AMCC2018：卢秉恒院士《智能制造与3D打印》主题演讲

2018年7月26日，在杭州举办的2018中国增材制造产业发展高峰论坛上，中国工程院院士、西安交通大学教授、博士生导师卢秉恒做了《智能制造与3D打印》的主题演讲，以下是本次演讲的实录：

各位嘉宾、各位领导，我来给大家介绍一下关于增材制造技术和产业的发展。

增材制造对于中国制造来说是非常需要的，因为中国在制造方面还是很强的，但是在产品的开发能力严重不足，而增材制造给我们补足了这个短板，它可以先把我们的设计利用很短的流程进行迭代，作出样机，评价、分析，确定了设计之后再进行生产。

这是被世界各国都采用的技术，美国奥巴马政府就提出，怎么样用一半的时间和一半的费用来去完成新产品的开发。

增材制造最近几年发展非常快，几乎年增长率20%几到40%几，FDM尤其是迎合了创客的需要和教育的需要，发展非常快。SLA在产品开发中发挥了重要作用，近几年金属3D打印机发展非常快，2017年比2016年设备的销售量增加了80%，占据了3D设备的51%。

对大型结构件来说，用丝材来进行熔化可以是更好的方法，它的能源可以是激光的，也可以是电子束的，也可以是电弧的，就像传统的电焊一样。这个技术已经可以做到尺寸大于2米、5米，甚至已经做到8米，用电子束进行熔融堆积的，也有用电弧堆积的，我们实验室已经做到2米，在做5米6米的装备。还有把更多传统技术用于3D，因为这是用了层层堆积的概念，例如铸造，可以进行一层层铸造来形成3D新的技术。当然在每一层铸造中可以采取锻打的办法，来提高它的强度，增加结构材料的致密度，来提高它的性能。我们也做了很多实验，认为是大型结构件高效的制造方法，可以达到每小时5公斤甚至10公斤。

在金属3D打印中一个最重要的问题是我们怎么样能够使结构件强度能够提高，这里面有很重要的问题需要进行研究。我们知道，无论是铸造还是锻压，人们都一直在研究凝固学理论，尤其是铸造，但是铸造和焊接中熔融规模比较大，所以在宏观的体积内来进行冷却和凝固。在3D打印中无论是激光束还是电子束，它的熔池比较小，所以从理论分析，小的熔池产生的缺陷肯定要小的多，所以材料结构的强度能够得到提高。但是怎么样控制它的一些晶粒的生长，晶粒增长的幅度影响了大小，影响了结构强度。所以实际上它是一个在强非平衡态凝固学理论，但可惜现在还没有能够完全认识到这样的科学问题。所以无论是对热应力的分析等等还处于实验阶段，还不能形成很好的理论来指导这个事情。

最近几年增材制造一些创新不断涌现，像面曝光的技术，用光固化的原理，材料像拉拔一样快速上升，这样使效率提高了50倍到100倍。像金属打印，用一体技术打印的概念也出来了，虽然是用光固化的材料加上粉末，也可以把陶瓷粉末用于这个办法进行打印。打印过以后需要进行脱脂、烧结。所以3D是一个崭新的概念，但是在这个崭新的概念中可以把传统的制造技术进行融合，来产生一些新的创新技术。

功能梯度的材料也越来越引起人们的高度重视，就像刚才弗朗恩霍夫研究院教授讲的一样，用两种技术、三种技术甚至更高的技术。还有一种是把材料分层，不同材料在不同层出现，我们就可以知道在表面是耐磨的、耐腐蚀的，里面的是强硬的，韧性好的，再里面就像人体的骨头一样，是一个疏松的结构，是一个蜂窝状结构，这是增强刚性来减轻重量的。这些东西在航空航天都有了很重要的用途，当然还有复合材料的应用，也是一个非常重要的方面。在这些方面我们需要关注的是，在材料腐蚀中界面会发生什么样的变化，界面的作用力以及3D结构形成的过程不一样，温度环境和其他物理环境不一样，这样会不会引起界面内应力的增加而影响性能，这都是需要研究的问题。

我们在这方面应用前景还是非常广的，像汽车、飞机和航天结构，都需要减轻重量，但需要高的强度或高的刚度，就需要复合材料。当然纤维复合材料中有长纤维的复合材料，像碳纤维的汽车车身，当然也可以用短纤维的复合材料去制造，这里面是有优势的。长纤维复合材料车身的制造可能技术上还有很多的难关，在表面比较展开的一些曲面上是比较容易制造的，但是在曲力变化比较大的一些凹凸结构的比较难以实现。但我们也可以用短纤维或树脂复合解决这个问题，也可以达到很好的强度。所以综合我们所获得性能的改善以及经济性和工艺可实验性，之间要平衡。这在汽车制造中，我认为可能是前景比较大的，短纤维复合材料可能更容易实现，因为它仍然可以用模具制造，所以能够适应汽车大批量生产。当然，长纤维的也可以用来制造样车，在样车制造中我们可以花费比较大的代价来完成一些更好的性能。所以3D打印在应用中要发挥它更好的效应，必须和传统的制造相结合，来综合平衡它的性能和成本。

3D打印最近在各种高端制造，在航空航天得到了很大的发展。由于3D打印对复杂形状零件的适应性，它可以把很多零件集成在一个零件上，这样是传统制造没法儿实现的，所以在航空中，火箭发动机零件个数就减少了80%，可以把很多焊缝用3D打印来实现，甚至有说法提出3D的出现会不会使焊接变得没有用了，当然这不是绝对的，但是很多方面可以用3D打印来代替，这样来减少焊缝带来的强度的破坏以及一些可能发生的故障。

