盧秉恒院士：3D打印與創(chuàng)新設(shè)計(jì)

[西安設(shè)計(jì)大講堂秉承“與設(shè)計(jì)對(duì)話,、謀共同發(fā)展”的宗旨,，堅(jiān)持高端,、深度,、前瞻,、互補(bǔ)的特色,，充分挖掘,、融合科技優(yōu)勢(shì)、文化優(yōu)勢(shì),、人才優(yōu)勢(shì),。以創(chuàng)新設(shè)計(jì)、智能制造為抓手,，傳播文化理念,，提升絲路沿線地區(qū)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)水平，推動(dòng)國(guó)際交流與合作,，為絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶的建設(shè)作出卓越貢獻(xiàn),。3月30日，西安設(shè)計(jì)聯(lián)合會(huì)邀請(qǐng)絲綢之路創(chuàng)新設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟理事長(zhǎng)盧秉恒院士,，作了題為“3D打印與創(chuàng)新設(shè)計(jì)”的報(bào)告,，全文如下。

絲綢之路創(chuàng)新設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟理事長(zhǎng)盧秉恒院士

（廣東省增材制造協(xié)會(huì)名譽(yù)會(huì)長(zhǎng)）

3D打印是增材制造的主流制造技術(shù),。從制造技術(shù)的分類(lèi)來(lái)說(shuō),，有增材制造、減材制造和等材制造,，3D打印屬于增材制造,，是一種把材料累加起來(lái)的制造方式。這項(xiàng)技術(shù)的出現(xiàn)為制造技術(shù)行業(yè)帶來(lái)一個(gè)全新的局面,。據(jù)麥肯錫的分析報(bào)告,，在2013年認(rèn)為3D打印技術(shù)是影響我們生活和生產(chǎn)組織形態(tài)的頂尖技術(shù)之一，預(yù)計(jì)到2030年將達(dá)到萬(wàn)億美元的規(guī)模,。

3D打印分為幾種不同類(lèi)型：
一,、激光固化法，通過(guò)自外激光的照射變成固體然后累加起來(lái),；
二,、用粉末,、塑料粉末、金屬粉末甚至包括沙子一層一層粘接合成,；
三,、融化輔料絲，然后堆積起來(lái),；
四、使用金屬粉末,，通過(guò)噴射的方式堆積起來(lái),，在數(shù)字的控制下將其變成我們所需要的形狀。

3D打印技術(shù)為傳統(tǒng)制造業(yè)帶來(lái)巨大的變化,，大大簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)制造工序,，將產(chǎn)品零部件數(shù)量簡(jiǎn)化，像汽車(chē)這樣由上萬(wàn)個(gè)零件構(gòu)成的產(chǎn)品能夠簡(jiǎn)化成由幾個(gè)零件組成,。目前飛機(jī),、航天的發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)開(kāi)始著手3D打印制造零件。并且,，3D打印可以使產(chǎn)品輕量化,，賦予裝備獲得更高的效率。

3D打印是一項(xiàng)顛覆性的技術(shù)工藝,。在以往的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)環(huán)節(jié),，單一件的定制是十分復(fù)雜的過(guò)程。而且由于量少,，少有企業(yè)愿意承接制模過(guò)程,，而3D打印正是能滿(mǎn)足這項(xiàng)制造需求。因此,，在航空航天汽車(chē)醫(yī)療及電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)環(huán)節(jié)中,，3D打印都發(fā)揮了十分重要的作用。隨著消費(fèi)水平提高,，大家都希望獲得個(gè)性化的產(chǎn)品,，大規(guī)模的定制或者個(gè)性化定制逐漸成為產(chǎn)品制造里面的主要模式，然而3D打印正是最適合的技術(shù),。對(duì)于非常復(fù)雜的零件,、原來(lái)不敢制造的甚至不敢設(shè)計(jì)的產(chǎn)品都可以制作出成品，為產(chǎn)品和裝備的提供了非常大的創(chuàng)新設(shè)計(jì)空間,。

