盧秉恒院士：3D打印與創(chuàng)新設(shè)計

[西安設(shè)計大講堂秉承“與設(shè)計對話、謀共同發(fā)展”的宗旨，堅持高端、深度、前瞻、互補的特色，充分挖掘、融合科技優(yōu)勢、文化優(yōu)勢、人才優(yōu)勢。以創(chuàng)新設(shè)計、智能制造為抓手，傳播文化理念，提升絲路沿線地區(qū)的創(chuàng)新設(shè)計水平，推動國際交流與合作，為絲綢之路經(jīng)濟帶的建設(shè)作出卓越貢獻。3月30日，西安設(shè)計聯(lián)合會邀請絲綢之路創(chuàng)新設(shè)計產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟理事長盧秉恒院士，作了題為“3D打印與創(chuàng)新設(shè)計”的報告，全文如下。

絲綢之路創(chuàng)新設(shè)計產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟理事長盧秉恒院士

（廣東省增材制造協(xié)會名譽會長）

3D打印是增材制造的主流制造技術(shù)。從制造技術(shù)的分類來說，有增材制造、減材制造和等材制造，3D打印屬于增材制造，是一種把材料累加起來的制造方式。這項技術(shù)的出現(xiàn)為制造技術(shù)行業(yè)帶來一個全新的局面。據(jù)麥肯錫的分析報告，在2013年認為3D打印技術(shù)是影響我們生活和生產(chǎn)組織形態(tài)的頂尖技術(shù)之一，預計到2030年將達到萬億美元的規(guī)模。

3D打印分為幾種不同類型：
一、激光固化法，通過自外激光的照射變成固體然后累加起來；
二、用粉末、塑料粉末、金屬粉末甚至包括沙子一層一層粘接合成；
三、融化輔料絲，然后堆積起來；
四、使用金屬粉末，通過噴射的方式堆積起來，在數(shù)字的控制下將其變成我們所需要的形狀。

3D打印技術(shù)為傳統(tǒng)制造業(yè)帶來巨大的變化，大大簡化了傳統(tǒng)制造工序，將產(chǎn)品零部件數(shù)量簡化，像汽車這樣由上萬個零件構(gòu)成的產(chǎn)品能夠簡化成由幾個零件組成。目前飛機、航天的發(fā)動機已經(jīng)開始著手3D打印制造零件。并且，3D打印可以使產(chǎn)品輕量化，賦予裝備獲得更高的效率。

3D打印是一項顛覆性的技術(shù)工藝。在以往的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)節(jié)，單一件的定制是十分復雜的過程。而且由于量少，少有企業(yè)愿意承接制模過程，而3D打印正是能滿足這項制造需求。因此，在航空航天汽車醫(yī)療及電子產(chǎn)品的開發(fā)環(huán)節(jié)中，3D打印都發(fā)揮了十分重要的作用。隨著消費水平提高，大家都希望獲得個性化的產(chǎn)品，大規(guī)模的定制或者個性化定制逐漸成為產(chǎn)品制造里面的主要模式，然而3D打印正是最適合的技術(shù)。對于非常復雜的零件、原來不敢制造的甚至不敢設(shè)計的產(chǎn)品都可以制作出成品，為產(chǎn)品和裝備的提供了非常大的創(chuàng)新設(shè)計空間。

在科研方面，制作材料逐漸從一種材料的累加，變成多種材料可復合型，這樣可以把零件的表面做成耐磨的、耐腐蝕的、高強度的，內(nèi)部可以做成中空，各個階段都能使材料發(fā)揮最大的作用性能。

增材還可以走向創(chuàng)材，即是創(chuàng)造材料。目前機械加工所用到冶煉廠提供的材料，如果使用3D打印技術(shù)可以在粉床上將幾種元素合成一種新的合金。從創(chuàng)材走上創(chuàng)生，即是生命的創(chuàng)造。3D打印可以制造降解材料的人體器官，植入人體以后在生化環(huán)境下降解，降解以后變成自己的細胞，通過這項技術(shù)可以做出骨頭、心臟、肝臟。所以說3D打印為科研提供了好的制造工具。

