研發(fā)核心 和原創(chuàng)技術(shù)打造中國3D打印創(chuàng)新鏈與產(chǎn)業(yè)鏈

【導讀】

被譽為“中國3D打印之父”的盧秉恒院士和法國國家技術(shù)科學院院士呂堅在2019廣東3D打印產(chǎn)業(yè)應用高峰論壇等場所分享了有關(guān)3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)應用的觀點和實際案例，本文精選并整理了相關(guān)內(nèi)容，以饗讀者。

我國3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展狀況

盧秉恒：近年來，全球3D打印產(chǎn)業(yè)呈快速發(fā)展態(tài)勢，全球市場規(guī)模已達92億美元。根據(jù)我國統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國目前3D打印市場規(guī)模為31.8億元，占了全球3D市場規(guī)模的1/3；從發(fā)展態(tài)勢看，2019年上半年我國3D打印設(shè)備增長271.24%。

目前，我國在3D打印方面的研究處于國際前列，如論文和專利申請的數(shù)量處于世界第二。在應用方面，我國工業(yè)級設(shè)備裝機量居全世界第四，但金屬3D打印的商業(yè)化設(shè)備還比較薄弱，主要還依靠進口；非金屬工業(yè)型3D打印，我國60%以上立足國內(nèi)，小型FDM3D打印已批量出口，銷量躋身世界前列，但國產(chǎn)工業(yè)級裝備的關(guān)鍵器件，如激光器、光學振鏡、動態(tài)聚焦鏡、打印頭等還主要依靠進口，工業(yè)級3D打印材料的研究剛剛起步，除了個別研發(fā)能力強的公司研發(fā)了少量材料外，3D打印的材料基本依靠進口，從產(chǎn)業(yè)發(fā)展看，我國的發(fā)展得還是太慢，現(xiàn)在進口設(shè)備大舉進攻中國市場，國外金屬3D打印裝備實行材料、軟件、設(shè)備、工藝一體化捆綁銷售。我們必須研發(fā)核心技術(shù)與原創(chuàng)技術(shù)，打造自己的創(chuàng)新鏈與產(chǎn)業(yè)鏈?，F(xiàn)在國內(nèi)已經(jīng)有若干3D打印公司上市，科技開始與資金結(jié)合，這是一個良好的開端。

3D打印技術(shù)的優(yōu)勢

盧秉恒：增材制造(3D打印)技術(shù)具有5個“任意”的優(yōu)勢，即任何材料、任意形狀、任意批量、任何領(lǐng)域、任何場所，目前被廣泛運用于車型開發(fā)、建筑施工、生物醫(yī)療、航空航天、動力機械、個性化設(shè)計等領(lǐng)域。

3D打印支持產(chǎn)品快速開發(fā)、制造節(jié)材、個性化制造以及再制造等方面，目前已經(jīng)進入應用。今后，研究的重點是建立各類標準，使其能更廣泛地應用，發(fā)揮最大的效益。

3D打印開拓創(chuàng)新設(shè)計的新空間、引領(lǐng)生產(chǎn)模式變革方面，是現(xiàn)在和將來都要持續(xù)、深入研究的重要方向。今后，3D打印將會帶來重要效益，在引起制造業(yè)逐漸量變的同時，近一半的產(chǎn)品將實現(xiàn)個性化、定制化生產(chǎn)。

3D打印的創(chuàng)材與創(chuàng)生方面，則更將為未來材料科學、技術(shù)，生命科學和醫(yī)療技術(shù)帶來顛覆性變革。

3D打印與智能制造

盧秉恒：“中國制造2025”的主攻方向和帶動性技術(shù)是發(fā)展智能制造。智能制造主要包括工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和底層智能化兩部分。

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)方面，要形成一個萬眾創(chuàng)客網(wǎng)、CAD/CAE/CAN數(shù)字化制造服務(wù)網(wǎng)、3D打印、性能測試服務(wù)網(wǎng)，由眾包完成產(chǎn)品的開發(fā)和數(shù)字化制造，用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成一個高技術(shù)的服務(wù)業(yè)，構(gòu)建新機制的創(chuàng)新體系，驅(qū)動知識信息的流動。企業(yè)的資源是有限的，我們用互聯(lián)網(wǎng)把全國的、全社會的乃至全球的人才、資源都集中到一塊，達到社會資源的優(yōu)化組合，這就是智能制造的精華。走出工廠的圍墻，讓知識流動起來，補足中國制造業(yè)開發(fā)能力弱的短板，這就是互聯(lián)網(wǎng)帶動制造業(yè)發(fā)展的真諦、最大的效益所在。

在底層智能化方面，主要是機器人、智能制造裝備和3D打印。機器人是提高生產(chǎn)柔性、提高效率、降低成本的工具。智能機床的關(guān)鍵是信息獲取、工藝優(yōu)化軟件加上過程的質(zhì)量控制。智能機床能夠監(jiān)控加工的狀態(tài)并對被加工件所達到的精度作出判斷和控制，它能成倍地提高加工質(zhì)量和加工效率。數(shù)字化設(shè)計和3D打印中，設(shè)計是形成產(chǎn)品創(chuàng)新價值的關(guān)鍵，高端服務(wù)業(yè)提供設(shè)計工具、設(shè)計師和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的CAE分析，而3D打印是驗證設(shè)計的快速手段。3D打印可以使產(chǎn)品開發(fā)周期與費用降低1/3～1/5，3D打印支持定制化生產(chǎn)模式，尤其重要的是，3D打印使設(shè)計師擺脫了許多可制造性的約束，極大地釋放了設(shè)計創(chuàng)新空間。因此，3D打印是深刻影響現(xiàn)在和未來的技術(shù)。

