4D打印技术融入智能制造人才培养的途径探究

孙春华

（苏州市职业大学 机电工程学院，江苏 苏州 215104）

正当人们惊叹于3D打印技术所取得的巨大成就及其带来的巨大变化时，4D打印技术也渐行渐近。作为第四次工业革命的关键技术之一，4D打印技术与3D打印技术采用相同的增材制造原理，是3D打印技术的延续和升华，其打印产品会在设定时间和条件下自动变化形态[1]。这种“自组织”功能和动态演变能力，体现出4D打印最本质的智能特性。虽然4D打印技术出现的时间较短，但是在产品设计、食品、建筑、生物医疗、军事、交通工具、航空航天等领域展示了广阔的应用前景[2]。

将4D打印所体现出的强大造型能力和简单制造过程，以及打印件自组织和自组装的特性应用在教育领域，将有助于培养三位一体的复合型人才。相对于4D打印成形材料和成型工艺方面的研究，在教育领域的应用鲜有文献讨论。文献[3]、文献[4]、文献[5]展示了“4D打印技术在人工智能+教育、特殊教育、情境教学”方面的应用前景。《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)》中提出“充分利用优质资源和先进技术，创新运行机制和管理模式，实现技术对教育的革命性影响。”[6]据此本研究将立足于4D打印智能构件的本质，在讨论4D打印概念和内涵的基础上，探究4D打印技术的智能特性，以及将4D打印技术融入智能制造人才培养的途径。

1 4D打印技术概念的提出

2011年，Oxman提出“利用材料的变形特性和不同材料的属性，通过逐层铺粉成型具有连续梯度的功能组件”，这是4D打印思想的雏形。2013年，在“TED2021”年会上，Skylark Tibbits[7]演示了将“特殊墨水智能材料”的打印件放入水中时自动折叠成“MIT”字样立体结构的变化过程（见图1），并首次提出4D打印技术的概念，认为4D打印采用的是具有可编程的材料，打印的结构体不再是静态，而是动态的能独立转换的智能结构。4D打印技术的研究热潮自此开启。2014年，Pei等[8]指出：4D打印是使用特定的增材制造技术以及具有刺激反馈的智能材料来建造物体的过程；所建造的物体在受到外部刺激或者人为干预后，在时间维度下可产生物理或者化学变化。

图1 4D打印实现字母“MIT”的变化过程

由此可见，最初的4D打印概念注重的是物体形状的变化，认为4D打印件是在3D打印技术中应用了可编程的智能材料。

随着研究的深入，关于4D打印的概念及内涵在不断完善。2016年，史玉升等[9]认为4D打印构件的形状、性能和功能能够在外界预定的刺激下，随时间发生变化；明确了4D打印是智能构建的增材制造，4D打印件可变形、变性和变功能。2017年，Momeni等[10]提出4D打印技术是3D打印技术的优化升级，4D打印件随时间的变化包括打印物形状、属性和功能三个方面，是基于时间的、独立于打印设备的以及可预测的，具备自组装、多功能和自我修复能力。

因此，从目前的技术发展来看，4D打印是采用具有“智能”和“刺激反馈”的“可编程”材料，利用专用的3D打印机制造出在预定的刺激下（如水、热、压力、通电、光照等）可自我变换物理属性（包括形态、颜色、弹性、导电性、光学特性、电磁特性等）的三维物体的技术。

2 4D打印技术的智能特性

4D打印技术是3D打印技术的沿袭与升华。虽然这两个技术都是采用层层叠加的增材制造原理进行打印件的制造，但4D打印的本质为智能构件的增材制造，在数字化建模之初所要考虑的因素比3D打印要复杂很多，主要包括：①材料特性，包括单材料特性或多种材料的混合特性；②设计图素，即不同分辨率上的结构设计和材料分布；③应用环境，以保证在打印件受到环境刺激后可以获得所设定的结构和性能。也就是说，4D打印在建模过程中就可以将材料的触发介质、触发时间等变形因素，以及其他相关参数预先植入打印材料中，因此，4D打印技术涵盖了数字化设计及中间件成型过程。

4D打印“可编程”智能材料的应用，是4D打印区别于3D打印技术的关键。通过使用智能材料，可打印出物理结构按照预设方式，在时间维度下发生变化的物体，从而使4D打印件具有更强大的灵活性和可变形性。如4D打印的软体机器人，其形状及功能都能实现可控变化。采用形状记忆光敏树脂光固化成形的4D打印软体机器人抓取螺钉的过程如图2所示。使用时将材料加热达到玻璃化温度以上，这时具有形状记忆效应的高分子机器爪由于弹性势能的释放就从临时形状回复至初始形状，从而实现一个抓取的动作。

图2 4D打印软体机器人抓取螺钉的过程

除了智能材料在4D打印件形变中扮演至关重要的角色，CAD、CAE技术，对预测行为进行仿真，也是保证可控结果的重要环节。如利用仿真设计，通过改变智能材料分布的方向和位置，可使结构体受刺激后，产生形态上的不同变化。由可延展与不可延展材料混合而成的复合材料，通过复杂的算法和仿真，设计出局部不同图素的两条线状打印物，在遇水后，可向指定方向形变，呈现出不同的结构，如图3所示。

