人民日報刊登盧秉恒院士文章——《3D打印——高端制造的利器》

來源：人民日報
作者：盧秉恒  中國工程院院士,、西安交通大學教授

2022年4月19日《人民日報》20版刊登了盧秉恒院士文章——《3D打印——高端制造的利器》。

下面是文章全文：

3D打印是制造業(yè)熱門技術(shù),，應(yīng)用范圍極廣,。它既可以打印塑料,、陶瓷等非金屬材料，也可以打印鋼鐵,、鋁合金、鈦合金,、高溫合金等金屬材料,，以及復(fù)合材料、生物材料甚至是生命材料,，成形尺寸從微納米元器件到10米以上大型航空結(jié)構(gòu)件,，為現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展及傳統(tǒng)制造業(yè)升級轉(zhuǎn)型提供了巨大契機。

相較傳統(tǒng)制造方法,，3D打印在理念上大為不同,。我們經(jīng)常使用的產(chǎn)品都是三維的，傳統(tǒng)制造方法是模具成形或者切削加工,，也被稱作是等材制造及減材制造,。等材制造就是人們熟知的鑄鍛焊，已經(jīng)有數(shù)千年歷史,。無論是四川的三星堆,，還是陜西的兵馬俑，都能看到用等材制造方法制成的精美銅器,。電動機問世后,，以其為動力，可以對材料進行切削加工,。因為在車銑刨磨的加工過程中材料逐漸被切掉,，所以被稱為減材制造。與上述兩種傳統(tǒng)制造方法相比,，我們俗稱的3D打印技術(shù)是上世紀80年代發(fā)明的新制造方法,，類似燕子銜泥造窩，材料一點一點累加,，造出三維物體來,，因此又稱增材制造。雖然從理念上說,，燕子銜泥,、萬里長城都可以視作增材制造，但是只有在計算機控制下,，把需要的材料按照設(shè)計累加到需要的地方,，實現(xiàn)控形控性，才是真正的增材制造,。

賦能產(chǎn)品設(shè)計制造,，推動高端制造業(yè)長足進步
經(jīng)過多年研究與發(fā)展,，人們發(fā)明了光固化、粉末燒結(jié),、絲材累加等3D打印技術(shù),。這3種技術(shù)分別利用激光掃描液態(tài)光敏樹脂表面，使之固化,，或者高能束掃描材料粉末,，使之燒結(jié)，或者采用熱/電弧/高能束熔融絲材按照圖形剖面鋪設(shè)等方法,，在剖面上一層層累加,，制成三維實體零件。信息技術(shù)日新月異,，3D打印技術(shù)在計算機控制下,，可以打印出多種材料、任意形狀,，因此在工業(yè)及日常生活中,，正帶來許多重大變化。

不同的制造技術(shù)有不同的技術(shù)特點,。比如等材制造的鑄鍛焊過程,，需要模具、砂型,，如果我們只做一件樣品,，成本上就劃不來，它更適合于批量制造,。當然,，也可以用減材制造進行切削加工，但加工過程會造成材料浪費,。比如航空航天制造中,，為實現(xiàn)輕量化，一些零件很大卻很輕,，形狀復(fù)雜,，要把材料盡可能地分布在邊沿，這就需要切掉很多材料,。對一些像鋁合金,、鈦合金這樣貴重的金屬來說，付出的成本高昂,。3D打印技術(shù)擺脫了模具,、工裝夾具等生產(chǎn)準備工作，在新產(chǎn)品開發(fā)、首件制造等方面,，極大縮短了周期,，降低了成本。而且通過計算機控制,，完全實現(xiàn)數(shù)字化,，哪里需要材料，就可以把材料堆積到哪里,，做到節(jié)材制造,。

目前，我國不少企業(yè)的制造能力強,，但產(chǎn)品開發(fā)能力相對不足，制約了制造業(yè)向價值鏈頂端的發(fā)展,。3D打印可以幫助我們補足這一短板,，縮短設(shè)計迭代、樣機制作,、評價,、分析、改進,、量產(chǎn)等流程,。如在航空航天等高端裝備的快速開發(fā)和迭代升級方面，3D打印已成為新產(chǎn)品開發(fā)的有力工具,。

3D打印還為創(chuàng)新設(shè)計拓展出巨大空間,。過去設(shè)計師雖然有很好的構(gòu)想，但由于模具制造的復(fù)雜性,、切削加工空間的可達性,，不能按照原構(gòu)想來設(shè)計，只能把大的零件拆成幾十,、上百個小零件,，設(shè)計與制造的成本隨之增加。對于傳統(tǒng)制造難以實現(xiàn)的零件形狀或結(jié)構(gòu),，3D打印可以勝任,，通過結(jié)構(gòu)一體化制造，實現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計構(gòu)想,。這就為設(shè)計創(chuàng)新,、產(chǎn)品創(chuàng)新、裝備創(chuàng)新提供巨大空間,，由此為制造業(yè)帶來不可估量的效益,。比如，一家生產(chǎn)飛機發(fā)動機的大型公司，原來在制造發(fā)動機燃油噴嘴過程中,，由于制造技術(shù)的局限,，需要把噴嘴分成20多個零件去制造。這20多個零件中的每一個都要達到微米級,，裝配在一起時需要焊接,，然而一焊接，就達不到微米級的精度了,。結(jié)果,，燃油噴嘴的制造缺乏一致性，燃油效率很難優(yōu)化,。而現(xiàn)在,，可以把20多個零件一體化地3D打印出來，化繁為簡,，提高了零件的燃油效率,，大大增強產(chǎn)品競爭力。

