3D打印的中國進程

楊正蓮

2012年10月中旬，中國工程院啟動調查，論證3D打印技術的“終極前景”。這項調查由中國工程院和行業(yè)專家共同參與，或將延續(xù)至2013年3月份，并在稍晚時候向國務院提交報告。

彼時，3D打印技術是否會引發(fā)第三次工業(yè)革命，已經(jīng)成為各界焦點。多位參與研討的專家告訴《中國新聞周刊》，他們被要求“科學、理性而客觀地看待這個技術”。目前初步達成的共識是，這種新的加工模式能夠解決制造業(yè)中的很多問題，至于是否能夠承擔第三次工業(yè)革命這么重大的使命，還需拭目以待。

“傳統(tǒng)技術我們很難趕上美國，在這個新的技術領域，我們已經(jīng)和他們站在同一條起跑線上?！蔽鞅惫I(yè)大學凝固技術國家重點實驗室主任黃衛(wèi)東在接受《中國新聞周刊》采訪時表示：“現(xiàn)在國家投入要是比美國大，再過5年，我們完全有信心趕在他們的前面?！?/p>

中國對3D打印的研發(fā)，已經(jīng)有了長達20多年的探索和積累。業(yè)內認為，中國在科研方面已經(jīng)頗具實力，但是在商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化方面仍不成熟。

艱難起步

1994年，西安交通大學教授盧秉恒從學校爭取到了3萬元啟動資金，另將自己此前做課題結余下來的20多萬元投了進去，仍然不夠造一臺光固化成型樣機

3D打印技術在中國興起于上個世紀八九十年代，那時美國、日本雖然提出這個概念已近十年，但是真正成規(guī)模的研發(fā)才剛剛起步。

“3D打印”是通俗叫法，學術名稱為快速成形技術。與傳統(tǒng)制造業(yè)的去除材料加工技術不同，3D打印遵從的是加法原則，可以直接將計算機中的設計轉化為模型，甚至直接制造零件或模具，不再需要傳統(tǒng)的刀具、夾具和機床。

1986年，美國誕生了世界上第一家生產(chǎn)3D打印設備的公司3D Systems。這時，一批正在美國游學訪問的中國學者率先被吸引了，回國后立刻啟動相關研發(fā)。這其中，清華大學教授顏永年是其中之一，后來被認為是中國快速成形技術的先驅人物之一。

1988年，正在美國加州大學洛杉磯分校做訪問學者的顏永年，偶然得到了一張工業(yè)展覽宣傳單，其中介紹了快速成型技術。10月底回國后，顏永年就轉攻這一領域，并多次邀請美國學者來華講學，并建立了清華大學激光快速成形中心。

最初的起步并不容易。顏永年希望從美國引進設備進行研究，但是設備太貴，不得已輾轉找到香港殷發(fā)公司尋求合作，后者是美國3D Systems的代理商。雙方達成協(xié)議，由清華大學提供場地、人員等，香港殷發(fā)公司提供設備，成立北京殷華快速成型模具技術有限公司。這是國內第一家3D打印公司，由顏永年擔任董事長，并于1994年7月通過鑒定被評為“填補國內空白”。

西安交通大學教授盧秉恒，被視為國內3D打印業(yè)的另一先驅人物。他1992年赴美做高級訪問學者，發(fā)現(xiàn)了快速成形技術在汽車制造業(yè)中的應用，回國后隨即轉向研究這一領域，1994年成立先進制造技術研究所。盧秉恒的起步，也和顏永年一樣，備受資金困擾。他從學校爭取到了3萬元啟動資金，另將自己此前做課題結余下來的20多萬元也投了進去，仍然不夠造一臺光固化成型樣機。盧秉恒跑到河南、深圳找企業(yè)投資均未成功，無奈只得從做軟件開發(fā)起步，進而試制紫外激光器、材料開發(fā)，最終東拼西湊出一臺具有基本功能的樣機。

