1万亿美元规模，卢秉恒院士说3D打印技术可克服中国制造“心脏病”

来源：新材料在线


卢秉恒院士被誉为“中国3D打印的教父”。即便身体里搭了4个心脏支架，但他始终躬身于推进中国3D打印事业的发展，每天忙得像陀螺一样团团转。

“中国制造业规模预计会达到3万亿美元，3D打印所创造的价值将占三分天下，即占据约1万亿美元的规模。”满头白发的卢秉恒院士在描绘3D打印发展蓝图的时候，中气十足。

由于他的行程比较紧张，这段谈话仅持续了一个多小时。不过，当聊到了3D打印对制造业的助力、技术优势、发展现状、不足以及未来时，他的眼神时而明亮，时而焦灼，时而热切起来。

1万亿美元的规模
中国迈入3D打印世界的时间，是在1996年。这一年，正是卢秉恒的3D打印研究项目得到国家科技部支持的第二年。

沧海桑田，24载过去，中国的3D打印产业早已遍地开花。这项在当年并不被人看好的科研项目，在卢秉恒的坚持下得以继续。其对于制造业的意义，卢秉恒早已预见到了。

对于3D打印产业的发展速度，他是欣喜的。近10年，国内金属3D打印设备的增长在印证3D打印产业高速发展这一事实，2019年相比2018年增加300%。放眼至全世界，每年的发展速度也达到了20%~30%。

制造，从技术上而言，可分为增材、等材、减材三种。卢秉恒预测，未来这三种技术将是“三分天下”的局面，这也意味着中国制造业体量近3万亿美元，增材制造将会占1万亿美元的体量。

3D打印作为新兴的技术，为什么能一夜之间与拥有3000年历史的“等材制造”、300年历史的“减材”制造平起平坐？它在制造业有什么样的“魔力”？或许在30多年前，卢秉恒在美国汽车公司第一次看到这项技术时就找到了答案。

“3D打印对于制造业而言，有助于提升其质量和发展水平。它能克服中国制造的‘心脏病’。”卢秉恒说。

飞机的“心脏”——发动机，正是制造的一大难点。但3D打印的出现，成为其重要转折点。卢秉恒团队正在与飞机发动机企业合作，用3D打印的技术制造叶片，并正在进行工程化的验证。

飞机发动机叶片，传统以精密铸造法制造，叶片铸造需要用精密铸型。因为叶片形状复杂，需要分成多个型芯、型壳，然后装配起来，难度很大。装配有间隙造成多个零件装配后精度难以保证，存在安装误差，尤其在浇注过程中，金属溶液冲刷导致型芯位置变动，最后导致叶轮制造误差，造成废品等。

采用3D打印，则可将铸型一体化打印，免除废品，叶片铸造的一致性也得到保证。传统的工艺中，叶片铸造的废品率高达60%，相比之下，3D打印使得成功率达80%以上。

3D打印助力制造业产品、装备的创新设计。

“好的设计并不见得能落地，有些零件形状过于复杂，传统工艺无法实现，3D打印则可以满足设计师的‘所想即所得’的愿望，为创新开拓了很大的空间。”卢秉恒兴奋地说道。

美国GE公司，在这方面尝到了甜头，作为3D打印用在工业中“第一个吃螃蟹”的公司，它尝试用3D打印技术做飞机发动机的喷油嘴，结果将传统工艺需要做的20多个零件变成了1个零件打印，使得喷油嘴的一致性得到提高，燃烧效率也大幅提升。

“3D打印对于制造业而言，也可以节约材料。”有些领域的材料利用率不高，如航空航天的一些零件，传统方法是做减法，不少零件在制作过程中，有些材料甚至被切削掉97%，造成极大浪费。C919主梁就是一个大型复杂结构的薄壁件，切削加工被切掉的材料高达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，材料大大得到节约。”

3D打印对制造业的影响是毋庸置疑的，但由于材料、成本和打印速度等限制，不少人认为这项技术更多只能应用于高端制造领域。

卢秉恒反驳说，“随着技术的发展，各种高效率、低成本的打印方法也不断涌现，3D打印也会逐渐从个性化领域走向批量化制造。”


