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(qiáng)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(bǔ)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(jìn)行迭代，作出樣機(jī)，評價、分析，確定了設(shè)計之后再進(jìn)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�？�。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(jī)發(fā)展非常快，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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(rèn)為是大型結(jié)構(gòu)件高效的制造方法，可以達(dá)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(qiáng)度能夠提高，這里面有很重要的問題需要進(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)度。所以實際上它是一個在強(qiáng)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(rèn)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(jìn)行打印。打印過以后需要進(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(jī)和航天結(jié)構(gòu)，都需要減輕重量，但需要高的強(qiáng)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(dá)到很好的強(qiáng)度。所以綜合我們所獲得性能的改善以及經(jīng)濟(jì)性和工藝可實驗性，之間要平衡。這在汽車制造中，我認(rèn)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(jī)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(qiáng)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(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)發(fā)動機(jī)零件用3D打印進(jìn)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(xì)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(jī)的渦輪盤，我們鑄造出來的渦輪盤已經(jīng)在壓縮機(jī)上運(yùn)行一年多了，安全可靠，速度達(dá)到400。用于柴油機(jī)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(jìn)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(jìn)行改造，進(jìn)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(dá)到非常強(qiáng)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(hù)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(jìn)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(jī)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(jìn)行交流。