3D打印正處于從3D走向4D、5D的發(fā)展趨勢，打印時使用智能材料，打印完成后改變溫度或者加上磁場等其他作用，可以改變使最后的成品形態(tài)與打印初始形態(tài)不同，這是個十分奇妙的過程。在一個密閉空間，預留出很小的口，打印一個可以放進去的材料，隨后改變環(huán)境的溫度改變，使其變成需要的形狀。5D打印即是如此，不僅能改變其形狀，還可以改變其功能，使其從沒有生命變成有生命的個體。

現(xiàn)階段我們正在進行細胞打印的研究，在一個虛構(gòu)的空間，用3D打印的方式將細胞堆積起來，放上不同的生化的環(huán)境，加上干細胞可以誘導出不同的組織、肌肉神經(jīng)血管。3D打印，從原來快速原型，到產(chǎn)品開發(fā)，到現(xiàn)在的批量制造，給傳統(tǒng)生產(chǎn)模式帶來了一個顛覆性的變化；其材料從最早期的樹脂到塑料、金屬材料一直研究到復合材料或者生物的活性材料。從整個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展上縱觀，最初大家做3D打印的裝備，后來延伸到在各個領(lǐng)域應用，最后走向尖端科技�？梢詴诚胛磥淼教�空上，用太空的材料在月球上建房屋，或者用很珍貴的、地球上很少的材料，做太空飛船的零件。3D打印正在從高大上的科技線走向企業(yè)，各個行業(yè)都在促進這個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

3D打印引領(lǐng)全民創(chuàng)客趨勢，在未來我們都可以使用它來實現(xiàn)自己的創(chuàng)新設(shè)計。我們的創(chuàng)新不再受體制的約束，僅需一臺3D打印機便可以自己在家打印原型和一些功能零件，可把創(chuàng)新各類設(shè)計并打印出產(chǎn)品模型，便于投資商進行項目可行性評估，全民創(chuàng)客時代就這樣到來。要構(gòu)建全新性社會，就必須破除傳統(tǒng)體制，發(fā)揮社會成員的積極性。技術(shù)的創(chuàng)新在很多方面都促進了社會的創(chuàng)新。3D打印機的普遍，使得全民能夠在家里進行創(chuàng)新設(shè)計，改變工作模式了，促進全民參與社會生產(chǎn)。

3D打印在中國的發(fā)展非常迅速，從2016年開始，3D打印的專利技術(shù)方面已經(jīng)走向全世界第二，在2017年發(fā)展到全世界第一。目前在3D打印行業(yè)，中國相對于全球的比重率由25%逐漸走向50%，2018年設(shè)備裝機數(shù)量排名從世界第四上升到第三的位置。中國在高端醫(yī)療、航空航天突破性的成果處于國際領(lǐng)先地位。2000年起，西安交大與第四軍醫(yī)大學、交大附二院合作科研并取得優(yōu)異成果。在大家都在對3D打印產(chǎn)品結(jié)實度能否適合航天的需求抱懷疑的時候，汪院士做的世界上首例3D打印的飛機起落架已經(jīng)接受了考驗。在科研、裝備的產(chǎn)業(yè)化方面，無論是金屬的、非金屬的3D打印機，我們都掌握有非常好的技術(shù)，西安一直處于領(lǐng)先的地位。于是，在西安成立了中國增材制造創(chuàng)新中心。目前一些裝備的研發(fā)都是由自主的軟件開發(fā)，但一些關(guān)鍵的光學器械或者激光器還是較多依靠進口，導致目前我國處于3D打印原創(chuàng)技術(shù)較少的狀態(tài)，但是我們相信經(jīng)過不斷的努力，一定會走向世界領(lǐng)先的地位。

使用3D打印技術(shù)制作產(chǎn)品模型可以大大減少成本，可以避免計算機的仿真模型與實際模型有區(qū)別的風險。我們研發(fā)了一套快速模具制造的技術(shù)，傳統(tǒng)模具制造十分復雜，耗資大且耗時長，使用3D打印技術(shù)制作原型外觀，在收到大眾對造型認可后裝上發(fā)動機便可以使用，這個時候我們再使用一些簡單快速的模具，來加工真正的模具。對于不同的批量，我們采用不同的制造方法，比如幾十件的可以使用硅橡膠復制模具，如果是大批量可以把原型用3D打印拷貝一個加工的電機，這樣形成一個產(chǎn)品快速開發(fā)的系統(tǒng)。

