西北工業(yè)大學黃衛(wèi)東：3D打印世界格局與中國的機會

2019年9月19-21日,，IAME中國（西安）國際3D打印博覽會暨高峰論壇將在西安高新國際會議中心舉辦。2019IAME旨在搭建增材制造（3D打�,。┛萍紕�(chuàng)新的開放合作共享交流平臺,，匯聚全球頂尖的增材制造（3D打印）領域成果及人才,，促進行業(yè)各環(huán)節(jié),、產業(yè)鏈的銜接融合。南極熊作為戰(zhàn)略合作媒體,，到西安現場全程報道,。


西北工業(yè)大學教授黃衛(wèi)東做了主題為《3D打印的世界格局與中國的機會》的報告。

下面南極熊根據現場速記整理的內容：

關于3D打印的世界格局和中國的機會

3D打印世界格局總體上美國具有壓倒的優(yōu)勢,，但是中國也已經進入世界先進行列,，具備了追趕美國的初步條件。這個判斷我分三個指標來講述,，從創(chuàng)新能力,、裝備品牌和產業(yè)應用做整體的比較。

在創(chuàng)新能力方面,，美國遙遙領先,，中國急起直追；裝備品牌方面,，美國德國平分天下,，中國初露頭角,；產業(yè)應用美國遙遙領先，中國已經進入世界第二,。

3D打印創(chuàng)新能力指標

第一個是提出一種重要的3D打印大類技術,，也就是主流3D打印技術的原創(chuàng)專利，主流的技術第一個專利是誰的,，誰發(fā)明的,。這種主流技術都是二三十年前已經發(fā)明的，現在要想再創(chuàng)造一種新的機會已經非常小了,。就像冷加工車銑刨磨鉗這種大類技術,，你現在還要發(fā)明一個跟車銑刨磨鉗并列的技術已經沒有機會，對于3D打印不是完全沒有機會,，畢竟是新的技術,。經過30年的發(fā)展，估計這個技術很難創(chuàng)新,，后面重大進展在主流3D打印基礎上提出極端重大技術進步,，可以有重大技術新發(fā)展和新發(fā)明。

主流3D打印技術有七大類,，這是ISO和STM的國際標準,，有六個美國專利，其中DED直接能量沉積,，這個技術我沒有找到第一個專利,，1979年美國UTRC有一篇文章,，始終沒有找到他們的專利,。另外Polyjet是以色列人在美國申請的專利，這六大類技術可以認為六個美國原創(chuàng),，一個以色列原創(chuàng),，但是全部可以歸結為美國的專利和文章，所以從這個角度來講,，美國的創(chuàng)新能力是別人沒有辦法比較的,，就好像冷加工車銑刨磨鉗全是一個國家發(fā)明的。

在這些技術基礎上誕生的非常重大的3D打印技術都有哪些,，都是誰發(fā)明的,？

①SLS基礎上發(fā)展的SLM技術，這是當前應用最普遍的金屬3D打印技術,，這是1996年德國的IRT協(xié)會發(fā)展的,。金屬3D打印SLM不亞于SLS技術，是今天3D打印主流,，絕大多數金屬3D打印的技術是SLM技術,，這個發(fā)明是德國人的,。

②面曝光技術。光固化3D打印是3D打印標志新技術,，1988年美國推出第一臺光刻3D打印機,。但是很多年來光固化技術，用點掃描,。2015年Science發(fā)了一個文章,，美國的一個公司把面曝光的光固化技術突破，但是面曝光原理早就有,，技術上的突破作為商業(yè)化的裝備是美國這個公司的貢獻,。

③MJF技術。惠普2016年推出MJF技術,，使塑料3D打印效率大幅度提高,，機器的價格比同一個檔次的SLS、SLM便宜一半,，在塑料3D印領域有非常強的競爭力,；而且惠普、GE這兩個作為世界五百強的公司進入到3D打印領域,，大大改變了3D打印的格局,。原來都是一些創(chuàng)業(yè)公司，創(chuàng)業(yè)公司的實力總是有限,，世界五百強進來就不得了,，一個是技術非常好，另外惠普自己原來做打印機,，墨盒怎么放,，2D打印機就做的非常好，再加上它的銷售網絡非常強,，16年推出這個機器,，17年在全世界賣，一年買354臺,，超過了原來SLS,、SLM工業(yè)級的機器。了不起,！惠普的目標絕不是今天3D打印市場實際100億美元的目標,，惠普的目標是12萬億美元的制造業(yè)大市場。現在惠普對于3D打印非常重視,，很多別的部門關掉,，加到3D打印部門的發(fā)展。

