1萬億美元規(guī)模,，盧秉恒院士說3D打印技術(shù)可克服中國制造“心臟病”

來源：新材料在線


盧秉恒院士被譽(yù)為“中國3D打印的教父”,。即便身體里搭了4個(gè)心臟支架，但他始終躬身于推進(jìn)中國3D打印事業(yè)的發(fā)展,，每天忙得像陀螺一樣團(tuán)團(tuán)轉(zhuǎn),。

“中國制造業(yè)規(guī)模預(yù)計(jì)會(huì)達(dá)到3萬億美元，3D打印所創(chuàng)造的價(jià)值將占三分天下,，即占據(jù)約1萬億美元的規(guī)模,。”滿頭白發(fā)的盧秉恒院士在描繪3D打印發(fā)展藍(lán)圖的時(shí)候,，中氣十足,。

由于他的行程比較緊張，這段談話僅持續(xù)了一個(gè)多小時(shí),。不過,，當(dāng)聊到了3D打印對(duì)制造業(yè)的助力、技術(shù)優(yōu)勢(shì),、發(fā)展現(xiàn)狀,、不足以及未來時(shí)，他的眼神時(shí)而明亮,，時(shí)而焦灼,，時(shí)而熱切起來。

1萬億美元的規(guī)模
中國邁入3D打印世界的時(shí)間,，是在1996年,。這一年，正是盧秉恒的3D打印研究項(xiàng)目得到國家科技部支持的第二年,。

滄海桑田,，24載過去，中國的3D打印產(chǎn)業(yè)早已遍地開花,。這項(xiàng)在當(dāng)年并不被人看好的科研項(xiàng)目,，在盧秉恒的堅(jiān)持下得以繼續(xù),。其對(duì)于制造業(yè)的意義，盧秉恒早已預(yù)見到了,。

對(duì)于3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度,，他是欣喜的。近10年,，國內(nèi)金屬3D打印設(shè)備的增長(zhǎng)在印證3D打印產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展這一事實(shí),，2019年相比2018年增加300%。放眼至全世界,，每年的發(fā)展速度也達(dá)到了20%~30%,。

制造，從技術(shù)上而言,，可分為增材,、等材、減材三種,。盧秉恒預(yù)測(cè),，未來這三種技術(shù)將是“三分天下”的局面，這也意味著中國制造業(yè)體量近3萬億美元,，增材制造將會(huì)占1萬億美元的體量,。

3D打印作為新興的技術(shù)，為什么能一夜之間與擁有3000年歷史的“等材制造”,、300年歷史的“減材”制造平起平坐,？它在制造業(yè)有什么樣的“魔力”？或許在30多年前,，盧秉恒在美國汽車公司第一次看到這項(xiàng)技術(shù)時(shí)就找到了答案,。

“3D打印對(duì)于制造業(yè)而言，有助于提升其質(zhì)量和發(fā)展水平,。它能克服中國制造的‘心臟病’,。”盧秉恒說,。

飛機(jī)的“心臟”——發(fā)動(dòng)機(jī),，正是制造的一大難點(diǎn)。但3D打印的出現(xiàn),，成為其重要轉(zhuǎn)折點(diǎn),。盧秉恒團(tuán)隊(duì)正在與飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)合作，用3D打印的技術(shù)制造葉片,，并正在進(jìn)行工程化的驗(yàn)證,。

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，傳統(tǒng)以精密鑄造法制造,，葉片鑄造需要用精密鑄型,。因?yàn)槿~片形狀復(fù)雜,，需要分成多個(gè)型芯、型殼,，然后裝配起來,，難度很大,。裝配有間隙造成多個(gè)零件裝配后精度難以保證,，存在安裝誤差，尤其在澆注過程中,，金屬溶液沖刷導(dǎo)致型芯位置變動(dòng),，最后導(dǎo)致葉輪制造誤差，造成廢品等,。

采用3D打印,，則可將鑄型一體化打印，免除廢品,，葉片鑄造的一致性也得到保證,。傳統(tǒng)的工藝中，葉片鑄造的廢品率高達(dá)60%,，相比之下,，3D打印使得成功率達(dá)80%以上。

3D打印助力制造業(yè)產(chǎn)品,、裝備的創(chuàng)新設(shè)計(jì),。

“好的設(shè)計(jì)并不見得能落地，有些零件形狀過于復(fù)雜,，傳統(tǒng)工藝無法實(shí)現(xiàn),，3D打印則可以滿足設(shè)計(jì)師的‘所想即所得’的愿望，為創(chuàng)新開拓了很大的空間,�,！北R秉恒興奮地說道。

