AMCC2018：盧秉恒院士《智能制造與3D打印》主題演講

2018年7月26日,，在杭州舉辦的2018中國增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展高峰論壇上,，中國工程院院士,、西安交通大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師盧秉恒做了《智能制造與3D打印》的主題演講,，以下是本次演講的實錄：

各位嘉賓,、各位領(lǐng)導(dǎo)，我來給大家介紹一下關(guān)于增材制造技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,。

增材制造對于中國制造來說是非常需要的,，因為中國在制造方面還是很強的,，但是在產(chǎn)品的開發(fā)能力嚴(yán)重不足，而增材制造給我們補足了這個短板,，它可以先把我們的設(shè)計利用很短的流程進行迭代,，作出樣機，評價,、分析,，確定了設(shè)計之后再進行生產(chǎn)。

這是被世界各國都采用的技術(shù),，美國奧巴馬政府就提出,，怎么樣用一半的時間和一半的費用來去完成新產(chǎn)品的開發(fā)。

增材制造最近幾年發(fā)展非�,？�,，幾乎年增長率20%幾到40%幾，F(xiàn)DM尤其是迎合了創(chuàng)客的需要和教育的需要,，發(fā)展非�,？臁�SLA在產(chǎn)品開發(fā)中發(fā)揮了重要作用,，近幾年金屬3D打印機發(fā)展非�,？欤�2017年比2016年設(shè)備的銷售量增加了80%,，占據(jù)了3D設(shè)備的51%,。

對大型結(jié)構(gòu)件來說，用絲材來進行熔化可以是更好的方法,，它的能源可以是激光的,，也可以是電子束的，也可以是電弧的,，就像傳統(tǒng)的電焊一樣,。這個技術(shù)已經(jīng)可以做到尺寸大于2米、5米,，甚至已經(jīng)做到8米,，用電子束進行熔融堆積的，也有用電弧堆積的,，我們實驗室已經(jīng)做到2米,，在做5米6米的裝備。還有把更多傳統(tǒng)技術(shù)用于3D,，因為這是用了層層堆積的概念,，例如鑄造，可以進行一層層鑄造來形成3D新的技術(shù),。當(dāng)然在每一層鑄造中可以采取鍛打的辦法,，來提高它的強度,，增加結(jié)構(gòu)材料的致密度，來提高它的性能,。我們也做了很多實驗,，認為是大型結(jié)構(gòu)件高效的制造方法，可以達到每小時5公斤甚至10公斤,。

在金屬3D打印中一個最重要的問題是我們怎么樣能夠使結(jié)構(gòu)件強度能夠提高,，這里面有很重要的問題需要進行研究。我們知道,，無論是鑄造還是鍛壓,，人們都一直在研究凝固學(xué)理論，尤其是鑄造,，但是鑄造和焊接中熔融規(guī)模比較大,，所以在宏觀的體積內(nèi)來進行冷卻和凝固。在3D打印中無論是激光束還是電子束,，它的熔池比較小,，所以從理論分析，小的熔池產(chǎn)生的缺陷肯定要小的多,，所以材料結(jié)構(gòu)的強度能夠得到提高,。但是怎么樣控制它的一些晶粒的生長，晶粒增長的幅度影響了大小,，影響了結(jié)構(gòu)強度,。所以實際上它是一個在強非平衡態(tài)凝固學(xué)理論，但可惜現(xiàn)在還沒有能夠完全認識到這樣的科學(xué)問題,。所以無論是對熱應(yīng)力的分析等等還處于實驗階段,，還不能形成很好的理論來指導(dǎo)這個事情。

最近幾年增材制造一些創(chuàng)新不斷涌現(xiàn),，像面曝光的技術(shù),，用光固化的原理，材料像拉拔一樣快速上升,，這樣使效率提高了50倍到100倍,。像金屬打印,，用一體技術(shù)打印的概念也出來了,，雖然是用光固化的材料加上粉末，也可以把陶瓷粉末用于這個辦法進行打印,。打印過以后需要進行脫脂,、燒結(jié)。所以3D是一個嶄新的概念,，但是在這個嶄新的概念中可以把傳統(tǒng)的制造技術(shù)進行融合,，來產(chǎn)生一些新的創(chuàng)新技術(shù),。

功能梯度的材料也越來越引起人們的高度重視，就像剛才弗朗恩霍夫研究院教授講的一樣,，用兩種技術(shù),、三種技術(shù)甚至更高的技術(shù)。還有一種是把材料分層,，不同材料在不同層出現(xiàn),，我們就可以知道在表面是耐磨的、耐腐蝕的,，里面的是強硬的,，韌性好的，再里面就像人體的骨頭一樣,，是一個疏松的結(jié)構(gòu),，是一個蜂窩狀結(jié)構(gòu)，這是增強剛性來減輕重量的,。這些東西在航空航天都有了很重要的用途,，當(dāng)然還有復(fù)合材料的應(yīng)用，也是一個非常重要的方面,。在這些方面我們需要關(guān)注的是,，在材料腐蝕中界面會發(fā)生什么樣的變化，界面的作用力以及3D結(jié)構(gòu)形成的過程不一樣,，溫度環(huán)境和其他物理環(huán)境不一樣,，這樣會不會引起界面內(nèi)應(yīng)力的增加而影響性能，這都是需要研究的問題,。

