设备的关系和资金的关系都是很微小的。

总的来说，4D打印是一个崭新的领域，总共从发明到现在还不到5年，也是最先进的，在美国现在如火如荼在做，经常叫我去给他们开会、审稿。我们这儿如果有资金、有精力，也可以跟上，这样的话就不一定拉得太后，或者光跟着后头学。

下面也是我在做的一些东西，也是在探讨用3D打印。还没有实现，正在做，做到人体的应用里面。昨天北医三院刘忠军主任讲了很多，实际在人体各种各样的植入器械有大大小小、成百上千可以做的地方，这些地方我们都可以通过3D打印个性化地做出来。这里面牵涉到材料的问题、速度的问题、精度的问题和生物相融性的问题，这些都要研究。还有一个最高境界就是血管支架，我也在做。这么高精密，大概是2个毫米到3个毫米的直径，壁厚100微米，上面雕刻了几十个上百个各种各样的形状，应该说精密度够的话也可以3D打印，但主要还是材料问题，材料能不能起到作用，这是我们都要探讨的。

3D打印的前途是无量的，从我们刚开始直到它只能做很简单的模型，到现在可以说各个领域都在使用，过去以为是工业品，但现在衣食住行都有，衣服、鞋子都打印得很多了，各种各样的衣服层出不穷。现在打印的食品也越来越多，在美国的肉、素材、巧克力、甜品、蛋糕都可以3D打印。在住方面，国家也有几个做3D打印建筑的。在行方面，比如汽车、无人飞机，整个无人飞机一次性整个结构就可以打出来，汽车的框架也可以在机子上一次打出来。所以说衣食住行各个都可以。只有当3D打印能够应用在各个领域，包括工业领域、科学领域、艺术领域、文化领域、教育领域、衣食住行领域、医学领域、考古领域等各个方面供所有人使用，它的价值才能够真正体现出来。我们现在体现得还不够，要万民创新，大家一起想办法，把它的价值体现出来。以后的家庭只要有几个3D打印机，你的衣食住行全没有问题了。以后的工厂干净、卫生得多了，不需要钻、镀、焊，不需要大机床，那么多人操作，就需要一些3D打印机就可以完成。但是不是现在，这个是在以后、是未来，现在还没有做到，但是正在做，现在美国最大的机械制造公司GE和汽车制造厂福特都正在把他们的生产用3D打印来转换，整个把3D打印的工厂买回来了，你就给我做3D打印，3D打印我的飞机叶片、发动机、轴、转子等，关键零件都可以3D打印。所以应用是无穷的，就看你敢不敢做、敢不敢想。

好，谢谢大家!