美國GE公司,，在這方面嘗到了甜頭,，作為3D打印用在工業(yè)中“第一個(gè)吃螃蟹”的公司，它嘗試用3D打印技術(shù)做飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油嘴,，結(jié)果將傳統(tǒng)工藝需要做的20多個(gè)零件變成了1個(gè)零件打印,，使得噴油嘴的一致性得到提高，燃燒效率也大幅提升,。

“3D打印對(duì)于制造業(yè)而言,，也可以節(jié)約材料�,！庇行╊I(lǐng)域的材料利用率不高,，如航空航天的一些零件,，傳統(tǒng)方法是做減法，不少零件在制作過程中,，有些材料甚至被切削掉97%,，造成極大浪費(fèi)。C919主梁就是一個(gè)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的薄壁件,，切削加工被切掉的材料高達(dá)95%,。

“如果采用3D打印，需要被切削的就很少了,，哪需要材料就打印在哪,，材料大大得到節(jié)約�,！�

3D打印對(duì)制造業(yè)的影響是毋庸置疑的,，但由于材料、成本和打印速度等限制,，不少人認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)更多只能應(yīng)用于高端制造領(lǐng)域,。

盧秉恒反駁說，“隨著技術(shù)的發(fā)展,，各種高效率,、低成本的打印方法也不斷涌現(xiàn)，3D打印也會(huì)逐漸從個(gè)性化領(lǐng)域走向批量化制造,�,！�


打印材料是下一個(gè)發(fā)展重點(diǎn)
實(shí)現(xiàn)先進(jìn)制造，必須材料先行,。

國內(nèi)的3D打印發(fā)展的初期,，更多的是技術(shù)跟蹤。在這個(gè)階段更關(guān)注的是打印設(shè)備和工藝過程,，而打印材料制備方面的研究和優(yōu)選相對(duì)較薄弱,。

隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，對(duì)3D打印的訴求從產(chǎn)品開發(fā)階段上升為復(fù)雜產(chǎn)品小批量制造的階段,，制造業(yè)對(duì)于3D打印材料的品質(zhì)和性能的要求越發(fā)迫切,。

相關(guān)資料顯示，目前國內(nèi)的基礎(chǔ)3D打印材料已基本滿足國產(chǎn)設(shè)備的增材制造需要,，但高性能金屬粉材依然依賴進(jìn)口,，國產(chǎn)材料在純凈度、顆粒度,、均勻度,、球化度、含氧量等對(duì)打印成品性能影響較大的原料指標(biāo)方面,，相比國外仍存在較大的差距,。

材料依賴進(jìn)口,，難免受制于人。材料價(jià)格居高不下,，成為3D打印的市場(chǎng)應(yīng)用和推廣的“攔路虎”,。

7月7日（2021年），在接受《大國之材》采訪前,，盧秉恒飛了一趟甘肅金昌市,。盧秉恒的團(tuán)隊(duì)正在與當(dāng)?shù)匾患疑鲜泄�司探討展開3D打印金屬粉末材料制備的合作。

盧秉恒團(tuán)隊(duì)緊盯新技術(shù)趨勢(shì),，研發(fā)出一項(xiàng)目前國內(nèi)外最新的第三代制粉技術(shù),，用先進(jìn)的射頻等離子技術(shù)制備出的粉末純實(shí)心,、無子母球,、性能優(yōu)異。

盧秉恒有些興奮地向《大國之材》介紹了這項(xiàng)新技術(shù),，這項(xiàng)制粉的技術(shù)溫度可以達(dá)到很高,，適應(yīng)各種金屬、陶瓷等粉末的制備,。

“不過,，并非所有的應(yīng)用領(lǐng)域都像航空航天般對(duì)零件的強(qiáng)度、抗疲勞性的要求高,，氣霧法和甩出法制備的粉末都各有其市場(chǎng)的定位,。”

目前,，新合金材料開發(fā)的先進(jìn)技術(shù)是材料基因組設(shè)計(jì),，但理論的設(shè)計(jì)尚需要驗(yàn)證。傳統(tǒng)的冶金過程耗時(shí)耗財(cái),，使新材料的誕生很難,。盧秉恒提出可以用3D打印作為材料基因組設(shè)計(jì)方案的驗(yàn)證平臺(tái)，為新合金的研發(fā)開辟了一個(gè)通途,。真正材料,、結(jié)構(gòu)一體化的創(chuàng)新方法將大大推動(dòng)裝備制造的發(fā)展。