3D打印用于建筑，现在也开始了很多探索，目前打印低层建筑日渐成熟，用的越来越广泛了。高层的建筑还有一定的难度，这方面有待于材料的改进和材料打印工艺的发展。

西安交大从上个世纪九十年代就开始3D打印，但主要是完成以3D打印为核心产品快速开发的技术，这方面和传统的制造技术相结合。例如我们做家电设计的时候可以用硅橡胶去复制模具。我们在做汽车覆盖件的时候可以用技术喷涂法覆盖模具，我们曾经用100天时间做了两款车全部外覆盖的模具，成本就是100万人民币，如果我们正规制造模拟的办法投入要几个亿甚至是10亿以上，要一年多的时间，所以这样以来就大大节约了产品开发中所需要的费用和时间。

所以3D打印可以应用的领域越来越宽广，各种民用的消费品、文化创意产品、建筑的设计。可以直接用于航空航天的结构，这方面国内很多研究单位做了大量的工作，已经用在飞机结构件的承载件，用在C919很多零件上。现在中国民用飞机也有自己的目标，像上海商发准备80%的零件都用3D打印来支持研发。像GE公司也已经有三分之一的飞机发动机零件用3D打印进行生产。所以这方面越来越显示3D打印一些技术颠覆性。

充分发挥3D打印个性化的特征，用于下额骨个性化的替代，2000年我们就做了这个实验，也是国内做的最早的，去年得到了国家药监局的批号。同时3D打印用于医疗，在牙科的修复方面，在矫形方面，还可以用于癌症的靶向治疗，通过3D打印导航模板，能够使药物沿着准确的路径送到癌细胞那里去，来实行精准的化疗。也可以用于矫形，20几个脊椎骨在矫形定位的时候怎么打孔。

3D打印和传统铸造技术相结合，可以形成一些精密铸造，一次性的铸造好燃起机的涡轮盘，我们铸造出来的涡轮盘已经在压缩机上运行一年多了，安全可靠，速度达到400。用于柴油机精密铸件的3D打印。

为了推动3D打印的发展，工信部支持13家企业联合成立了增材制造业创新中心，目的是填平技术研究和产业化之间的鸿沟，来为行业提供一些共性技术，像一些标准方面的技术，也提供一些关键元器件的制造，也包括一些优化的工艺方面的服务。

平台建设方面，我们建立了共性技术研究平台、公共测试平台或制造服务的平台和一个教育培训基地，这方面的工作正在进行中。

同时3D打印的云服务，也使3D打印可以发挥它的重要应用的平台作用。我们准备建立一个软件平台，能够使全国几百家3D打印服务企业和制造业的很多用户能密切联系起来。因为中国3D打印的一些企业都比较分散，比较弱小，有的有几台设备，有的甚至有一两台设备，但是他们平时接不到单，接到单又来不及完成，我们用云平台去沟通3D打印业务的需求和大批中小企业，这样使他们的资源能够得到优势的发挥，又能够使制造需求得到最快的响应。同时我们用云服务平台也做工艺的优化工作，能够解决中小企业在3D打印，在工艺方面的一些困惑问题，帮助提升我们这方面的水平。目前我们建设了100多台设备，到19年底将拥有80多台增材制造设备和50多台测试设备。

3D打印面临的挑战是怎么样从控形到控形控性，从宏观到微纳，现在做智能制造需要很多的传感器，传感器以前是微电子工业制造的，它必须有很大的批量才划得来，例如要上百万件。但是制造业所需要的一些量非常小，批度非常多，就适合用3D打印来制造。3D打印按照我们能够制造复杂形状的优势和对产品结构进行改造，进行再设计，再设计的结果可以使很多零件结合一个零件。这是一个。第二，使热交换效率得到很大提升，可以使我们用很少的材料达到非常强的刚度和硬度。以后还会从地球发展到太空，我们把很多制造任务能不能放到太空中去？因为太空虽然有很多不利的条件，但是也有很多有利的条件，它没有重力，我们可以用一个小的设备去制造大的设备。它接近真空，所以就不会像钛合金的打印必须在氩气保护下去做。

同时中国3D打印在应用领域做的还是不错的，但是我们在自己原创的装备、原创的技术方面有相当大的差距，我们希望能够通过多学科的交叉，和材料领域、信息领域，和医疗生物领域进行交叉，来推动技术的创新。

这是增材制造发展的路线图，它从技术发展、从3D走向4D，从4D走向5D，所谓5D就是生命可降解组织和生长因子的结合，打印出来的东西能够成为器官再创技术，像人工的心脏、人工的肝脏。在应用方面的发展逐渐从上个世纪的产品原形走向3D打印的产品开发，下面走向批量生产的手段。成形材料，从树脂走向金属材料、复合材料到生物活性材料。产业的发展，从装备到各领域应用，到尖端科技。参与者，我们正在从科技界走向企业界，现在金融机构也都在追捧3D打印的创新技术，希望能够合作，社会上很多创客来用3D打印技术实现他们的创新梦想。

再给大家发一次邀请，9月6号和7号在西安也要开这么一个规模的大会，包括设备的展览，包括学术的交流，包括3D打印大赛，这是中国工程院、中国科协共同支持的，是一个国际的高端论坛，邀请在座的企业家、学者、专家能够到西安进行交流。