作为国家级行业协会负责人，中国砂石协会会长胡幼奕并不满足于对当前行业各方面的管理和协调，更多的时间是在思考行业未来。为此，他利用各种机会，了解学习国内外、行业内外各方面前沿、高精尖信息，时时琢磨如何让这些信息与行业发展完美融合，用超前科技理念引领着产业发展。在近日召开的第七届全国砂石骨料行业科技大会上，胡幼奕关于4D打印技术与传统建筑建材产业融合发展的图文并茂的震撼分享，再次博得了现场听众的热烈喝彩，不仅千人大厅座无虚席，甚至连大厅两旁和后端的廊道都挤满了认真的聆听者。
超前科技理念引领产业发展
说起胡幼奕，就不得不提他的砂石骨料4.0 发展模式。在其倡导的4.0 模式中，不仅包含了各种建材创新技术与产品，而且涵盖了风、水、光、地热等新能源技术应用，更有林、酒、茶、果等农产品，以及历史文化、医疗教育、休闲旅游等，是真正的一二三产业的融合与创新。在这个模式中，通过构建“山水林田湖草”生命共同体，实现石矿的绿色开采和加工与建筑固废、尾矿、废石资源化综合利用，确保石矿、固废填埋场、废弃矿山生态环境的最佳修复，真正做到物尽其用、永续发展。目前，这个发展模式已在多个企业试点，并初具雏形。在国家和整个行业与协会的共同努力与推动下，8月26日，自然资源部、财政部、生态环境部联合发出《关于印发<山水林田湖草生态保护修复工程指南（试行）>的通知》，在全国范围内推广这种模式。
树立超前科技理念，引领产业发展。这是胡幼奕数十年的行业工作信条。几年前胡幼奕在砂石行业创新大会上就讲过，3D打印在破碎机耐磨件的铸造方面大有前途。一家企业从2018年购置3D打印机调试应用，2019年3D工艺产业化应用已全面铺开。现有4台3D打印机，打印车间面积1000平方米，已形成300吨/月大型铸造件磨型的生产能力。在第七届全国砂石骨料行业科技大会上，胡幼奕又提出了当今最为前沿的4D打印，这应该是未来他的4.0 模式中应用最为广泛的科技。“4D打印是指利用‘可编程物质’和3D打印技术，制造出在预定的刺激下，如放入水中，或者加热、加压、通电、光照等，可自我变换物理属性，包括形态、密度、颜色、弹性、导电性、光学特性、电磁特性等的三维物体。其中，‘可编程物质’是指能够以编程方式改变外形、密度、导电性、颜色、光学特性、电磁特性等属性的物质。4D打印的第四维是指物体在制造出来以后，其形状或性能可以自我变换。”胡幼奕在阐述4D打印概念的同时，用动漫给大家展示4D打印为我们生活可能带来的改变。
胡幼奕表示，4D打印制造的物体至少有两种形式。一种是物体的各部分连接在一起，可自我变换成另一种形态或性能；另一种是该物体由可分离的三维像素组成。其中，三维像素是一种基于体积的像素，与平面像素类似，它是“可编程物质”的基本单元，不同的“可编程物质”具有不同的三维像素。三维像素可聚集形成更大的可编程部件，该部件也可分解成三维像素。
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4D必备的四大构成要素
“由4D打印的概念，我们可以看出其主要构成要素可以分为四个部分：智能或刺激反馈材料、4D打印设备、外部刺激因子、智能化设计过程。”接下来，胡幼奕详细介绍了4D打印四个构成要素的主要内容及包含的概念。
智能或刺激反馈材料。4D打印产物能够根据应用场景的特定需求、刺激因子特定作用条件的自发变化，展现出“智能”特性。这种“智能材料”是以产物实际应用所表现出的自发行为作参考的。“刺激反馈”是构成4D打印体材料的基本属性之一，侧重于材料能够接受预设刺激，并产生一定反馈结果的能力。前者从4D打印产物效能的角度对材料进行命名，而后者侧重于材料本身所具有的属性。
4D打印设备。通常情况下，4D打印结构是通过打印设备将不同材料合理分布并一次成型的结构体。不同的材料属性，例如，溶胀比、热膨胀系数，可以使结构按特定方式变化成为可能。近些年研发的聚合物喷射3D打印技术，在处理复合材料打印方面取得了较大进展，选择性激光熔化技术则实现使用具有高能量密度的激光，熔化金属粉末层以创造均匀的3D金属结构，而不需要任何粘合剂和额外的支持。这些技术进步都推动了4D打印的发展。
刺激因子。刺激因子是用来改变4D打印结构体形状、属性和功能变化的触发器。研究者在4D打印领域中已运用的刺激因子包括：水、温度、紫外线、光与热的组合，以及水与热的组合。刺激因子的选择取决于特定的应用领域，这同样也决定了4D打印结构体中“智能材料”的选择。