④二極管激光器的陣列燒粉SLS技術,。2018年法蘭克福展會上,，德國EOS公司推出二極管激光器的陣列燒粉技術,，用近百萬二極管激光器，我認為效率至少提升10倍以上到幾十倍,。這個技術和惠普的技術在效率上可以媲美,，但是比惠普技術有一個優(yōu)點，材料適應性上可以集成SLS所有材料,，惠普材料適應面不夠寬,。惠普用很大的力氣開發(fā)材料,，包括和世界幾個最強的化工材料公司建一個材料開發(fā)平臺,，努力在材料上發(fā)展，但是技術本身受到限制,；因為它用鑄熔器的辦法,，我想材料適應不會特別寬。EOS這個技術也是將來非常強大的一個技術,，這是德國的,。

⑤Desktop Metal粘結燒結金屬3D打印技術。這個美國公司七個創(chuàng)始人里面四個MIT的大牌教授,，現在用粉末床鋪金屬黏結劑粘,，粘了以后再燒結，實際上做粉末冶金的胚胎,，然后粉末冶金燒,，這樣做金屬零件的效率非常高，比我們現在SLM效率高幾百倍,，金屬3D打印主流用SLM技術,，這個技術非常好，解決了很多的問題,，但是它的不足是太貴了,，因為激光一個點一個點掃,，效率很難提高,。金屬3D打印市場要大幅度打開，主要靠在保持精度性能的情況下提高效率,。一下提升幾百倍,，他們目標直接打印汽車零件。這不得了,！如果汽車零件用3D打印來打,，汽車市場就大了，不能講一百億美元市場,。汽車如果可以用,，工業(yè)各個領域的金屬零件都可以來做,，這是非常有前途的。

惠普也有類似的技術,。Desktop Metal累計融資4.38億美元,。粘結燒結金屬3D打印技術，要真正形成大規(guī)模應用,，需要解決燒結變形,，難度非常大。原則上可以解決,。
創(chuàng)新能力美國占最佳的優(yōu)勢,，德國也不錯，德國也有兩個公司有很好的進步,。中國也可圈可點,，2017年中國3D打印的專利超過全球一半，說明中國3D打印領域非�,；钴S,，這些專利目前還沒有看到轉化。非常重大的產業(yè)應用技術,，從專利到應用要相當長的時間,。期待中國這么多人，這么大的熱情在創(chuàng)新,，總會出來好的東西,，創(chuàng)新能力方面美國遙遙領先，中國急起直追,，我們應該抱有信心,。


裝備品牌

第二個方面，我們比較裝備品牌,，這個方面美國和德國平分天下,，中國開始初露頭角。美國3D SYSTEMS公司,，光固化做得最好,。美國STRATASYS公司，在工業(yè)級FDM和Polyjet兩個技術領先世界,。對于FDM技術,，中低端桌面3D打印機中國最厲害，但對世界真正有重大影響還是要工業(yè)級的,。

惠普是一個后起之秀,。未來，我們創(chuàng)業(yè)公司很難和世界五百強匹。還有美國的GE增材,，現在成為金屬3D打印的巨無霸,。它不是自己發(fā)明創(chuàng)造，而是買,，2014年買兩個3D打印頂級的公司,，德國Concept Laser和瑞典Arcam，再加上自己龐大的市場需求,，成為老大了,。

德國EOS。EOS在SLM和SLS方面是世界第一品牌,，別人沒有辦法比,。它在SLS做成面曝光，那個技術我非�,？春�,，未來非常有前途，有可能進軍到注塑領域,。2016年塑料產業(yè)3.5萬億人民幣,，大部分是注塑，如果3D打印能夠在注塑搶一點市場也不得了,，方向就是非常高效率塑料的打印,，看好惠普技術和EOS面曝光技術。

砂型3D打印,。德國VoxelJet,，ExOne做得最好。
鉑力特,。之前倫敦召開的世界首屆3D打印大會上,，鉑力特公司評為最佳OM。國外這些獎都是人家評,，我們沒有參加這個會,，從會議網站上看到我們獲獎了，說明世界上承認鉑力特是一個世界品牌了,，我們很高興,。鉑力特累計生產銷售200多套金屬3D打印裝備，包括有兩臺設備獲得紅點獎,，這是工業(yè)設計頂級獎,，設備獲得空客的認證,，出口到德國和法國,。

3D打印產業(yè)應用概況

根據Wohlers Associates統(tǒng)計，1988—2018年全球增材制造產業(yè)的年復合增長率26.9%，其中2012—2014年CAGR年復合增長率高達33.8%,，重要的原因是因為美國國家增材制造創(chuàng)新中心的成立,，在全世界掀起了一股熱潮。超速發(fā)展,，由美國人把它推動起來,。但是2015—2017年增速又回落到平均值以下。開始大家期望高,，但是技術的發(fā)展沒有那么快,，像股市一樣，期望太高漲上去,，總有一點回調,。2018年增速有回升，因為有幾個非常重要的技術,，會對市場的發(fā)展有重大的推動,，數據變化后面一定有原因。