1995年9月18日，盧秉恒的樣機在國家科委論證會上獲得很高的評價，并爭取到“九五”國家重點科技攻關項目250萬元的資助。1997年，盧秉恒團隊賣出了國內第一臺光固化快速成型機。

同一時期的華中科技大學（當時的華中理工大學），雖然從湖北省科學技術委員會得到了一筆經(jīng)費，但也同樣因為成本原因，而被迫從另外一種工藝起步。1991年，在時任校長、已故著名機械制造專家黃樹槐的主持下，華中科技大學成立快速制造中心，研發(fā)基于紙材料的快速成型設備。

華中科技大學的起步，也是緣于王運贛教授1990年在美國參觀訪問中，接觸到了剛問世不久的快速成型機。最初，王運贛他們也想從最早出現(xiàn)的基于光敏樹脂原料的光固化立體成型技術做起。然而，液態(tài)光敏樹脂材料價格太高，國內沒有賣的，進口價格是2000元人民幣1公斤，做實驗一次起碼要30公斤；相應的快速成型設備也很貴，僅僅是機器上的一個激光器都要3萬美元。

于是，華中科技大學的快速制造中心，轉攻一種以紙為原料的分層實體制造技術（LOM）。1994年，快速制造中心研制出國內第一臺基于薄材紙的LOM樣機，1995年參加北京機床博覽會時引起轟動。LOM技術制作沖模，其成本約比傳統(tǒng)方法節(jié)約1/2，生產(chǎn)周期也大大縮短。

這時期，蹣跚起步的光固化技術和分層實體制造技術等，更多用于打印產(chǎn)品模型和鑄造用蠟模等有限領域，尚無法直接做出功能零件。

直接制造

那時，國外多以尼龍粉末作為激光燒結材料，每公斤售價高達上千元。最終，一種價格僅為尼龍材料幾分之一的聚苯乙烯粒料成為可能的替代材料。

1995年，西北工業(yè)大學教授黃衛(wèi)東，產(chǎn)生了一個關于快速成型技術的新構思：把3D打印技術和同步送粉激光熔覆相結合，形成一種新技術，用于直接制造可以承載高強度力學載荷的致密金屬零件。

當時，有學生在做激光熔覆，就是在一種金屬表面熔覆上另外一種金屬材料，能夠相互結合得很緊密。這啟發(fā)了黃衛(wèi)東，依此類推，多層堆積，而且用數(shù)字化控制“堆”的方法，那么想“堆”什么形狀就能“堆”出來，還可以把金屬的力學性能做到很好。查找文獻時，黃衛(wèi)東發(fā)現(xiàn)了快速成形制造，他想用這種方法做飛機發(fā)動機的零件。最初，這個大膽的想法并沒有獲得支持，因為此前的快速成形技術并不成熟。

黃衛(wèi)東先是安排博士研究生李延民進行基礎研究，用激光熔覆把材料“堆”起來。初步結果令人鼓舞，在金相顯微鏡下，找不到“堆”的痕跡，這說明材料結合得很好，確實形成了一個致密的整體。

1997年，航空科學基金首次設立重點項目，黃衛(wèi)東團隊的“金屬粉材激光熔凝的顯微組織與力學性能研究”項目，在評審組長左鐵釧的力挺下得以通過。同年，黃衛(wèi)東的激光定向凝固研究項目，又獲得國家自然科學基金的資助。2000年以后，863計劃、973計劃、國家自然科學基金重點項目等也開始對激光立體成型立項支持。

這個研究成果，很快就在新型航空發(fā)動機的研制中得到應用。到該航空發(fā)動機裝機試車時，采用傳統(tǒng)鑄造技術研制的一個關鍵零件始終不合格。當時，在時間非常緊迫又缺乏相同金屬材料的情況下，黃衛(wèi)東團隊把金屬零件不合格的部分去掉，然后用一種性能比較接近的金屬材料在上面重新“打印”出合格的零件，最終通過了檢測。

