吳敏：金屬3D打印異見(jiàn)者

蔣秋霞

3D打印將顛覆制造業(yè)，曾成為很多重塑產(chǎn)業(yè)發(fā)展擁躉的共同信仰。但是國(guó)內(nèi)發(fā)展近十年，3D打印依然存在工業(yè)制造上的成本、效率難題。升華三維在尋找3D打印出路的迷途中，堅(jiān)定地選擇了有別于主流的間接3D打印，即將3D打印與粉末冶金相結(jié)合的路子。

3D打印自從2013年在國(guó)內(nèi)大火兩三年后，尤其在工業(yè)端的商業(yè)化應(yīng)用方面，至今仍是“猶抱琵琶半遮面”的狀態(tài)。是什么在掣肘3D打印在制造業(yè)的發(fā)展？在工業(yè)應(yīng)用中備受國(guó)內(nèi)企業(yè)青睞的金屬3D打印之外，是否還有其他路徑能夠撬動(dòng)這塊市場(chǎng)呢？

深圳升華三維科技有限公司（簡(jiǎn)稱“升華三維”）CEO吳敏正是其中一位主流金屬3D打印技術(shù)外的異見(jiàn)者。

職業(yè)生涯的“救命稻草”

中南大學(xué)粉末冶金研究院，被譽(yù)為國(guó)內(nèi)粉末冶金專業(yè)的“黃埔軍?！?。在此完成本碩連讀學(xué)業(yè)的吳敏，2013年畢業(yè)后直接進(jìn)入深圳富士康工作，被應(yīng)聘進(jìn)入材料研發(fā)部門進(jìn)行跟碩士研究方向一致的新材料開(kāi)發(fā)。那時(shí)的他，萬(wàn)萬(wàn)沒(méi)有想到，這個(gè)新材料開(kāi)發(fā)方向還沒(méi)開(kāi)始就在公司內(nèi)部給砍掉了。

2013年左右，3D打印在中國(guó)成為備受業(yè)界矚目的一種新技術(shù)路線。彼時(shí)，吳敏所在部門領(lǐng)導(dǎo)深受啟發(fā)，便提議讓粉末冶金出身的他對(duì)金屬3D打印技術(shù)及粉末制備進(jìn)行調(diào)研?！澳菚r(shí)候，我也是看到竟然有金屬3D打?。ê苷痼@），再深入了解這個(gè)技術(shù)后，就像打開(kāi)了一扇新的窗戶?！鄙罡嗄?，吳敏總結(jié)道，其實(shí)金屬3D打印就是粉末冶金的一個(gè)分支。

剛剛接觸3D打印時(shí)，吳敏簡(jiǎn)直到了瘋魔的地步。在網(wǎng)上搜羅繁浩的資料一頁(yè)頁(yè)研究，甚至將自己到手的一大半工資都花費(fèi)在購(gòu)買研究3D打印的設(shè)備和材料上，從當(dāng)時(shí)最簡(jiǎn)單便宜和流行的熔融沉積成形（FDM）熔融擠出技術(shù)入手?！?013年的時(shí)候，這個(gè)東西還很貴，塑料3D打印的材料就需要300?500元/卷/公斤?！钡牵撩杂诖说膮敲麸@然是樂(lè)在其中的，他分享說(shuō)“經(jīng)常會(huì)跟大學(xué)同學(xué)交流，3D打印很神奇，而金屬3D打印更是我們粉末冶金的未來(lái)，讓他們一定都要來(lái)關(guān)注?！?/p>

沒(méi)過(guò)多久，因?yàn)椴块T項(xiàng)目調(diào)整，吳敏已經(jīng)被調(diào)往新的部門。領(lǐng)導(dǎo)指派他調(diào)研金屬3D打印的命令也有些不了了之，但是開(kāi)始沉迷3D打印的吳敏，自己并沒(méi)有放棄研究的興趣，他一邊認(rèn)真做好本職工作，一邊在業(yè)余時(shí)間進(jìn)行鉆研。受到專業(yè)研究方向被砍的打擊，以及深感不能在新部門充分發(fā)揮自己的專長(zhǎng)，吳敏意識(shí)到“機(jī)緣巧合下，金屬3D打印就像（自己職業(yè)生涯的）一根救命稻草”。