“3D打印材料的研究,，一定會(huì)成為下一個(gè)重點(diǎn),，無論是對(duì)科研還是產(chǎn)業(yè)發(fā)展�,！�

標(biāo)準(zhǔn)是未來的基石
國內(nèi)3D打印產(chǎn)業(yè)逐漸發(fā)展起來,，但盧秉恒始終在緊盯著與國際的差距。

3D打印能打印什么,？當(dāng)國內(nèi)市場(chǎng)上擺著3D打印的觀賞性擺件的時(shí)候,，有些國外民間公司已經(jīng)開始用它制造火箭,。據(jù)外媒報(bào)道，一家創(chuàng)立3年的公司—— Relativity Space就是這么干的,。

他們正在制造一枚中型軌道火箭,，95％的部件是由3D打印制造，生產(chǎn)出的火箭零件將比傳統(tǒng)生產(chǎn)的少100倍,。其發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器和腔室僅由三個(gè)3D打印部件組成,，而這些部件以傳統(tǒng)的方式制造則需要近3000個(gè)部件。

值得一提的是火箭制造速度,，在60天內(nèi)讓火箭完成從"一堆原材料"到“登上發(fā)射臺(tái)“的轉(zhuǎn)變,。

作為“中國3D打印教父” ，盧秉恒也一直在思考3D打印與太空的關(guān)系,。他提出“太空3D打印的設(shè)想”,，“太空3D打印，把太空作為一個(gè)制造基地,，不是遙遠(yuǎn)的概念,，而是一個(gè)緊迫的目標(biāo)！”

在宇宙探索中,，發(fā)射成本是很重要的一項(xiàng)成本,。如果在月球上進(jìn)行制造航天器，然后進(jìn)行發(fā)射,，它的成本或比地球上節(jié)約幾十分之一,。此外，太空中進(jìn)行3D打印有諸多優(yōu)勢(shì),，在真空中打印不會(huì)發(fā)生氧化等現(xiàn)象,、太陽能充足。此外太空中無重力,，用很小的設(shè)備就可以制造大部件,。盧秉恒勾勒出太空3D打印的景象。

然而真正進(jìn)行火箭的打印,，需要建立起包括數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)體系,。“國外在數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方面進(jìn)行了大量的研究,，我們也應(yīng)該大力加緊數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的工作,。”

對(duì)于數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè),，盧秉恒一直掛在心上,，在出席的論壇上不斷地強(qiáng)調(diào)其緊迫性。

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)對(duì)于3D打印有多重要？

近30年的發(fā)展,，3D打印產(chǎn)業(yè)衍生出各種工藝,、材料和設(shè)備。但因?yàn)槿狈�統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),，在合作的時(shí)候,，就會(huì)面臨數(shù)據(jù)不夠統(tǒng)一的現(xiàn)象，造成應(yīng)用,、開發(fā)困難,。

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)可以讓企業(yè)通過大數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)最優(yōu)工藝，從而優(yōu)化工藝參數(shù),。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流動(dòng),，可以解決中小企業(yè)對(duì)這些工藝知識(shí)掌握的困難�,！罢l拿到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn),，誰就掌握主動(dòng)權(quán)�,！�

“國內(nèi)對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)進(jìn)展還往往處于討論階段,�,！北R秉恒表示,，以前大家所理解的標(biāo)準(zhǔn)是收集材料然后討論，但實(shí)際是需要大量的實(shí)驗(yàn)及其數(shù)據(jù)的分析研究,。

“標(biāo)準(zhǔn)制定的工作正在逐步推進(jìn),，目前國內(nèi)的增材制造專門有個(gè)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)在推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。我們要把企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn),、團(tuán)體的標(biāo)準(zhǔn),、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)，一起推動(dòng)起來,，將標(biāo)準(zhǔn)體系盡早確定,。”


中國3D打印的教父
中國3D打印產(chǎn)業(yè)日益強(qiáng)大,，盧秉恒卻逐漸衰老,。

如今已古稀之年的盧秉恒，在為3D打印四處奔波的身影,，和年輕時(shí)的他一樣激情未變,。

每天工作安排很滿，這位年逾七十的老人家身體里,，早在十幾年前就已經(jīng)安裝了4個(gè)心臟支架,。

在業(yè)內(nèi)，盧秉恒被稱為“中國3D打印的教父”,，這個(gè)稱號(hào)是有來歷的,。

尚在念高中的時(shí)候,，盧秉恒就是位有志青年。當(dāng)時(shí)處于國家最困難的時(shí)期,，他一邊吃著黑饅頭一邊看報(bào)紙,，看勵(lì)志文章，“奮發(fā)圖強(qiáng)”四個(gè)字鐫刻在他的腦海里,。