在科研方面,，制作材料逐漸從一種材料的累加，變成多種材料可復(fù)合型,，這樣可以把零件的表面做成耐磨的,、耐腐蝕的,、高強(qiáng)度的，內(nèi)部可以做成中空,，各個(gè)階段都能使材料發(fā)揮最大的作用性能,。

增材還可以走向創(chuàng)材，即是創(chuàng)造材料,。目前機(jī)械加工所用到冶煉廠提供的材料,，如果使用3D打印技術(shù)可以在粉床上將幾種元素合成一種新的合金。從創(chuàng)材走上創(chuàng)生,，即是生命的創(chuàng)造,。3D打印可以制造降解材料的人體器官，植入人體以后在生化環(huán)境下降解,，降解以后變成自己的細(xì)胞,，通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)可以做出骨頭、心臟,、肝臟,。所以說(shuō)3D打印為科研提供了好的制造工具。

3D打印正處于從3D走向4D,、5D的發(fā)展趨勢(shì),，打印時(shí)使用智能材料，打印完成后改變溫度或者加上磁場(chǎng)等其他作用,，可以改變使最后的成品形態(tài)與打印初始形態(tài)不同,，這是個(gè)十分奇妙的過(guò)程。在一個(gè)密閉空間,，預(yù)留出很小的口,，打印一個(gè)可以放進(jìn)去的材料，隨后改變環(huán)境的溫度改變,，使其變成需要的形狀,。5D打印即是如此，不僅能改變其形狀,，還可以改變其功能,，使其從沒(méi)有生命變成有生命的個(gè)體。

現(xiàn)階段我們正在進(jìn)行細(xì)胞打印的研究,，在一個(gè)虛構(gòu)的空間,，用3D打印的方式將細(xì)胞堆積起來(lái)，放上不同的生化的環(huán)境,，加上干細(xì)胞可以誘導(dǎo)出不同的組織,、肌肉神經(jīng)血管。3D打印,，從原來(lái)快速原型,，到產(chǎn)品開(kāi)發(fā),，到現(xiàn)在的批量制造，給傳統(tǒng)生產(chǎn)模式帶來(lái)了一個(gè)顛覆性的變化,；其材料從最早期的樹(shù)脂到塑料,、金屬材料一直研究到復(fù)合材料或者生物的活性材料。從整個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展上縱觀,，最初大家做3D打印的裝備,，后來(lái)延伸到在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用，最后走向尖端科技,�,？梢詴诚胛磥�(lái)到太空上，用太空的材料在月球上建房屋,，或者用很珍貴的、地球上很少的材料,，做太空飛船的零件,。3D打印正在從高大上的科技線走向企業(yè)，各個(gè)行業(yè)都在促進(jìn)這個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,。

3D打印引領(lǐng)全民創(chuàng)客趨勢(shì),，在未來(lái)我們都可以使用它來(lái)實(shí)現(xiàn)自己的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。我們的創(chuàng)新不再受體制的約束,，僅需一臺(tái)3D打印機(jī)便可以自己在家打印原型和一些功能零件,，可把創(chuàng)新各類(lèi)設(shè)計(jì)并打印出產(chǎn)品模型，便于投資商進(jìn)行項(xiàng)目可行性評(píng)估,，全民創(chuàng)客時(shí)代就這樣到來(lái),。要構(gòu)建全新性社會(huì)，就必須破除傳統(tǒng)體制,，發(fā)揮社會(huì)成員的積極性,。技術(shù)的創(chuàng)新在很多方面都促進(jìn)了社會(huì)的創(chuàng)新。3D打印機(jī)的普遍,，使得全民能夠在家里進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì),，改變工作模式了，促進(jìn)全民參與社會(huì)生產(chǎn),。