2001年，黃衛(wèi)東團隊申請了中國第一批關于激光立體成型的源頭創(chuàng)新專利。至今已獲授權激光立體成形的材料、工藝和裝備相關的國家發(fā)明和實用新型專利12項。

國內的北京有色金屬研究總院、北京航空航天大學、清華大學、北京工業(yè)大學、華中科技大學等，也相繼開始開展這方面的研究工作，總體思路是要同步實現(xiàn)金屬零件的快速自由精確成型和高強度控制目標。

1998年，華中科技大學快速制造中心也引進史玉升專門負責選擇性激光燒結技術和選擇性激光熔化技術。這是目前直接獲得金屬件最成功的方法，最有代表性的是美國 3D Systems 公司采用的將金屬粉末和有機黏結劑相混合后的粉末燒結技術。

史玉升的首要任務是，研發(fā)激光燒結設備及其合適的粉末材料。那時，國外多以尼龍粉末作為激光燒結材料，然而這種材料為國外廠商壟斷，每公斤售價高達上千元。最終，一種價格僅為尼龍材料的幾分之一的聚苯乙烯粒料成為可能的替代材料。1999年，史玉升他們用自己的技術與裝備造出了第一個產(chǎn)品——計算機鼠標外殼。

突破耗材瓶頸后，史玉升研究團隊又取得了突破，在2010年研制出工業(yè)級的1.2米×1.2米快速制造裝備，這是世界上此類裝備的最大工作面，超過德國EOS公司和美國3D系統(tǒng)公司的同類產(chǎn)品。如今，史玉升團隊正在研制1.4米×1.4米工作面的快速制造裝備，以滿足重要行業(yè)對大型復雜制件整體快速制造的要求。

此外，北京航空航天大學教授王華明團隊，瞄準大型飛機、航空發(fā)動機等國家重大戰(zhàn)略需求，在國際上首次全面突破相關關鍵構件激光成型工藝、成套裝備和應用關鍵技術，使中國成為迄今世界上唯一掌握大型整體鈦合金關鍵構件激光成型技術并成功實現(xiàn)裝機工程應用的國家。

1998年，清華大學的顏永年又將快速成形技術引入生命科學領域，提出“生物制造工程”學科概念和框架體系，并于2001年研制出生物材料快速成型機，為制造科學提出一個新的發(fā)展方向。此后，西北工業(yè)大學、華中科技大學等多家單位都將生物制造視為重要方向。

產(chǎn)業(yè)化難題

華中科技大學教授史玉升最開始推廣3D打印技術時曾被當作“騙子”。到了2011年，他們開始為空客和歐洲航天局等單位制作飛機、衛(wèi)星、航空發(fā)動機用大型復雜鈦合金零部件的鑄造蠟模

相對于科研的艱難推進，3D打印技術在中國的商業(yè)推廣，更為艱難。

從清華大學教授顏永年1993年注冊成立北京殷華激光快速成型與模具技術有限公司（下稱“北京殷華”）開始，許多依托高校對3D打印設備進行產(chǎn)業(yè)化運作的公司實體相繼建立。比如，華中科技大學1996年組建了武漢濱湖機電技術產(chǎn)業(yè)有限公司（下稱“濱湖機電”），西安交通大學1997年成立陜西恒通智能機器有限公司。注冊于北京市海淀區(qū)中關村科技園區(qū)北京隆源自動成型系統(tǒng)有限公司，也從1993年開始研發(fā)選區(qū)激光粉末燒結快速成型機，1994年正式投產(chǎn)和銷售。但是3D打印技術和設備在市場上的認可度仍然很低。