恰好2013年?2014年，3D打印概念在中國(guó)大火。而縱觀國(guó)內(nèi)，彼時(shí)這個(gè)行業(yè)尚處于拓荒期。資本熱錢涌入，掀起一股投資熱，但實(shí)際來(lái)看，真正在從事實(shí)業(yè)的有技術(shù)沉淀的公司當(dāng)時(shí)也尚在發(fā)展初期。比如至今被資本市場(chǎng)奉為“金屬3D打印龍頭”的科創(chuàng)板上市公司鉑力特才起步發(fā)展兩年，尼龍3D打印引領(lǐng)者華曙高科也還在摸索自己的技術(shù)路線。

“當(dāng)時(shí)從富士康出來(lái)后，我就想著去金屬3D打印的公司積累經(jīng)驗(yàn)。但是當(dāng)時(shí)深圳沒(méi)有本土的原創(chuàng)性的金屬3D打印公司，我只好去了塑料3D打印公司?！眳敲舯硎?，“但是當(dāng)時(shí)我內(nèi)心非常確定自己的終極目標(biāo)就是金屬3D打印。”

當(dāng)時(shí)市面上已知的激光金屬3D打印有“三大件”：激光器、振鏡系統(tǒng)、操作軟件?！昂诵亩贾饕趪?guó)外，而且價(jià)格都特別貴。打印尺寸在250mm×250mm×300mm的進(jìn)口設(shè)備要到500多萬(wàn)人民幣，打印的不銹鋼材料每公斤就需要2000多元?！?/p>

從技術(shù)角度來(lái)看，吳敏認(rèn)為，金屬3D打印一定存在有區(qū)別于高昂成本的激光束打印路徑的其他技術(shù)路線。他跟自己粉末冶金專業(yè)的同學(xué)經(jīng)常一起思考、討論，并且動(dòng)手打印、摸索。在一次頭腦風(fēng)暴中，吳敏意識(shí)到，塑料也屬于一種高分子材料，是否可以嘗試用塑料與金屬粉末摻雜后，用3D打印先給產(chǎn)品成形，然后再利用粉末冶金工藝進(jìn)行燒結(jié)呢？

與主流的產(chǎn)品成形+性能直接一步到位的技術(shù)路線相比，吳敏提出的這種“兩步走”的方法顯然是“異類”。按照吳敏的說(shuō)法，“這是一個(gè)新的技術(shù)路線，之前沒(méi)有人做過(guò)”。從往后的歷史來(lái)看，吳敏團(tuán)隊(duì)琢磨出的這套新路徑，當(dāng)年在國(guó)內(nèi)屬于“第一人”，但其實(shí)國(guó)外也有公司發(fā)現(xiàn)了這條路線，只是技術(shù)尚未成熟，當(dāng)時(shí)并未對(duì)外公布。

最后，吳敏盡管自己動(dòng)手配置了材料，卻沒(méi)有燒結(jié)成功。又是一輪輪的技術(shù)復(fù)盤。這次，一位做金屬注射成型的同學(xué)提出，金屬注射成型使用的材料就是在一兩百度的溫度使材料擠出成型，然后再去脫脂燒結(jié)得到金屬制品?！拔覀凂R上就按注射成型的材料來(lái)調(diào)整配方，那時(shí)候很簡(jiǎn)陋，我們自己改裝的原型機(jī)，打印了一個(gè)生坯，然后交給同學(xué)去做后端處理?！?/p>

吳敏至今對(duì)打印這個(gè)原型產(chǎn)品的時(shí)間表記憶猶新：2015年11月，想到這種技術(shù)路線，并且開(kāi)始實(shí)施;2016年2月底左右真正拿到燒結(jié)成功的樣品。但是他坦言“做出來(lái)的產(chǎn)品性能不好”。這時(shí)，他們第一次認(rèn)真地反思：到底是材料配方原因?qū)е庐a(chǎn)品性能不足，還是這種技術(shù)路線存在先天缺陷而被其他企業(yè)所拋棄呢？

經(jīng)過(guò)一次次反復(fù)更改配方、調(diào)整打印工藝和脫脂燒結(jié)的溫度等參數(shù)，吳敏團(tuán)隊(duì)成功將產(chǎn)品的燒結(jié)致密度從70%上升到80%，后續(xù)又上升到90%多。致密度是評(píng)判3D打印的金屬制件中金屬性能的核心指標(biāo)，一般而言，其數(shù)值越高，代表其金屬性能越好。足以媲美傳統(tǒng)機(jī)加工零部件的成績(jī)，讓吳敏相信“這條技術(shù)路線是可行的”。