3D打印應用于各個工業(yè)領(lǐng)域，比如摩托車外形的開發(fā)、動力機械整體葉輪的設(shè)計、戒指的開發(fā)、醫(yī)療的修補、零件的精密制造等。

在一項飛機風洞的實驗中，3D打印制作的零件優(yōu)過傳統(tǒng)手工制造，對于傳感器不方便裝置、飛機重量的配重不方便確定等問題，3D打印全部可以實現(xiàn)。尤其是在汽車工業(yè)方面，相較于傳統(tǒng)使用手工、油泥刮出制作模型評估，使用3D打印制作原型更利于對汽車結(jié)構(gòu)進行分析。發(fā)現(xiàn)問題，修改數(shù)字模型即可進行重新評估。

對于小批量、個性化車制造，電動汽車制造行業(yè)，大多數(shù)仍借用燃油汽車外殼，而沒有一輛真正為電動車設(shè)計的車身外殼，正是由于在車身開發(fā)投入太多，現(xiàn)在電動汽車并沒有完全被大眾消費群體接受，仍處于考驗階段。國外已將3D打印應用到方面開發(fā)汽車的車型，很快速便可以將非常先進的車型做出來，這樣可以加速產(chǎn)品的設(shè)計，各種各樣的創(chuàng)新設(shè)計都可以實現(xiàn)。同時還可以做到輕量化，將很多零部件做成一體化。復合材料的設(shè)計，在汽車上的用途越來越廣，非常符合電動汽車的需求，電動汽車的續(xù)航里程是很重要的因素，車身輕了以后自然續(xù)航里程上升了。可以使用纖維或者玻璃纖維這類復合材料來制作車身，這些都是可以通過3D打印技術(shù)來實現(xiàn)的。并且還可以拓展到汽車零件方面。目前我們已經(jīng)涉及汽車大型模具的制造方面，并且做了專門的噴涂模具設(shè)備以及一款汽車的完整外殼。

3D打印為制造業(yè)帶來顛覆性的變革，對于航天航空領(lǐng)域的應用，使材料利用率由5%提升到85%，并且可以把制造周期由數(shù)月壓縮到幾天。盡管如此，3D打印技術(shù)制造出的零件的精度、強度、有沒有被破壞的方面仍有許多問題，這是一個全新的理論，我們?nèi)匀惶幱谘芯侩A段。

3D打印帶來全新的生產(chǎn)模式變革，大家可以在家里進行創(chuàng)意設(shè)計，并將設(shè)計產(chǎn)品擺上互聯(lián)網(wǎng)尋求投資方，這可能成為以后一個很重要的創(chuàng)新社會生產(chǎn)方式。美國GE公司曾在網(wǎng)上發(fā)布過一個使用3D打印實驗飛機結(jié)構(gòu)件的設(shè)計征集。最后在征集到700個方案，由專家挑選了十件優(yōu)秀方案。其中，第一名是一個19歲的青年設(shè)計師，他僅用了六分之一的重量、六分之一的價格，完成了這個結(jié)構(gòu)件的設(shè)計，并且剛度、強度全部合格。民間蘊藏了很大的創(chuàng)新的能力和積極性，在原來的生產(chǎn)組織下得不到發(fā)揮。在以后的飛機制造上，改一個零件，不需要一些層層批準、層層論證，直接做出來一件模型測試便能驗證。

GE公司用3D打印來制作一個飛機發(fā)動機的噴油嘴，燃油效率提高15%。他們曾使用3D打印制作一款發(fā)動機，訂單增加了400多億美金。因此GE公司決定大舉進攻3D打印，目前已收購了兩三家世界上很強的3D打印公司，并決定自主研發(fā)設(shè)備，改造它的生產(chǎn)線，預測到2030年要將一萬臺的3D打印機投入到飛機發(fā)動機的生產(chǎn)。