中國的情況,。根據中國增材制造產業(yè)聯盟的統(tǒng)計,，在2015—2017年的三年間我國增材制造產業(yè)年軍增速超過30%，2017年中國增材制造規(guī)模達到100億元,，增速放緩至25%,，但高于全球4個百分點，我們國家增速比世界平均水平更快,。2018年中國增材制造聯盟對重點聯系的40家企業(yè)進行了統(tǒng)計,，沒有做總的統(tǒng)計，40家企業(yè)同比增長少一些,，大概23.8%,。因為不是所有的統(tǒng)計，所以我們從這里很難去做跟前面那樣的分析,；我們既然沒有那樣快,，在最近一些重大的技術創(chuàng)新方面，沒有中國人的份,，可能這是其中的主要原因,，中國平均速度比別人快，主要是中國市場大,。

Wohlers Associates報告有一個指標很好,，它統(tǒng)計各國安裝工業(yè)3D打印的累計分布，每年從1988累計到今年,，各個國家安裝多少工業(yè)級3D打印機,，這個數據很能說明問題。兩個指標，一個是從1988年到2012年,，另外一個是到2017年的,。2012年美國占比38%%。日本第二9.7,，德國第三9.4,，中國第四8.4，這是三個第二梯隊,，三個第二梯隊加起來不到30%,，還少于美國。所以產業(yè)方面美國遙遙領先,。到2017年發(fā)生一些變化,，美國日本德國略微有點減少，中國上到第二位,，這三家加起來仍然是不到30%,，還是比美國少的多，所以產業(yè)應用方面美國還是遙遙領先,，但是中國已經在急起直追,，我們發(fā)展速度更快一些。這首先是中國龐大的市場,，如果創(chuàng)新能力上去,，我們速度可以更快一些，不能光靠我們的市場大,，更重要的是怎么提升我們的創(chuàng)新能力,。

在應用領域里，最近幾年增速最快的是航空航天,，從2013年10.2%,，15年16.6，17年18.9%不等,，航空航天應用很主要,。3D打印年復合增長率大概在30%左右，但是這幾年金屬3D打印增長率超過80%,，主要是航天領域的推動,。

講幾個非常重要的例子。在金屬3D打印里面,，美國GE航空發(fā)動機的燃油噴嘴,，在2018年10月4號GE公司慶祝打了3萬個燃油噴嘴.它是用在飛機發(fā)動機上，是最先進的民用航空發(fā)動機,。我們C919飛機現在裝的就是這個發(fā)動機,，這個發(fā)動機要有非常好的性能,，在燃油噴嘴做了特殊設計，這個特殊設計用傳統(tǒng)技術怎么都做不出來,，GE考慮用3D打印,，找莫爾斯公司,，他們做的很好,，后來干脆把莫爾斯公司買下，然后成立工廠批量生產,。這個發(fā)動機的定單上到兩萬臺,，每一臺19個，它至少有30幾萬個零件的打印,，這是3D打印在工業(yè)批量生產最典型的例子,。

CJ-1000發(fā)動機為C919準備，要很久以后才裝上C919飛機,，我們也用了這個燃油噴嘴,，這個燃油噴嘴我們已經打了300個。和GE的3萬個相比我們才1%,。但是小小的一步很重要,，我們終于跨出這一步。燃油噴嘴設計的很好,，它只有3D打印能做出來,，3D打印最重要的是促進創(chuàng)新設計。

創(chuàng)新設計方面最典型的例子是空客,�,？湛秃脦啄昵肮�布的，有個零件常規(guī)的技術做是890克,，用了3D打印之后可以用拓撲技術做均勻的應力,，這個只能3D打印來做，只有原來40%的重量,。

除了拓撲優(yōu)化設計還有整體設計,，這個衛(wèi)星天線設計，原來一百個零件變成1個,，重量減輕95%,，這是非常極端的例子。最近鉑力特公司給中國一個衛(wèi)星結構,，不僅僅是一個天線,，整個衛(wèi)星結構用3D打印，效果非常好,，已經發(fā)射上去,。我們給導彈發(fā)動機改了內流道,，這個傳統(tǒng)技術沒有辦法做，只有用3D打印做,，這一個改變使導彈推力提升1倍,，過去推力提升1倍要很多技術進步，今天3D打印一個零件改變就進步非常之大,。