但最后令吳敏下定決心的是其導(dǎo)師熊翔教授的認(rèn)同和鼓勵(lì)?！靶芾蠋熣f(shuō)，金屬粉末冶金行業(yè)發(fā)展至今一直沒(méi)有找到一個(gè)新的創(chuàng)新點(diǎn)，我們這種路線就是粉末冶金與3D打印的好的結(jié)合?！?/p>

2016年，吳敏果斷選擇辭職創(chuàng)業(yè)，并且積極尋找天使投資。但是，國(guó)內(nèi)資本界對(duì)這種異類的金屬3D打印路線并不買賬，“在國(guó)外都找不到對(duì)標(biāo)的企業(yè)?！眳敲粢约皥F(tuán)隊(duì)前期只好利用自有資金繼續(xù)研發(fā)。直到2017年4月26日，他們迎來(lái)了轉(zhuǎn)機(jī)。這一天，有國(guó)內(nèi)媒體報(bào)道，美國(guó)一家名為Desktop Metal （DM）的公司對(duì)外推出了兩款產(chǎn)品：DM Studio系統(tǒng)和DM 生產(chǎn)系統(tǒng)。

“其實(shí)他們的技術(shù)路線跟我們是完全一樣的，都是先成形然后再脫脂燒結(jié)?！眳敲襞d奮地表示，自己很激動(dòng)，因?yàn)榻K于發(fā)現(xiàn)有同行了！也正是這個(gè)原因，吳敏再去找投資就順利多了。2017年5月，吳敏拿到天使輪，并于當(dāng)年6月正式注冊(cè)公司——升華三維運(yùn)營(yíng)。

相同技術(shù)路線，不同命運(yùn)盡管終于正式開(kāi)張運(yùn)營(yíng)了，但比起同行DM公司來(lái)說(shuō)，升華三維捉襟見(jiàn)肘得多。

先來(lái)簡(jiǎn)單了解下兩者主張的技術(shù)路線。

3D打印按照打印材料分類，主要包括金屬3D打印和非金屬3D打印。其中，前者的主流技術(shù)路線是激光選區(qū)熔化（SLM）和電子束選區(qū)熔化（EBSM），后者則以FDM和光固化成形（SLA/DLP/LCD）為主。在金屬3D打印技術(shù)路線中，不管企業(yè)選擇何種打印方式，其根本技術(shù)路徑都是一次性實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的成形和性能，都屬于直接3D打印范疇。缺陷在于激光器等設(shè)備價(jià)格高昂，可滿足工業(yè)化生產(chǎn)的打印材料有限。

吳敏提到的“新技術(shù)路線”實(shí)則是將上述兩種不同技術(shù)路徑的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，3D打印跟粉末冶金相結(jié)合，升華三維將其命名為“粉末擠出打印（PEP）”技術(shù)，是一種間接3D打印路線。“當(dāng)時(shí)在國(guó)內(nèi)外，金屬（3D打印）沒(méi)有直接跟間接的區(qū)別，也是我們開(kāi)始提出來(lái)?，F(xiàn)在，這已經(jīng)變成一個(gè)主流認(rèn)可的名詞?！?/p>

升華三維與DM的相同之處在于，將金屬3D打印中的“打印”過(guò)程分為打印和處理（包括脫脂、燒結(jié)、后表面處理等）兩個(gè)環(huán)節(jié)。從這個(gè)層面講，3D打印更像粉末冶金環(huán)節(jié)中的一個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，主要負(fù)責(zé)將金屬粉末跟塑料、粘合劑融合的原料逐層打印成形的生坯。真正考驗(yàn)產(chǎn)品性能的關(guān)鍵在于后續(xù)的處理也就是粉末冶金環(huán)節(jié)。間接3D打印技術(shù)路線，是一個(gè)跨學(xué)科的創(chuàng)新，各工藝流程之間是一個(gè)強(qiáng)耦合的關(guān)系?！捌渲杏性S多的Know How在里面，很多人認(rèn)為這個(gè)技術(shù)路線很簡(jiǎn)單，就沖進(jìn)來(lái)，但后續(xù)往往卡在材料配方和脫脂燒結(jié)方面。這也是為什么我們和DM的團(tuán)隊(duì)背景都多在粉末冶金領(lǐng)域?！?/p>