打印材料是下一个发展重点
实现先进制造，必须材料先行。

国内的3D打印发展的初期，更多的是技术跟踪。在这个阶段更关注的是打印设备和工艺过程，而打印材料制备方面的研究和优选相对较薄弱。

随着3D打印技术的发展，对3D打印的诉求从产品开发阶段上升为复杂产品小批量制造的阶段，制造业对于3D打印材料的品质和性能的要求越发迫切。

相关资料显示，目前国内的基础3D打印材料已基本满足国产设备的增材制造需要，但高性能金属粉材依然依赖进口，国产材料在纯净度、颗粒度、均匀度、球化度、含氧量等对打印成品性能影响较大的原料指标方面，相比国外仍存在较大的差距。

材料依赖进口，难免受制于人。材料价格居高不下，成为3D打印的市场应用和推广的“拦路虎”。

7月7日（2021年），在接受《大国之材》采访前，卢秉恒飞了一趟甘肃金昌市。卢秉恒的团队正在与当地一家上市公司探讨展开3D打印金属粉末材料制备的合作。

卢秉恒团队紧盯新技术趋势，研发出一项目前国内外最新的第三代制粉技术，用先进的射频等离子技术制备出的粉末纯实心、无子母球、性能优异。

卢秉恒有些兴奋地向《大国之材》介绍了这项新技术，这项制粉的技术温度可以达到很高，适应各种金属、陶瓷等粉末的制备。

“不过，并非所有的应用领域都像航空航天般对零件的强度、抗疲劳性的要求高，气雾法和甩出法制备的粉末都各有其市场的定位。”

目前，新合金材料开发的先进技术是材料基因组设计，但理论的设计尚需要验证。传统的冶金过程耗时耗财，使新材料的诞生很难。卢秉恒提出可以用3D打印作为材料基因组设计方案的验证平台，为新合金的研发开辟了一个通途。真正材料、结构一体化的创新方法将大大推动装备制造的发展。

“3D打印材料的研究，一定会成为下一个重点，无论是对科研还是产业发展。”

标准是未来的基石
国内3D打印产业逐渐发展起来，但卢秉恒始终在紧盯着与国际的差距。

3D打印能打印什么？当国内市场上摆着3D打印的观赏性摆件的时候，有些国外民间公司已经开始用它制造火箭。据外媒报道，一家创立3年的公司—— Relativity Space就是这么干的。

他们正在制造一枚中型轨道火箭，95％的部件是由3D打印制造，生产出的火箭零件将比传统生产的少100倍。其发动机喷油器和腔室仅由三个3D打印部件组成，而这些部件以传统的方式制造则需要近3000个部件。

值得一提的是火箭制造速度，在60天内让火箭完成从"一堆原材料"到“登上发射台“的转变。

作为“中国3D打印教父” ，卢秉恒也一直在思考3D打印与太空的关系。他提出“太空3D打印的设想”，“太空3D打印，把太空作为一个制造基地，不是遥远的概念，而是一个紧迫的目标！”

在宇宙探索中，发射成本是很重要的一项成本。如果在月球上进行制造航天器，然后进行发射，它的成本或比地球上节约几十分之一。此外，太空中进行3D打印有诸多优势，在真空中打印不会发生氧化等现象、太阳能充足。此外太空中无重力，用很小的设备就可以制造大部件。卢秉恒勾勒出太空3D打印的景象。

然而真正进行火箭的打印，需要建立起包括数据标准在内的标准体系。“国外在数据标准方面进行了大量的研究，我们也应该大力加紧数据标准建设的工作。”

