沈真：3D打印的产业化之路——碳纤维的产业化进程

2018增材制造全球创新大赛发布会8月8日在北京汽车博物馆新闻发布厅举行，主办方希望通过此次大赛的发布，传递并展示3D打印增材制造这项具有前沿突破性技术的发展以及为行业带来的改变与变革，并且以此为契机，邀请行业的专家来解码这项技术在不同领域的应用以及所带来的改变和更长远的影响，并由此激发不断的对话与融合。

来到现场的多位专家都是在推动创新技术发展方面的领军人物。

沈真先生
沈真先生曾在英国帝国理工学院德国宇航研究院、意大利都灵工业大学等国外知名院所从事复合材料力学研究工作，在40多年的科研工作当中曾担任国防重点预研课题的负责人，参与了迄今为止几乎所有的飞机复合材料的研制；

郑诚功先生
郑诚功先生北京航空航天大学教授，曾任台湾（杨林）大学人工关节研发中心主任、杨林大学研究发展处研发长，担任台湾骨科研究学会理事长、世界生物力学学会理事长、世界华人生物工程学会常务理事等职，在骨科、生物力学、骨科植入领域有着近30多年的研究经历，其研究成果具有开创性和奠基性，在国际上具有极大的影响力。

蔡波先生
蔡波先生现负责西门子工业软件开发，在此之前，他在CAD、CAM、PL行业从业近24年，在不断的专业深耕当中积累了大量制造业的技能和经验，为制造业今天的数字化转型付出了辛勤的努力。））

在发布会上，三位专家也都从不同的方面代表了今天我们所说的3D打印增材制造这个技术的要素构成，包括了材料、应用以及软件和设计，接下来他们将从各自所致力和研究的领域出发，就这项技术的发展趋势、应用前景、前沿研究和成果以及为各个领域的转型升级所带来的创新动力做主题发言。

中国复合材料学会荣誉理事、SAMPE北京分会副主席、江苏恒神股份有限公司高级顾问沈真先生，他将从碳纤维的产业化进程来讲述3D打印的产业化之路。

下面是沈真先生的演讲速记：

我对3D打印仅仅是个旁观者，没有从事过，对3D打印只是感觉到它很有前途，但是我确实不是这方面的专家，我可以在碳纤维应用方面懂一点，只能从碳纤维的应用发展来谈谈体会，对3D打印这样一个新技术在将来的发展看看能不能有点启发，谈谈自己的感想。

因为3D打印现在大家都很关心，发展的也很快，但是也有很大的问题是，大家都觉得3D打印很贵很贵，给人这样一个感觉，是不是能够大量的应用？当然有很多我不一定很清楚，但是在航空航天应用的我听说过一些，他们说航空航天能应用，特别是军机的研发能接受但是非常贵，所以能不能变成一个对国家整个工业发展起很大推动作用的这样一个技术，我觉得可能还有很长一段路要走。今天让我来做这个报告，我只能谈谈碳纤维整个产业化的过程，来看看3D打印将来会怎么走。


碳纤维的优势不用说了，因为大家都知道，而且3D打印，现在实际上碳纤维复合材料也是3D打印所用的材料之一，但是对于短纤维的有点进步了，但是（连续纤维），连续纤维3D打印到底应用怎么样，在我的想象中很难，但是我也看到了一些报道，碳纤维的复合材料的优势，不用多说了，因为这是一个战略性的新材料，而且现在芯片问题是比较重视的，第二个问题我就介绍碳纤维的应用，因为碳纤维将来也会是卡脖子的环节，国产发展的道路很艰辛，从六七十年代开始做，但是到20世纪初，军用飞机想用碳纤维还没有，这十几年我们才引起了重视，开使用了，但是碳纤维大家也可以看到报道，碳纤维的应用将来肯定是，特别是在轨道交通和汽车领域将来会大量应用。


如果国产碳纤维不能解决，目前来说跟芯片一样，开始阶段我们是差不多的，搞了几十年以后，国外碳纤维已经大量用了，而且用的非常多，国内买不到国外的，国内碳纤维一直没有发展起来，好在本世纪初的时候已经给了我们一点儿教训了，军用飞机用的碳纤维买不着了，我们国内着急了就开始发展，现在国内可以做到军用飞机的碳纤维自给自足了，但是将来像在轨道交通和汽车大量用的时候，因为这是从国外可以买到的，不去搞国内的话，将来到了一定的程度，要大量用的时候，都从国外买，什么时候卡你一下，就成了中兴的芯片之痛，再来第二遍。所以国产碳纤维怎么样变的产业化的应用，现在在这方面探讨比较多。