我們在這方面應(yīng)用前景還是非常廣的,，像汽車、飛機和航天結(jié)構(gòu),，都需要減輕重量,，但需要高的強度或高的剛度，就需要復(fù)合材料,。當(dāng)然纖維復(fù)合材料中有長纖維的復(fù)合材料,，像碳纖維的汽車車身，當(dāng)然也可以用短纖維的復(fù)合材料去制造,，這里面是有優(yōu)勢的,。長纖維復(fù)合材料車身的制造可能技術(shù)上還有很多的難關(guān)，在表面比較展開的一些曲面上是比較容易制造的,，但是在曲力變化比較大的一些凹凸結(jié)構(gòu)的比較難以實現(xiàn),。但我們也可以用短纖維或樹脂復(fù)合解決這個問題，也可以達到很好的強度,。所以綜合我們所獲得性能的改善以及經(jīng)濟性和工藝可實驗性,，之間要平衡,。這在汽車制造中，我認為可能是前景比較大的,，短纖維復(fù)合材料可能更容易實現(xiàn),，因為它仍然可以用模具制造，所以能夠適應(yīng)汽車大批量生產(chǎn),。當(dāng)然,，長纖維的也可以用來制造樣車，在樣車制造中我們可以花費比較大的代價來完成一些更好的性能,。所以3D打印在應(yīng)用中要發(fā)揮它更好的效應(yīng),，必須和傳統(tǒng)的制造相結(jié)合，來綜合平衡它的性能和成本,。

3D打印最近在各種高端制造,，在航空航天得到了很大的發(fā)展。由于3D打印對復(fù)雜形狀零件的適應(yīng)性,，它可以把很多零件集成在一個零件上,，這樣是傳統(tǒng)制造沒法兒實現(xiàn)的，所以在航空中,，火箭發(fā)動機零件個數(shù)就減少了80%,，可以把很多焊縫用3D打印來實現(xiàn)，甚至有說法提出3D的出現(xiàn)會不會使焊接變得沒有用了,，當(dāng)然這不是絕對的,，但是很多方面可以用3D打印來代替，這樣來減少焊縫帶來的強度的破壞以及一些可能發(fā)生的故障,。

3D打印用于建筑,，現(xiàn)在也開始了很多探索，目前打印低層建筑日漸成熟,，用的越來越廣泛了,。高層的建筑還有一定的難度，這方面有待于材料的改進和材料打印工藝的發(fā)展,。

西安交大從上個世紀(jì)九十年代就開始3D打印,，但主要是完成以3D打印為核心產(chǎn)品快速開發(fā)的技術(shù)，這方面和傳統(tǒng)的制造技術(shù)相結(jié)合,。例如我們做家電設(shè)計的時候可以用硅橡膠去復(fù)制模具,。我們在做汽車覆蓋件的時候可以用技術(shù)噴涂法覆蓋模具，我們曾經(jīng)用100天時間做了兩款車全部外覆蓋的模具,，成本就是100萬人民幣,，如果我們正規(guī)制造模擬的辦法投入要幾個億甚至是10億以上,，要一年多的時間,，所以這樣以來就大大節(jié)約了產(chǎn)品開發(fā)中所需要的費用和時間,。

所以3D打印可以應(yīng)用的領(lǐng)域越來越寬廣，各種民用的消費品,、文化創(chuàng)意產(chǎn)品,、建筑的設(shè)計�,？梢灾苯佑糜诤娇蘸教斓慕Y(jié)構(gòu),，這方面國內(nèi)很多研究單位做了大量的工作，已經(jīng)用在飛機結(jié)構(gòu)件的承載件,，用在C919很多零件上�,，F(xiàn)在中國民用飛機也有自己的目標(biāo)，像上海商發(fā)準(zhǔn)備80%的零件都用3D打印來支持研發(fā),。像GE公司也已經(jīng)有三分之一的飛機發(fā)動機零件用3D打印進行生產(chǎn),。所以這方面越來越顯示3D打印一些技術(shù)顛覆性。

充分發(fā)揮3D打印個性化的特征,，用于下額骨個性化的替代,，2000年我們就做了這個實驗，也是國內(nèi)做的最早的,，去年得到了國家藥監(jiān)局的批號,。同時3D打印用于醫(yī)療，在牙科的修復(fù)方面,，在矯形方面,，還可以用于癌癥的靶向治療，通過3D打印導(dǎo)航模板,，能夠使藥物沿著準(zhǔn)確的路徑送到癌細胞那里去,，來實行精準(zhǔn)的化療。也可以用于矯形,，20幾個脊椎骨在矯形定位的時候怎么打孔,。