當(dāng)時(shí)就感覺火箭很先進(jìn)的盧秉恒,，想報(bào)考學(xué)習(xí)火箭專業(yè)，因?yàn)楫?dāng)時(shí)出身問題,，不能報(bào)考保密專業(yè),，只好念了機(jī)械制造專業(yè)。

畢業(yè)后,，進(jìn)入工廠當(dāng)工人,，在工廠的工作很輕松。這是一家做儀表的工廠,，每天8小時(shí)工作量只用2小時(shí)就完成了,。其余時(shí)間只能聊天和玩，盡管生活得很輕松,，但他心里一直很苦惱,，不甘十幾年寒窗苦讀就這樣浪費(fèi)，一直想找個(gè)發(fā)展機(jī)會(huì),。改革開發(fā)提供了機(jī)遇,，30多歲的他又重拾書本，攻讀碩士,、博士,，留校科研,，所學(xué)有了用武之地,。

90年代初，他去美國汽車公司考察,，現(xiàn)場(chǎng)看到了3D打印技術(shù)一下子把一個(gè)零件做出來了,，那一刻，他已意識(shí)到這個(gè)技術(shù)對(duì)于中國制造業(yè)的重要價(jià)值,�,；貒�后，他把出國前剩下的十幾萬科研經(jīng)費(fèi)全部投入3D打印研發(fā),。

招聘幾個(gè)研究生就開始干,，很多同學(xué)勸他，這事沒有幾百萬是干不成的，別浪費(fèi)時(shí)間和精力,。但盧秉恒堅(jiān)信3D打印在工業(yè)應(yīng)用中的價(jià)值,，覺得應(yīng)該去研究，“固執(zhí)”的他繼續(xù)展開他的研究,。與此同時(shí),，他也在找機(jī)會(huì)爭(zhēng)取國家層面的支持。

1994年,，科技部召開先進(jìn)制造技術(shù)會(huì)議,。按照慣例，當(dāng)時(shí)還是副教授的他并沒有預(yù)定的發(fā)言,，所幸的是,，這場(chǎng)會(huì)議給了自由發(fā)言的機(jī)會(huì)，盧秉恒激動(dòng)地跳上講臺(tái),，當(dāng)著幾百個(gè)科研工作者,，介紹了這項(xiàng)先進(jìn)的制造技術(shù)。

會(huì)議結(jié)束后,，科技部秘書長(zhǎng)找到盧秉恒,，問他能不能寫個(gè)建議書，盧秉恒激動(dòng)地答應(yīng)了,，當(dāng)晚寫好就呈交上去,。

當(dāng)時(shí)并未抱多大希望的他，在半個(gè)多月后接到一個(gè)通知,，說科技部準(zhǔn)備考察他的項(xiàng)目,。機(jī)會(huì)是留給有準(zhǔn)備的人，由于預(yù)先研發(fā)的原理樣機(jī),，考察獲得通過，盧秉恒如愿以償?shù)氐玫搅藝�家層面的支持�?br />
就這樣,，盧秉恒徹底沉浸在3D打印的事業(yè)中,。SLA設(shè)備迅速得以研發(fā)，使我國的技術(shù)進(jìn)入企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用中,，中國的3D打印有了良好的起步,。

一轉(zhuǎn)眼二十多年過去了，中國3D打印產(chǎn)業(yè)取得了飛速的發(fā)展,。在盧秉恒的腦海中,，有這樣一幅景象，3D打印應(yīng)用在各個(gè)行業(yè),，形成 “3D打印+”,，“‘3D打印+’的領(lǐng)域都會(huì)帶來諸多制造業(yè)的創(chuàng)新，這就是未來的發(fā)展趨勢(shì)�,！�

盡管七十多歲,，盧秉恒仍舊保持著游泳的習(xí)慣，在和他聊天的過程中,，也不難發(fā)現(xiàn)他的反應(yīng)速度和思路依舊很敏捷和清晰,。

他的愿望是趁著自己還能多做些事情的時(shí)候，多為3D打印做些有價(jià)值的事情,，“國家風(fēng)風(fēng)雨雨這么多年,，現(xiàn)在有這么好的機(jī)遇，我們應(yīng)該抓緊時(shí)間做好,，不能再浪費(fèi)時(shí)間了,。”