在流體力學性能方面,，不僅僅是減重，功能還有提升,。8年鉑力特打印超過3萬件金屬零件,，廣泛用在航空航天、機械醫(yī)療,、模具等等方面,。我們實現了非常優(yōu)異的力學性能，我們成名作,，2012年為CA919打造的圓條,，這個圓條性能非常優(yōu)越，上飛公司給的結論是優(yōu)于鍛件,。這是世界上第一次明確一個3D打印航空航天零件優(yōu)于鍛件,。國內開始很多人不相信優(yōu)于鍛件，后來空客找我們,，空客也是同樣的結論優(yōu)于鍛件,。我們這個工作引來了空客的合作。2014年空客到西工大來建立合作,，在去年的珠海航展上,，由空客和西工大成立聯合實驗室。這方面我們引領世界民航大型結構用3D打印,。鉑力特公司現在進入世界一流的增材制造國際合作圈,，我們合作伙伴除了空客，還有法國賽峰,，瑪瑞斯等等,，我們是亞洲唯一為空客飛機提供零件的。

剛才主要講航空航天的應用,，其實還有醫(yī)療,。我接觸到中國醫(yī)生對3D打印的熱情超乎我的想象，在西安有好幾個醫(yī)院,，除了唐都,，西京，交大二附院都有應用,。2015年我剛產生這樣的技術構思,，高博的導師帶著他們幾個博士生交流,，我們一拍即合在醫(yī)療上合作，后來高博畢業(yè)到我這做的博士后,，他現在成為中國3D打印醫(yī)療領域著名的教授,。從95年就開始，我們西安醫(yī)療界對于3D打印的介入有相當長的時間,。3D打印正在創(chuàng)造全新的先進技術途徑,，原來沒有辦法的現在用3D打印可以治。（南極熊補充：醫(yī)療3D打印的應用,，中國很多傳統(tǒng)的醫(yī)療器械公司已經涉足,，已成大勢,。）

在模具領域里面3D打印可以做隨形冷卻模具,，帶來模具領域革命性的進步，模具效率又高質量也高,，這是3D打印對于模具領域帶來革命性的進步,。

砂型3D打印，寧夏共享集團建立了智能鑄造工廠,，很多年來努力推進鑄造領域智能化的轉型,。但是最困難是砂型鑄造，你怎么把造型過程智能化,，他發(fā)現了3D打印�,，F在他們14臺3D打印機構成一條生產線，年產15000噸的砂型,。他們澆鑄,，自己的鑄件用自己打印的砂型澆鑄，過去非常臟的鑄造車間現在地面上一點砂沒有,，環(huán)境非常好,。總理2016年就去了,，看了以后感到很激動,，說沒有想到在鑄造這樣的金屬工業(yè)都能實現智能化。


從整個情況看,，我們中國在3D打印領域有巨大的機會,。
首先是巨大的產業(yè)需求，我們制造業(yè)規(guī)模全球最大,。
第二是我們產業(yè)普遍面臨轉型升級,，有轉型升級的需求，創(chuàng)新驅動的發(fā)展,，我們特別需要3D打印的技術,。這些是西方沒有的,。他們的產業(yè)早就轉型升級已經完成，他們也要創(chuàng)新驅動,，但是人家創(chuàng)新能力早就很強,，所以在中國我們的需求更為迫切，量也特別大,，這也就是中國3D打印產業(yè)應用發(fā)展比世界平均水平快的我想主要的原因,。

第二個方面我們現在有聚集全球優(yōu)秀人才的絕佳機會。中美貿易戰(zhàn)看起來對中國短期造成一定的影響,，甚至可能有好多是很重要的影響,，但是在人才方面給我們提供了絕佳的機會，美國把我們的人攔住進不去了,，就都回來,，所以我覺得這個方面是很好的事情。原來我們請這些人才回來還不一定請的動,，現在在美國呆不住了跑回來,。歐洲現在經濟低迷，我很多學生畢業(yè)想到歐洲去,，就發(fā)現很難,，沒有位置了，這時候他們也都回來了,。這是聚集全球優(yōu)秀人才絕佳的機會,。

第三是3D打印技術進入國家戰(zhàn)略的核心，中國制造2025系列部署里面3D打印都是放在很重要的位置,，包括增材制造國家創(chuàng)新中心,，這是中國制造2025第一個平臺工程，中國增材制造創(chuàng)新中心2016年首批建立,，說明我們國家對于3D打印戰(zhàn)略上非常重視,，所以我想是在3D打印方面中國具有巨大的機會.


會后，南極熊還專訪了黃衛(wèi)東教授 《西工大黃衛(wèi)東：做好科研產業(yè)化的6大要素,，金屬3D打印龍頭鉑力特成功上市科創(chuàng)板》
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