对于数据标准的建设，卢秉恒一直挂在心上，在出席的论坛上不断地强调其紧迫性。

数据标准的建设对于3D打印有多重要？

近30年的发展，3D打印产业衍生出各种工艺、材料和设备。但因为缺乏统一的标准，在合作的时候，就会面临数据不够统一的现象，造成应用、开发困难。

数据标准可以让企业通过大数据分析发现最优工艺，从而优化工艺参数。实现数据流动，可以解决中小企业对这些工艺知识掌握的困难。“谁拿到这个标准，谁就掌握主动权。”

“国内对于标准的建设进展还往往处于讨论阶段。”卢秉恒表示，以前大家所理解的标准是收集材料然后讨论，但实际是需要大量的实验及其数据的分析研究。

“标准制定的工作正在逐步推进，目前国内的增材制造专门有个标准委员会在推进标准的制定工作。我们要把企业的标准、团体的标准、行业标准和国家标准，一起推动起来，将标准体系尽早确定。”


中国3D打印的教父
中国3D打印产业日益强大，卢秉恒却逐渐衰老。

如今已古稀之年的卢秉恒，在为3D打印四处奔波的身影，和年轻时的他一样激情未变。

每天工作安排很满，这位年逾七十的老人家身体里，早在十几年前就已经安装了4个心脏支架。

在业内，卢秉恒被称为“中国3D打印的教父”，这个称号是有来历的。

尚在念高中的时候，卢秉恒就是位有志青年。当时处于国家最困难的时期，他一边吃着黑馒头一边看报纸，看励志文章，“奋发图强”四个字镌刻在他的脑海里。

当时就感觉火箭很先进的卢秉恒，想报考学习火箭专业，因为当时出身问题，不能报考保密专业，只好念了机械制造专业。

毕业后，进入工厂当工人，在工厂的工作很轻松。这是一家做仪表的工厂，每天8小时工作量只用2小时就完成了。其余时间只能聊天和玩，尽管生活得很轻松，但他心里一直很苦恼，不甘十几年寒窗苦读就这样浪费，一直想找个发展机会。改革开发提供了机遇，30多岁的他又重拾书本，攻读硕士、博士，留校科研，所学有了用武之地。

90年代初，他去美国汽车公司考察，现场看到了3D打印技术一下子把一个零件做出来了，那一刻，他已意识到这个技术对于中国制造业的重要价值。回国后，他把出国前剩下的十几万科研经费全部投入3D打印研发。

招聘几个研究生就开始干，很多同学劝他，这事没有几百万是干不成的，别浪费时间和精力。但卢秉恒坚信3D打印在工业应用中的价值，觉得应该去研究，“固执”的他继续展开他的研究。与此同时，他也在找机会争取国家层面的支持。

1994年，科技部召开先进制造技术会议。按照惯例，当时还是副教授的他并没有预定的发言，所幸的是，这场会议给了自由发言的机会，卢秉恒激动地跳上讲台，当着几百个科研工作者，介绍了这项先进的制造技术。

会议结束后，科技部秘书长找到卢秉恒，问他能不能写个建议书，卢秉恒激动地答应了，当晚写好就呈交上去。

当时并未抱多大希望的他，在半个多月后接到一个通知，说科技部准备考察他的项目。机会是留给有准备的人，由于预先研发的原理样机，考察获得通过，卢秉恒如愿以偿地得到了国家层面的支持。

就这样，卢秉恒彻底沉浸在3D打印的事业中。SLA设备迅速得以研发，使我国的技术进入企业的产品开发应用中，中国的3D打印有了良好的起步。

一转眼二十多年过去了，中国3D打印产业取得了飞速的发展。在卢秉恒的脑海中，有这样一幅景象，3D打印应用在各个行业，形成 “3D打印+”，“‘3D打印+’的领域都会带来诸多制造业的创新，这就是未来的发展趋势。”

尽管七十多岁，卢秉恒仍旧保持着游泳的习惯，在和他聊天的过程中，也不难发现他的反应速度和思路依旧很敏捷和清晰。

他的愿望是趁着自己还能多做些事情的时候，多为3D打印做些有价值的事情，“国家风风雨雨这么多年，现在有这么好的机遇，我们应该抓紧时间做好，不能再浪费时间了。”