图3 不同图素线状打印物呈现出不同结构

4D打印的智能特性，除了体现在设计阶段，也体现于4D打印件的动态呈现方式。众所周知，3D打印件是固态静止的，所呈现出的结构是唯一的；而4D打印件却存在一个或多个中间形态，是一个变化的过程。如可打印出自我重塑或自我组装的物品，或自我收缩或扩展的物品。利用4D打印实现自组装的项链和几种变化食品如图4、图5所示。

图4 4D打印项链的自组装过程

图5 4D打印的几种可变化食品

4D打印技术固有的创造有智慧、可适应新事物的能力，使得4D打印能够适应智能时代“个性化需求”的制造模式，可有效助力“大众创业、万众创新”。4D打印所要求的智能设计过程以及打印件所呈现出的智能变化特性，可有效地融入智能制造人才的培养中。

3 4D打印融入智能制造人才培养的途径

利用先进技术提升教育质量已得到社会共识。所用先进技术应是：有温度、有内涵、有个性、有情感、有思维、有活力、有创造性的交互伙伴，而不是冷冰冰的、辅助性的、无内涵的机器和设备[11]。4D打印作为一种增材制造先进技术，能够将设计的“智慧”模型从虚拟空间延伸至物理空间，为智能制造人才的培养提供了一个较好的切入点。将4D打印技术融入智能制造人才培养，可实现的具体途径如下：

1）4D打印与创新教育融合。4D打印技术的产生本就是创新教育最好的范例，这种基于层层叠加的增材加工方式，完全不同于机械加工类的减材制造和铸锻类的等材制造，颠覆了人们对传统制造方式的认知。该技术弱化了传统加工复杂模型制造困难和后期再加工的问题，通过简单便捷的操作，就可以加工出智能构件。因此，设计者可以自由地发挥想象力，专注于形态创意和功能创新来拓展产品。4D打印技术将智能设计、智能装备、智能制造与课堂教学结合起来，为创客培养和 STEAM 课程提供了支撑。

2）4D打印与数字设计融合。数字设计是智能制造教育的核心专业技能。4D打印件的设计过程不仅要对总体结构进行三维设计，更要考虑智能材料的特性，在局部的三维图素上进行智能材料分布方向和位置的确定。在该过程中不仅要使用三维造型设计软件，还要用到结构分析优化软件。学生利用4D打印技术，可将设计的三维模型的实体结构和变化性能在较短时间内呈现出来。这必将极大地激发学生的设计兴趣，提升学生数字设计能力。

3）4D打印与编程教学融合。编程可加强学习者的逻辑思维能力，适应快速更新的技术生态。因为4D打印采用的是“可编程”材料，学习者在理解其中的逻辑关系、编程设计模型后，就可成功打印出具有自组织、自装配能力的智能物体，不仅“可视”且“可交互”。这能够加深对编程知识的理解，提高编程学习的积极性，使编程教学兴趣盎然。

4）4D打印与材料教学融合。材料工程素养是对智能制造人才的最基本要求。然而传统材料工程方面的教学难免枯燥无味，学生一般要靠死记硬背来记住材料性能。而4D打印所建立的智能构件，带有材料—结构—功能—刺激信号多方面的信息，在设计阶段，可对该三维模型4D打印过程及其服役过程的变形、变性和变功能行为进行模拟仿真，初步了解材料特性。在制造时，采用4D打印可以轻松地将材料特性通过4D打印件结构形态的演变呈现出来，化抽象为具体，使材料工程的教学变得生动有趣。

5）4D打印与任务实施融合。4D打印从设计到制造用的都是数字模型，因此方便了基于网络的数字设计与制造任务的实施。学习者通过线上协同学习平台，获得参与项目的机会，明确任务目标。基于交互机制设计出4D打印三维模型后，学习者可通过网络平台将模型传输到特定位置完成打印及自组装。这种项目协同式的学习过程，不仅能培养学习者的协同学习能力，还利于促进多元化社会文化交流，提高学习者的社会适应能力。

6）4D打印与智能教具融合。4D打印制作出的物体具有“四维”动态性，可随时间在受到某种预定刺激后产生形态变化。因此，利用4D打印技术开发的智能教具，能够将“变化”与课堂教学内容相结合，让学习者“做中学”，与教具间进行更好地交互，使静态场景“活起来”，情景主体实体化，展现出比静态教具更为真实的情境，创造更生动的交流空间。这样可以调动学习的积极性与主动性，增进学习者的学习兴趣，提升课堂教学效果。

4D 打印技术融入智能制造人才培养的具体途径见表1。

表1 4D 打印技术融入智能制造人才培养的具体途径

4 结语

目前，我国的制造业正处于“智改数转”的关键期，对智能制造人才的需求量很大，缺口也很大。为满足社会对智能制造人才的需求，提出将4D打印新技术融入智能制造人才的培养。4D打印技术的出现，使制造不再是创造过程的终结，而是一个起点；打印出来的实物具有了智慧的属性，可以演变。4D打印件的可变形、可变性和变功能性，为智能制造教育带来了全新的教学模式，其广阔的应用空间和发展前景将对科技发展以及教育变革产生重大的影响。