3D打印和傳統(tǒng)鑄造技術(shù)相結(jié)合，可以形成一些精密鑄造,，一次性的鑄造好燃起機的渦輪盤,，我們鑄造出來的渦輪盤已經(jīng)在壓縮機上運行一年多了，安全可靠,，速度達到400,。用于柴油機精密鑄件的3D打印。

為了推動3D打印的發(fā)展,，工信部支持13家企業(yè)聯(lián)合成立了增材制造業(yè)創(chuàng)新中心,，目的是填平技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)化之間的鴻溝，來為行業(yè)提供一些共性技術(shù)，像一些標(biāo)準(zhǔn)方面的技術(shù),，也提供一些關(guān)鍵元器件的制造,，也包括一些優(yōu)化的工藝方面的服務(wù)。

平臺建設(shè)方面,，我們建立了共性技術(shù)研究平臺,、公共測試平臺或制造服務(wù)的平臺和一個教育培訓(xùn)基地，這方面的工作正在進行中,。

同時3D打印的云服務(wù),，也使3D打印可以發(fā)揮它的重要應(yīng)用的平臺作用。我們準(zhǔn)備建立一個軟件平臺,，能夠使全國幾百家3D打印服務(wù)企業(yè)和制造業(yè)的很多用戶能密切聯(lián)系起來,。因為中國3D打印的一些企業(yè)都比較分散，比較弱小,，有的有幾臺設(shè)備,，有的甚至有一兩臺設(shè)備，但是他們平時接不到單,，接到單又來不及完成,，我們用云平臺去溝通3D打印業(yè)務(wù)的需求和大批中小企業(yè)，這樣使他們的資源能夠得到優(yōu)勢的發(fā)揮,，又能夠使制造需求得到最快的響應(yīng),。同時我們用云服務(wù)平臺也做工藝的優(yōu)化工作，能夠解決中小企業(yè)在3D打印,，在工藝方面的一些困惑問題,，幫助提升我們這方面的水平。目前我們建設(shè)了100多臺設(shè)備,，到19年底將擁有80多臺增材制造設(shè)備和50多臺測試設(shè)備,。

3D打印面臨的挑戰(zhàn)是怎么樣從控形到控形控性，從宏觀到微納,，現(xiàn)在做智能制造需要很多的傳感器,，傳感器以前是微電子工業(yè)制造的，它必須有很大的批量才劃得來,，例如要上百萬件,。但是制造業(yè)所需要的一些量非常小，批度非常多,，就適合用3D打印來制造,。3D打印按照我們能夠制造復(fù)雜形狀的優(yōu)勢和對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行改造，進行再設(shè)計,，再設(shè)計的結(jié)果可以使很多零件結(jié)合一個零件,。這是一個。第二，使熱交換效率得到很大提升,，可以使我們用很少的材料達到非常強的剛度和硬度,。以后還會從地球發(fā)展到太空，我們把很多制造任務(wù)能不能放到太空中去,？因為太空雖然有很多不利的條件，但是也有很多有利的條件,，它沒有重力,，我們可以用一個小的設(shè)備去制造大的設(shè)備。它接近真空,，所以就不會像鈦合金的打印必須在氬氣保護下去做,。

同時中國3D打印在應(yīng)用領(lǐng)域做的還是不錯的，但是我們在自己原創(chuàng)的裝備,、原創(chuàng)的技術(shù)方面有相當(dāng)大的差距,，我們希望能夠通過多學(xué)科的交叉，和材料領(lǐng)域,、信息領(lǐng)域,，和醫(yī)療生物領(lǐng)域進行交叉，來推動技術(shù)的創(chuàng)新,。

這是增材制造發(fā)展的路線圖,，它從技術(shù)發(fā)展、從3D走向4D,，從4D走向5D,，所謂5D就是生命可降解組織和生長因子的結(jié)合，打印出來的東西能夠成為器官再創(chuàng)技術(shù),，像人工的心臟,、人工的肝臟。在應(yīng)用方面的發(fā)展逐漸從上個世紀(jì)的產(chǎn)品原形走向3D打印的產(chǎn)品開發(fā),，下面走向批量生產(chǎn)的手段,。成形材料，從樹脂走向金屬材料,、復(fù)合材料到生物活性材料,。產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，從裝備到各領(lǐng)域應(yīng)用,，到尖端科技,。參與者，我們正在從科技界走向企業(yè)界,，現(xiàn)在金融機構(gòu)也都在追捧3D打印的創(chuàng)新技術(shù),，希望能夠合作，社會上很多創(chuàng)客來用3D打印技術(shù)實現(xiàn)他們的創(chuàng)新夢想。

再給大家發(fā)一次邀請,，9月6號和7號在西安也要開這么一個規(guī)模的大會,，包括設(shè)備的展覽，包括學(xué)術(shù)的交流,，包括3D打印大賽,，這是中國工程院、中國科協(xié)共同支持的,，是一個國際的高端論壇,，邀請在座的企業(yè)家、學(xué)者,、專家能夠到西安進行交流,。