3D打印在中國(guó)的發(fā)展非常迅速,，從2016年開(kāi)始，3D打印的專(zhuān)利技術(shù)方面已經(jīng)走向全世界第二,，在2017年發(fā)展到全世界第一,。目前在3D打印行業(yè)，中國(guó)相對(duì)于全球的比重率由25%逐漸走向50%,，2018年設(shè)備裝機(jī)數(shù)量排名從世界第四上升到第三的位置,。中國(guó)在高端醫(yī)療,、航空航天突破性的成果處于國(guó)際領(lǐng)先地位。2000年起,，西安交大與第四軍醫(yī)大學(xué),、交大附二院合作科研并取得優(yōu)異成果。在大家都在對(duì)3D打印產(chǎn)品結(jié)實(shí)度能否適合航天的需求抱懷疑的時(shí)候,，汪院士做的世界上首例3D打印的飛機(jī)起落架已經(jīng)接受了考驗(yàn),。在科研、裝備的產(chǎn)業(yè)化方面,，無(wú)論是金屬的,、非金屬的3D打印機(jī)，我們都掌握有非常好的技術(shù),，西安一直處于領(lǐng)先的地位,。于是，在西安成立了中國(guó)增材制造創(chuàng)新中心,。目前一些裝備的研發(fā)都是由自主的軟件開(kāi)發(fā),，但一些關(guān)鍵的光學(xué)器械或者激光器還是較多依靠進(jìn)口，導(dǎo)致目前我國(guó)處于3D打印原創(chuàng)技術(shù)較少的狀態(tài),，但是我們相信經(jīng)過(guò)不斷的努力,，一定會(huì)走向世界領(lǐng)先的地位。

使用3D打印技術(shù)制作產(chǎn)品模型可以大大減少成本,，可以避免計(jì)算機(jī)的仿真模型與實(shí)際模型有區(qū)別的風(fēng)險(xiǎn),。我們研發(fā)了一套快速模具制造的技術(shù)，傳統(tǒng)模具制造十分復(fù)雜,，耗資大且耗時(shí)長(zhǎng),，使用3D打印技術(shù)制作原型外觀，在收到大眾對(duì)造型認(rèn)可后裝上發(fā)動(dòng)機(jī)便可以使用,，這個(gè)時(shí)候我們?cè)偈褂靡恍┖?jiǎn)單快速的模具,，來(lái)加工真正的模具。對(duì)于不同的批量,，我們采用不同的制造方法,，比如幾十件的可以使用硅橡膠復(fù)制模具，如果是大批量可以把原型用3D打印拷貝一個(gè)加工的電機(jī),，這樣形成一個(gè)產(chǎn)品快速開(kāi)發(fā)的系統(tǒng),。

3D打印應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，比如摩托車(chē)外形的開(kāi)發(fā),、動(dòng)力機(jī)械整體葉輪的設(shè)計(jì),、戒指的開(kāi)發(fā)、醫(yī)療的修補(bǔ),、零件的精密制造等,。

在一項(xiàng)飛機(jī)風(fēng)洞的實(shí)驗(yàn)中,，3D打印制作的零件優(yōu)過(guò)傳統(tǒng)手工制造，對(duì)于傳感器不方便裝置,、飛機(jī)重量的配重不方便確定等問(wèn)題,，3D打印全部可以實(shí)現(xiàn)。尤其是在汽車(chē)工業(yè)方面,，相較于傳統(tǒng)使用手工,、油泥刮出制作模型評(píng)估，使用3D打印制作原型更利于對(duì)汽車(chē)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,。發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,，修改數(shù)字模型即可進(jìn)行重新評(píng)估。

對(duì)于小批量,、個(gè)性化車(chē)制造,，電動(dòng)汽車(chē)制造行業(yè)，大多數(shù)仍借用燃油汽車(chē)外殼,，而沒(méi)有一輛真正為電動(dòng)車(chē)設(shè)計(jì)的車(chē)身外殼,，正是由于在車(chē)身開(kāi)發(fā)投入太多，現(xiàn)在電動(dòng)汽車(chē)并沒(méi)有完全被大眾消費(fèi)群體接受,，仍處于考驗(yàn)階段。國(guó)外已將3D打印應(yīng)用到方面開(kāi)發(fā)汽車(chē)的車(chē)型,，很快速便可以將非常先進(jìn)的車(chē)型做出來(lái),，這樣可以加速產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，各種各樣的創(chuàng)新設(shè)計(jì)都可以實(shí)現(xiàn),。同時(shí)還可以做到輕量化,，將很多零部件做成一體化。復(fù)合材料的設(shè)計(jì),，在汽車(chē)上的用途越來(lái)越廣,，非常符合電動(dòng)汽車(chē)的需求，電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程是很重要的因素,，車(chē)身輕了以后自然續(xù)航里程上升了,。可以使用纖維或者玻璃纖維這類(lèi)復(fù)合材料來(lái)制作車(chē)身,，這些都是可以通過(guò)3D打印技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,。并且還可以拓展到汽車(chē)零件方面。目前我們已經(jīng)涉及汽車(chē)大型模具的制造方面,，并且做了專(zhuān)門(mén)的噴涂模具設(shè)備以及一款汽車(chē)的完整外殼,。