華中科技大學教授史玉升最開始推廣3D打印技術時，曾被當作“騙子”，許多企業(yè)家不相信不用模具和道具可以生產(chǎn)零部件。后來，史玉升的團隊通過多次參加各種交流會使這項成果逐漸得到企業(yè)認可，還主動尋求與企業(yè)合作，派教師、博士后和研究生到生產(chǎn)現(xiàn)場，與企業(yè)里的技術人員一起攻關。真正開始銷售是在2000年，最初一年只能賣出兩三臺設備，單價在100萬元左右。

“不僅僅是我們，所有的快速成形企業(yè)都是這個樣子，就連國外公司在中國的銷售也是這樣，每年都是個位數(shù)的銷售規(guī)模?！蔽錆h濱湖機電技術產(chǎn)業(yè)有限公司副總經(jīng)理吳澄告訴《中國新聞周刊》，他于2000年起進入濱湖機電負責銷售，2005年之后情況才開始好轉。

在吳澄印象中，大概是在2005年前后，由于3D打印技術的進步，能夠生產(chǎn)出強度更高、精度更好的產(chǎn)品，制造出一些有性能要求的零件，快速制造的概念正式為工業(yè)界所接受?！皯妙I域隨之擴展，產(chǎn)量得到一個大的提升?！彼f：“銷量達到兩位數(shù)，一年會有十幾臺的業(yè)務量?！?/p>

2006 年，上海民營企業(yè)凱泉泵業(yè)引進了濱湖機電的激光燒結3D打印機。后來，凱泉泵業(yè)在爭取一個小批量、個性化設計的核泵項目時，這臺3D打印機起了作用，從而進入了一個此前從未進入過的核泵領域。凱泉泵業(yè)現(xiàn)在是全球前十大泵業(yè)廠商，而它們已經(jīng)累計從濱湖機電購買了5 臺3D 打印機。

直到2009年，史玉升團隊的3D打印設備才被更多企業(yè)接納。2011年，該技術被歐洲空客公司等單位選中，聯(lián)合承擔了歐盟框架七項目，為空客和歐洲航天局等單位制作飛機、衛(wèi)星、航空發(fā)動機用大型復雜鈦合金零部件的鑄造蠟模。其中，一個部件約1米見方，但壁厚僅為3毫米，而且是具有微細特征的網(wǎng)絡結構，這是傳統(tǒng)制造方法很難實現(xiàn)的金屬零部件。迄今為止，濱湖機電已經(jīng)賣出去200多臺設備，銷售額每年遞增15%，還有部分銷往海外。

濱湖機電的銷售困境，是中國3D打印技術產(chǎn)業(yè)化推廣的一個縮影。從一開始就致力于用3D打印技術直接制造力學性能很好的金屬零件的黃衛(wèi)東，目前也只賣出去5臺設備?！昂芏嗄昵拔胰バ麄鬟@個的時候，人家不會信也不會用，現(xiàn)在有越來越多的人覺得這個技術已經(jīng)能解決他們的問題了。”西北工業(yè)大學教授黃衛(wèi)東告訴《中國新聞周刊》。

除了這些致力于研發(fā)的企業(yè)之外，還有一些國外3D打印設備的代理商，經(jīng)銷打印設備、成形軟件和特種材料，也有企業(yè)購買3D打印設備專門提供3D打印服務。即便如此，中國3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模仍然很小，2011年裝機量僅占全球的9%。

此外， 3D打印在中國還沒有形成產(chǎn)業(yè)鏈，這也在一定程度上制約了產(chǎn)業(yè)發(fā)展?！白鳛橐粋€小單位來講，我們是很全面的，包括設備、材料、工藝等全套服務都是我們自己做?！秉S衛(wèi)東告訴《中國新聞周刊》：“國外沒有這樣的，他們分工很細?！?/p>

好消息是，中國的3D打印行業(yè)已經(jīng)開始改寫單打獨斗的歷史了。10月15日下午，中國3D打印技術產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟在北京宣告成立，北京航空航天大學材料學院教授王華明被推舉為首任理事長，華中科技大學教授史玉升為第一副理事長，清華大學教授顏永年任首席顧問。