智能化设计过程。尽管“智能材料”自身在打印对象形态变化中扮演着至关重要的角色，但是，基于对交互机制、可预测行为和需求参数充分考虑的复杂的设计过程，也能够保证达到可控结果的环节之一。4D打印具备在一定空间合理分布不同材料，以创造复杂的3D形态的能力。通过设计“智能材料”分布的方向、位置，可以使结构体受刺激因子的刺激后，产生形态上的变化。
模块化标准化是未来方向
相较于3D打印，在4D打印的过程中，物体的形态会是一个怎样的变化呢？胡幼奕介绍说，由于4D打印结构体具有基于时间变化的特性，设计和制作流程中存在一个或多个中间形态。
在数字化设计过程中，传统的3D打印技术，可以通过专业扫描仪或者DIY扫描设备获取对象的3D数据，也可以使用3D制作软件从零开始建立三维数字化模型。不同于3D打印先建模、后生产的制造流程，4D打印由于其能够变化的特性，在数字化建模之初，就将材料的触发介质、时间等变形因素，以及其他相关数字化参数预先植入打印材料中。
中间件成型过程，就是从3D打印设备开始工作到结构体离开工作台的过程。此过程需要全新的3D打印设施的工作。4D打印过程中需要适当数学模型的支持，该过程存在的数学问题包括：如何预测结构体基于时间的形态变化过程，包括变化后的形态；如何提供避免自组装行为过程中组件发生碰撞的理论模型；如何减少自组装过程中的试错性行为。这些需要考虑的数学问题，必须通过智能化的计算芯片加以判断、解决。
“值得注意的是，未来人工智能芯片可植入到3D打印设备之中，即3D打印设备也将具有‘智慧性’。通过对数字化设计完成之后，传输到打印设备上进行数据分析，可以对材料进行合理安排，以保证最后的打印效果。可以预测，未来4D打印设备会朝标准化、模块化的方向发展。不同模块的可替换性，能够基本保证针对不同材料、不同平台的支持。”结合当前正在各领域应用的3D打印，胡幼奕对未来4D打印发展方向作出预测。
4D将带来即想即有的生活
那么，这种“智慧性”的4D打印主要优势体现在哪些方面？与我们传统的建筑建材产业之间该如何融合发展？二者之间的结合点又在哪里呢？
“4D打印的主要优势显而易见。一是实物可从一种形态转换成另一种形态，为产品设计提供了最大限度的自由度。二是可在打印部件中嵌入驱动、逻辑及感知等能力，且无需额外的时间和成本。三是可在同一批次产品中定制生产，并生产个性化产品。四是可先打印极其简单的结构，然后通过外部刺激转变成具有复杂功能的结构和系统。五是一旦制造出4D打印材料并嵌入动态功能，生产成品的功能将超过预期。六是可从根本上消除供应链和组装线；利用设计和编程实现物质世界的数字化，且数字文件可发送到世界任何地点，并收集合适的三维像素，制造所需产品。七是三维像素的设计和制造将成为新兴行业，并产生深远影响。八是将激发科学家和工程师想象各种多功能动态物体，之后进行物质编程，并利用4D打印实现，‘物质程序化’这一新领域可能将兴起。”提到4D打印的具体优势，胡幼奕如数家珍。
关于4D打印与传统建筑建材产业的融合发展，胡幼奕以两个案例说明4D打印在建筑建材领域的应用具有无限可能性。一是以地下排水系统为例，利用4D打印技术开发出 “自适应”水管，可以根据水管外壁受力的不同自行改变其管道直径、材料刚性。比如，遭遇洪水、地震等自然灾害时，“自适应”水管能够扩大直径或者使材料变为柔性，以保证供水正常。二是利用4D打印建构的房屋物理空间将被赋予可变性，根据光照变化等刺激因子的作用，房屋内部结构可以随用户需求而变化。例如会客时，卧室变为闲置空间。4D打印的房屋材料能通过一系列变化，将闲置卧室空间分配给会客所需的公共空间。
胡幼奕总结认为，在产品设计方面，4D打印将不再需要通过“订制”这一套程序来实现个性化产品制作，而是完全能即时地表达自己的想法并制作出来，且能随时更新自己的创意，从而用个性化元素构建自己的个性化生活，使得私人订制转向私人工厂，加快产品创新速度。在互联网 时代背景下，数字文件可在保证质量不受影响的情况下无限复制，而4D打印可以将这种数字精度扩展到实体领域，从而保证实体产品精确地批量生产，降低不良率，提高生产效率。这点，对于建材产品未来人性化的推陈出新尤为重要。
“4D打印技术在建筑建材领域的应用，我这里也仅是抛砖引玉，希望业内人士在这方面有着更多的创新想象，让4D打印为未来的我们创造出更为舒适健康的居家工作出行环境。其实，不仅仅是在建筑建材领域，4D打印在医疗及设备、军事工业、交通设施及工具、航空航天和科研教育等领域，都可以大展身手，让我们未来生活变得更为便捷、高效、舒适。”胡幼奕对4D打印将为我们的生活带来的改变充满期待。
中国建材报记者：蒙华
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