3D打印為制造業(yè)帶來(lái)顛覆性的變革，對(duì)于航天航空領(lǐng)域的應(yīng)用,，使材料利用率由5%提升到85%,，并且可以把制造周期由數(shù)月壓縮到幾天,。盡管如此，3D打印技術(shù)制造出的零件的精度,、強(qiáng)度,、有沒(méi)有被破壞的方面仍有許多問(wèn)題，這是一個(gè)全新的理論,，我們?nèi)匀惶幱谘芯侩A段,。

3D打印帶來(lái)全新的生產(chǎn)模式變革，大家可以在家里進(jìn)行創(chuàng)意設(shè)計(jì),，并將設(shè)計(jì)產(chǎn)品擺上互聯(lián)網(wǎng)尋求投資方,，這可能成為以后一個(gè)很重要的創(chuàng)新社會(huì)生產(chǎn)方式。美國(guó)GE公司曾在網(wǎng)上發(fā)布過(guò)一個(gè)使用3D打印實(shí)驗(yàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)征集,。最后在征集到700個(gè)方案,，由專(zhuān)家挑選了十件優(yōu)秀方案。其中,，第一名是一個(gè)19歲的青年設(shè)計(jì)師,，他僅用了六分之一的重量、六分之一的價(jià)格,，完成了這個(gè)結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì),，并且剛度、強(qiáng)度全部合格,。民間蘊(yùn)藏了很大的創(chuàng)新的能力和積極性,，在原來(lái)的生產(chǎn)組織下得不到發(fā)揮。在以后的飛機(jī)制造上,，改一個(gè)零件,，不需要一些層層批準(zhǔn)、層層論證,，直接做出來(lái)一件模型測(cè)試便能驗(yàn)證,。

GE公司用3D打印來(lái)制作一個(gè)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油嘴，燃油效率提高15%,。他們?cè)�使�?D打印制作一款發(fā)動(dòng)機(jī),，訂單增加了400多億美金。因此GE公司決定大舉進(jìn)攻3D打印,，目前已收購(gòu)了兩三家世界上很強(qiáng)的3D打印公司,，并決定自主研發(fā)設(shè)備，改造它的生產(chǎn)線,，預(yù)測(cè)到2030年要將一萬(wàn)臺(tái)的3D打印機(jī)投入到飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn),。

我國(guó)的3D打印目前處于技術(shù)發(fā)展的井噴期，既是起步期、也是企業(yè)的跑馬圈地時(shí)期,。目前亞馬遜也介入3D打印行業(yè),，在網(wǎng)上組織3D打印的資源，提供服務(wù),，每年接到幾十億美金的訂單,。我國(guó)政府非常支持創(chuàng)新，經(jīng)工信部論證,，決定西安高新區(qū)成立國(guó)家3D打印的創(chuàng)新中心,，并得到高新區(qū)領(lǐng)導(dǎo)的大力支持。創(chuàng)新中心聯(lián)合全國(guó)13家企業(yè),，清華,、北航、華中,、西工大,、西交大5所大學(xué)，由20多位國(guó)內(nèi)外的專(zhuān)家組成專(zhuān)家委員會(huì),，其中國(guó)外的專(zhuān)家占到將近一半,。