除了擅長復(fù)雜零件的設(shè)計制造,，3D打印還可以在個性化制造上大顯身手,。伴隨信息化進程，個性化制造在越來越多的領(lǐng)域替代流水線式大批量制造,。家電,、可穿戴電子設(shè)備乃至汽車等消費品越來越呈現(xiàn)個性化趨勢，而3D打印尤為擅長個性化制造,。比如為運動員3D打印一雙最適合其腳型的鞋子,，將有助于改善穿著體驗，提高運動成績,。在精準醫(yī)療領(lǐng)域,，如骨科手術(shù)輔具、牙科正畸,、手術(shù)模型等方面,，能夠越來越多地看到3D打印的應(yīng)用。3D打印醫(yī)療器械新產(chǎn)品層出不窮,，已從最初用于制造生物假體,，擴展至細胞、組織和器官打印研究,，未來或?qū)⒂糜谌梭w器官再創(chuàng),，為人類帶來福祉。

產(chǎn)業(yè)鏈不斷擴展,，“3D打印+”邁上新臺階
全球增材制造產(chǎn)業(yè)鏈正在不斷擴展,。航空航天,、航海、能源動力,、汽車和軌道交通,、電子工業(yè)、模具制造,、醫(yī)療健康,、數(shù)字創(chuàng)意、建筑等領(lǐng)域的企業(yè)和服務(wù)廠商不斷涌入增材制造產(chǎn)業(yè),。汽車行業(yè)超越航空航天,、醫(yī)療等領(lǐng)域，成為3D打印技術(shù)的第一大應(yīng)用行業(yè),，包括原型設(shè)計,、模具制造和批量化3D打印零件等。

3D打印在前沿科學研究方面,，也發(fā)揮著越來越重要的作用,。3D打印技術(shù)能在可控條件下，快速將不同材料混合在一起,，打印試件或零件，因此可以按照材料基因組方法,，實驗與發(fā)明新合金,、新復(fù)合材料，為工業(yè)應(yīng)用快速開發(fā)出更多更好的新材料,，滿足高端裝備,、新產(chǎn)品的多方面需求。近年來,，功能梯度材料越來越受到重視,。用多種不同材料打印零件，將材料分層,，不同材料打印在不同層,，零件就可以實現(xiàn)表面是耐磨、耐腐蝕的,，里面是高強度,、韌性好的，再里面就像人體的骨頭一樣,，是疏松的蜂窩狀結(jié)構(gòu),。如此一來，產(chǎn)品在增強剛性的同時減輕了重量,。

當前,，人們正致力于增材制造技術(shù)開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化。3D打印已經(jīng)應(yīng)用于我國航空航天開發(fā)和小批量制造、汽車快速開發(fā)及輕量化,、精準醫(yī)療,、文化創(chuàng)意等領(lǐng)域。在材料制備,、3D打印主流工藝與裝備,、關(guān)鍵零部件、控制軟件及各領(lǐng)域工程應(yīng)用等方面,，初步形成創(chuàng)新鏈與產(chǎn)業(yè)鏈,。去年，我國增材制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模增速高于全球同期增速,。我國已將3D打印應(yīng)用于飛機起落架這類高負荷承力件,；中國首枚火星探測器“天問一號”的運載火箭發(fā)動機上，安裝了許多3D打印零件,。作為一種短流程的制造技術(shù),，3D打印在抗擊新冠肺炎疫情中也發(fā)揮了作用，如3D打印醫(yī)療方艙,、護目鏡,、呼吸閥等。

經(jīng)過近40年發(fā)展,，增材制造已經(jīng)邁向“3D打印+”階段,。從開始的原型制造逐漸發(fā)展為直接制造、批量制造,；從以形狀控制為主要目標的模型模具制造,，到形性兼具的結(jié)構(gòu)功能一體化的部件組件制造；從微納米尺度的功能元器件制造到數(shù)十米大小的民用建筑物打印……增材制造作為一項變革性技術(shù),，是先進制造的有力工具,，是智能制造不可分割的重要組成部分。

隨著“3D打印+”的深入開展,，增材制造,、減材制造與等材制造將走向互融互通。不同制造技術(shù)各顯其長,，發(fā)揮合力,，共同推動我國由制造大國向制造強國邁進。