我國的3D打印目前處于技術(shù)發(fā)展的井噴期，既是起步期、也是企業(yè)的跑馬圈地時期。目前亞馬遜也介入3D打印行業(yè)，在網(wǎng)上組織3D打印的資源，提供服務(wù)，每年接到幾十億美金的訂單。我國政府非常支持創(chuàng)新，經(jīng)工信部論證，決定西安高新區(qū)成立國家3D打印的創(chuàng)新中心，并得到高新區(qū)領(lǐng)導的大力支持。創(chuàng)新中心聯(lián)合全國13家企業(yè)，清華、北航、華中、西工大、西交大5所大學，由20多位國內(nèi)外的專家組成專家委員會，其中國外的專家占到將近一半。

目前我們正在進行的研發(fā)方向，一個是針對于飛機發(fā)動機，一個是亮劍工程，在有了3D打印技術(shù)的支持之后，使得飛機發(fā)動機有創(chuàng)新的設(shè)計，包括葉輪盤、渦輪盤的高效設(shè)計等省了很多復雜的工序。暢想以后，到太空中去進行3D打印制造，在太空中制造地球上需要的零件。盡管太空打印有很多困難，但其能源是取之不盡，有眾多優(yōu)勢。比如，無氣壓影響生產(chǎn)效率可以提高，并且環(huán)境溫度高可生產(chǎn)耐高溫物件。

在汽車生產(chǎn)方面，與吉利研究院聯(lián)合研發(fā)“萬輛汽車工程”。利用大數(shù)據(jù)優(yōu)化工藝，并且使用大設(shè)備支撐，將全國3D打印的資源連在一起，為全國的制造業(yè)做服務(wù)。我們相信在大家的努力下，能在十年內(nèi)將中國的3D打印做到世界第二；五年內(nèi)做到裝機量第二、十年內(nèi)希望裝機量第一；銷售走在第二。到2035年之前實現(xiàn)中國制造2025。

為了把創(chuàng)新設(shè)計的成果孵化，吸引更多的3D打印的產(chǎn)業(yè)到西安聚集，我們將在西安高新區(qū)打造一個3D打印的小鎮(zhèn)，形成一個產(chǎn)業(yè)的聚集區(qū)。致力于實現(xiàn)一個技術(shù)的供應鏈，來培育3D打印的主力軍。王永康書記希望3D打印成為西安硬科技的八路軍之一。在占地1600多畝3D打印小鎮(zhèn)的規(guī)劃里面，擬投資150個億，引進十幾家核心企業(yè)，希望抓住國家創(chuàng)新的大好機遇來做好這項工作。

在技術(shù)方面仍有待推廣，比如金屬電壺噴涂的技術(shù)，斥資100多萬耗時100天的時間做了一整套的汽車復合件的模具。將3D打印用于創(chuàng)新設(shè)計，我們做了大量工作。目前我們還在研究用很輕的材料做建筑的打印，因為在建筑方面有些地方是需要有承載性能的。住建部提倡裝配式的建筑，3D打印可以做曲面的造型的、帶雕塑的、帶浮雕的，都很容易。如果把每一層的建筑重量降下來，可以減少投資，還可以給建筑師做具有創(chuàng)意的模型。

在金屬創(chuàng)新方面，使用金屬打印頭做光內(nèi)送粉部件，便可以打印封閉的球 。粉末在外層，內(nèi)層是光線，然后升級到光纖在外層，粉末在內(nèi)層，這樣制作出來的零件就會十分精細。

在3d打印特色小鎮(zhèn)的設(shè)計上，邀請各位絲綢之路創(chuàng)新設(shè)計產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟和西安設(shè)計聯(lián)合會的專家，為我們做一些優(yōu)秀的設(shè)計，完成國家交給我們的使命。3D打印小鎮(zhèn)位于高新區(qū)的核心位置，這里將是產(chǎn)業(yè)的聚集區(qū)。在未來，我們可以使用3D打印來去做文物的復制，希望在3D打印小鎮(zhèn)建立一個3D打印的博物館，主要用于展示西安當?shù)氐囊恍┪幕�資源、歷史資源、文物，我們也希望將全國各地的文物展示，例如莫高窟等。

來源：廣東省增材制造協(xié)會