目前我們正在進(jìn)行的研發(fā)方向，一個(gè)是針對(duì)于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī),，一個(gè)是亮劍工程,，在有了3D打印技術(shù)的支持之后，使得飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)有創(chuàng)新的設(shè)計(jì),，包括葉輪盤(pán),、渦輪盤(pán)的高效設(shè)計(jì)等省了很多復(fù)雜的工序。暢想以后,，到太空中去進(jìn)行3D打印制造，在太空中制造地球上需要的零件,。盡管太空打印有很多困難,，但其能源是取之不盡，有眾多優(yōu)勢(shì),。比如,，無(wú)氣壓影響生產(chǎn)效率可以提高，并且環(huán)境溫度高可生產(chǎn)耐高溫物件,。

在汽車(chē)生產(chǎn)方面,，與吉利研究院聯(lián)合研發(fā)“萬(wàn)輛汽車(chē)工程”。利用大數(shù)據(jù)優(yōu)化工藝,，并且使用大設(shè)備支撐,，將全國(guó)3D打印的資源連在一起，為全國(guó)的制造業(yè)做服務(wù)。我們相信在大家的努力下,，能在十年內(nèi)將中國(guó)的3D打印做到世界第二,；五年內(nèi)做到裝機(jī)量第二、十年內(nèi)希望裝機(jī)量第一,；銷(xiāo)售走在第二,。到2035年之前實(shí)現(xiàn)中國(guó)制造2025。

為了把創(chuàng)新設(shè)計(jì)的成果孵化,，吸引更多的3D打印的產(chǎn)業(yè)到西安聚集,，我們將在西安高新區(qū)打造一個(gè)3D打印的小鎮(zhèn)，形成一個(gè)產(chǎn)業(yè)的聚集區(qū),。致力于實(shí)現(xiàn)一個(gè)技術(shù)的供應(yīng)鏈,，來(lái)培育3D打印的主力軍。王永康書(shū)記希望3D打印成為西安硬科技的八路軍之一,。在占地1600多畝3D打印小鎮(zhèn)的規(guī)劃里面,，擬投資150個(gè)億，引進(jìn)十幾家核心企業(yè),，希望抓住國(guó)家創(chuàng)新的大好機(jī)遇來(lái)做好這項(xiàng)工作,。

在技術(shù)方面仍有待推廣，比如金屬電壺噴涂的技術(shù),，斥資100多萬(wàn)耗時(shí)100天的時(shí)間做了一整套的汽車(chē)復(fù)合件的模具,。將3D打印用于創(chuàng)新設(shè)計(jì)，我們做了大量工作,。目前我們還在研究用很輕的材料做建筑的打印,，因?yàn)樵诮ㄖ�方面有些地方是需要有承載性能的。住建部提倡裝配式的建筑,，3D打印可以做曲面的造型的,、帶雕塑的、帶浮雕的,，都很容易,。如果把每一層的建筑重量降下來(lái)，可以減少投資,，還可以給建筑師做具有創(chuàng)意的模型,。

在金屬創(chuàng)新方面，使用金屬打印頭做光內(nèi)送粉部件,，便可以打印封閉的球 ,。粉末在外層，內(nèi)層是光線,，然后升級(jí)到光纖在外層,，粉末在內(nèi)層，這樣制作出來(lái)的零件就會(huì)十分精細(xì)。

在3d打印特色小鎮(zhèn)的設(shè)計(jì)上,，邀請(qǐng)各位絲綢之路創(chuàng)新設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟和西安設(shè)計(jì)聯(lián)合會(huì)的專(zhuān)家,，為我們做一些優(yōu)秀的設(shè)計(jì)，完成國(guó)家交給我們的使命,。3D打印小鎮(zhèn)位于高新區(qū)的核心位置,，這里將是產(chǎn)業(yè)的聚集區(qū)。在未來(lái),，我們可以使用3D打印來(lái)去做文物的復(fù)制,，希望在3D打印小鎮(zhèn)建立一個(gè)3D打印的博物館，主要用于展示西安當(dāng)?shù)氐囊恍┪幕�資源,、歷史資源,、文物，我們也希望將全國(guó)各地的文物展示,，例如莫高窟等,。

來(lái)源：廣東省增材制造協(xié)會(huì)