它的优势不用说了，一个是抵抗度高，轻量化的首选材料，材料设计，抗疲劳抗腐蚀非常好。优势不用说了。但是这样一个材料，国外特别是在民用飞机上应用也经过了很多的过程，因为在军用飞机上不讲成本，开始是可以的，军用飞机用的很快，比如整个飞机机体结构占50%都用了碳纤维，军用飞机可以做到，因为不讲成本，但是民用飞机要用碳纤维必须要讲成本，讲成本这个路就比较长了，所以在很长一段时间里，从70年开使用，一直到30年，只用了10%，用到50%太难了，机翼、机身用碳纤维最大的问题是太贵了，就不可以用。这个过程经过了美国国家搞了或多计划，他们把这一个阶段一个阶段的，用到机翼机身走了40年，怎么样把它低成本化这段路走了很长的一段路。美国是每十年一个计划有好几个，这些计划有三层，信心、技术、成本。这个计划的核心都是用买得起的复合材料，Affordability，这个词贯穿了碳纤维的核心。我讲这个，增材3D打印能不能产业化应用，我和郑教授探讨了一下，对3D打印的产业化还是这三个词。


2009年12月15号，波音-787飞机，突出的一点是基本看得到的地方全是碳纤维，结构重量的50%是碳纤维复合材料，当然里面的起落架是金属的，但是看得到的部分基本上都是碳纤维，做到这一步经过了40年，我在78年到英国去看的时候，英国的军用飞机整个机身都是碳纤维的，它可以用。但是如果到民用飞机上就不行，经过了40年，这个优势成本就不说了。


实际上这里面很关键的，当时美国两院专门组织了专家讨论，实际上碳纤维的市场销量增长缓慢，因为这个问题我们国内现在碰到这个问题了，国外当初也是碰到这个问题，往往归因为原材料的高成本，因为碳纤维太贵，我想3D打印也有这个问题，3D打印好不好？太贵，可能能用，但是用不用它？材料成本实际上仅占复合材料构件总成本的8%-10%，事实上工艺制造成本是总成本中最高的单项成本，过去性能因素推动着复合材料在航空航天中的应用研究，但近年来成本则起到更大的作用，这样开发下一代民用运输机工艺的一个基本准则是低成本制造的可能性。委员会相信，在可预见的将来，发展趋势是不断开发低成本的制造工艺。刚才那个成本分析里面显示出了百分之七八十是制造工艺成本不是材料成本。


当然目前主要集中在航空航天应用，下游往工业领域应用，工业领域应用的扩大趋势是随着成本下降才能越来越多的应用，所以现在航空航天基本上已经应用了，但是下面的轨道交通，丰台产业园轨道交通也是一个重点产业，我这几年也在做轨道交通，我们做了一个地铁车箱，19米长的地铁车箱是用碳纤维做的，当然这个成本现在高一点，但是已经可以做出来了。信心可以解决了，第二技术也有了，当然还不够。第三个成本现在还需要努力。当然成本增加了，地铁每节车厢用百八十斤的碳纤维这个前景是没有问题的。汽车到百分之百可能不会，但是一辆汽车上有几十公斤的碳纤维，这个前景随着成本降低是可以实现的，到那个时候，碳纤维目前全世界产量也就几万吨，到那时候几十万吨碳纤维不一定够用，这个前景随着它的成本降低是可以实现的。


所以谈到这个问题，3D打印的产业化之路同样还是这个问题，刚才跟郑教授也谈了，我听说做飞机上用的钛合金是3D打印的，3D打印以后强度没有问题，疲劳性能怎么样？现在当然还存在一些问题，可能能做出来，但是做出来是个豆腐渣的东西行不行，所以首先需要解决安全性就是信心的问题。第二怎么打出来需要技术；第三这个技术有了，怎么样让大家能够接受。当然不一定是跟碳纤维一样大批量应用，3D打印可能都是个性化的比较多，个性化的应用也必须跟其他的，比如做一颗牙在生物上应用—人工一个个做了，起码得比人工便宜，不一定要大批量生产，但是个性化也要便宜，只有这样才能真正实现产业化。


另外连续碳纤维复合材料的3D打印，碳纤维到现在能够批量应用能否产业化很大程度上取决于工艺成本降低，连续纤维碳纤维，碳纤维包括纤维材料成本包括模具，碳纤维我们做了很多东西，很大一部分都在模具上，3D打印能不能解决这个问题，能否能为国产碳纤维的产业化走出一条新路？


我就谈到这里，谢谢！