互聯(lián)網(wǎng)+先進制造業(yè)+現(xiàn)代服務(wù)業(yè)可以成就制造業(yè)美好的未來，制造業(yè)可能的前景是：一半以上的制造為個性化及定制，一半以上的價值由創(chuàng)新設(shè)計體現(xiàn)，一半以上的企業(yè)業(yè)務(wù)由眾包完成，一半以上的創(chuàng)新研發(fā)為極客創(chuàng)客實現(xiàn)。

陶瓷4D打印的應用

呂堅：2018年，我們團隊實現(xiàn)了全球首次陶瓷4D打印，引起廣泛關(guān)注。陶瓷的熔點很高，常規(guī)激光打印技術(shù)制造陶瓷十分困難，而現(xiàn)有3D打印技術(shù)制造的陶瓷前驅(qū)體通常難以變形，影響復雜形狀的陶瓷制品的生產(chǎn)，因此我們團隊研究出某種聚合物和陶瓷納米粒子混合而成的“陶瓷墨水”，用它打印的陶瓷前軀體非常柔軟，使得陶瓷4D打印成為可能。4D打印是指在傳統(tǒng)3D打印的基礎(chǔ)上，增加一個時間維度作為第四維度。4D打印的優(yōu)勢包括能規(guī)?；厣a(chǎn)很多特殊結(jié)構(gòu)的材料，以及能通過對一個基本的產(chǎn)品加不同的力，產(chǎn)出不同的幾何形狀。

這一年來，我們在研究水控、磁場控、光控（即在水、磁、光的刺激下改變3D打印作品形狀、功能）的4D打印作品。我們還和廣東省科學院材料研究所合作，將鈦合金3D打印假肢的抗疲勞強度增加了一倍，使得它的壽命可以延長到無窮大。此外，陶瓷4D打印可應用于手機背板，尤其在手機進入5G時代后，可以同玻璃、塑料一樣避免信號屏蔽問題，且不會太重又比較高檔。隨著5G手機的慢慢普及，兩年內(nèi)，我們將研發(fā)出陶瓷手機。

另一方面的應用是航空工業(yè)。很多航空產(chǎn)品的零部件都是用3D打印來實現(xiàn)的，陶瓷4D打印能提供更便捷、便宜以及能制造更復雜部件的方案。由于陶瓷耐熱的特性，新技術(shù)未來有潛力用于航天事業(yè)上，例如將“陶瓷墨水”帶到太空，打印出所需要的航天器材零部件，以減少航天器發(fā)射升空時的負荷。

我們研究團隊下一步是要將新技術(shù)真正用在產(chǎn)業(yè)上，以及從技術(shù)研究的角度找出新方案，讓它做得更精細；還有就是拓展其他新材料，我們正在做高溫合金，而目前已經(jīng)有一定的進展。

此外，粵港澳大灣區(qū)在人才、資金、技術(shù)的流動上具有不可比擬的優(yōu)勢。光是廣東的陶瓷產(chǎn)業(yè)就有300億元的市場規(guī)模，還有手機制造等產(chǎn)業(yè)。因此，陶瓷4D打印應用前景廣闊。

發(fā)展和應用3D打印的建議

盧秉恒：當前，3D打印技術(shù)正處于一個技術(shù)的“井噴期”、產(chǎn)業(yè)的起步期、企業(yè)的“跑馬圈地”期。我們應該抓緊標準的研究，3D打印的數(shù)據(jù)標準可能影響到裝備和應用兩個方面，對此我們應掌握話語權(quán)。在航空件和高端醫(yī)療器械方面，要積極研究面對3D打印個性化制造產(chǎn)品準入的標準，以利于新技術(shù)的應用；要加強基礎(chǔ)研究，發(fā)展原創(chuàng)技術(shù)，在3D打印的新材料研發(fā)、顯著提升打印件的質(zhì)量和打印效率等方面實現(xiàn)創(chuàng)新；建立創(chuàng)新體系，為企業(yè)提供核心技術(shù)和共性技術(shù)；攻克關(guān)鍵核心器件，打造產(chǎn)業(yè)鏈；引導金融資本，助推3D打印企業(yè)做大做強，形成若干具備國際競爭規(guī)模的企業(yè)。

目前，廣東省的3D打印產(chǎn)值已占全國的1/3。廣東是改革開放的前沿地，對新技術(shù)十分敏感，是3D打印技術(shù)應用最前沿的地方，但因廣東制造業(yè)發(fā)達，3D打印應用最多的仍是手板原型領(lǐng)域，甚至有產(chǎn)能過剩、過度競爭的情況。對于3D打印在廣東的應用方向，建議可以側(cè)重三個方面：第一是電子制造領(lǐng)域，珠三角有雄厚的模具制造業(yè)基礎(chǔ)；第二是可穿戴電子設(shè)備領(lǐng)域，如耳機、眼鏡等，因為每個人的可穿戴設(shè)備都有差異，需要個性化定制；第三是汽車領(lǐng)域，尤其是新能源汽車追求輕量化，有車企正在嘗試使用復合材料。