目前來(lái)看，DM比升華三維在技術(shù)布局上要更全面，它將創(chuàng)成式設(shè)計(jì)、3D打印、脫脂燒結(jié)及模擬仿真都有機(jī)結(jié)合在一起。但升華三維團(tuán)隊(duì)的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)打印材料的研發(fā)和掌控能力。比如其最新研發(fā)的雙噴嘴3D打印機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)金屬和陶瓷等兩種不同性能材料的復(fù)合打印，這是SLM技術(shù)目前達(dá)不到的。

此外，在發(fā)展速度和規(guī)模上，升華三維與DM也截然不同。

公開(kāi)資料顯示，DM公司成立于2015年10月，主力團(tuán)隊(duì)來(lái)自麻省理工學(xué)院（MIT）材料科學(xué)的教授。這家公司在2017年C輪融資時(shí)估值達(dá)到10億美金，媲美當(dāng)時(shí)的Uber，并且不乏名聲顯赫的投資者，諸如寶馬、福特、通用電氣、Alphabet、勞氏（Lowe's）。目前，DM累計(jì)融資高達(dá)4.38億美金，用DM金屬3D打印出的零部件已經(jīng)在寶馬電動(dòng)汽車車型中被應(yīng)用。

2020年8月27日外媒報(bào)道稱，Desktop Metal已經(jīng)同意與Trine Acquisition Corp合并，將在紐交所上市，股票代碼為“DM”。上市后，DM將籌集最多5.75億美元的投資，估值為25億美元左右（約合170億人民幣），成為金屬3D打印估值最高的獨(dú)角獸企業(yè)。

“現(xiàn)在我們還處于生存階段?！眳敲舯硎?，“DM從創(chuàng)立之初，他們就是瞄準(zhǔn)工業(yè)制造去的，產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一整套非常商業(yè)化的玩法。寶馬、福特等客戶對(duì)產(chǎn)品的應(yīng)用也有利于形成良好的循環(huán)。”但是，這在當(dāng)下的中國(guó)顯然還行不通。在吳敏看來(lái)，制約金屬3D打印在中國(guó)發(fā)展速度的最根本原因在于成本。與傳統(tǒng)的機(jī)加工以及人工成本相比，金屬3D打印的成本在中國(guó)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于這個(gè)成本。這也意味著，它在中國(guó)的應(yīng)用市場(chǎng)局限于對(duì)成本不是那么敏感的航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域。從國(guó)內(nèi)整個(gè)金屬3D打印在工業(yè)端應(yīng)用發(fā)展的十年時(shí)間來(lái)看，亦是如此。

2020年11月29日，國(guó)家增材制造創(chuàng)新中心主任，中國(guó)增材制造標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)主任，中國(guó)工程院院士盧秉恒在“中國(guó)（長(zhǎng)沙）增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展與技術(shù)應(yīng)用分論壇”上提到，3D打印的一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是實(shí)現(xiàn)輕量化。他表示：“航空航天、軌道交通、汽車都需要輕量結(jié)構(gòu)，而3D打印可以優(yōu)化設(shè)計(jì)，也可以用不同的材料做成一個(gè)零件，可以大大減輕重量?！辈⑶抑赋?，對(duì)太空制造來(lái)說(shuō)，3D打印是非常理想的手段。

其實(shí)從產(chǎn)品性能來(lái)看，SLM類的金屬直接3D打印產(chǎn)品致密度高、硬度及屈服強(qiáng)度高，但延展性和疲勞強(qiáng)度差，產(chǎn)品安全性及綜合使用壽命受到嚴(yán)重影響;而金屬間接3D打印產(chǎn)品延展性好、疲勞強(qiáng)度高，具有強(qiáng)大的加工硬化能力。此前，備受詬病的產(chǎn)品強(qiáng)度和燒結(jié)致密度低等問(wèn)題在近兩年都得到很好的解決，同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品孔隙率并不對(duì)高周疲勞性能造成不利影響。

以升華三維為例，其公開(kāi)發(fā)布的一組產(chǎn)品性能數(shù)據(jù)在某些方面已經(jīng)處于世界級(jí)領(lǐng)先水平（如上圖表所示）。但成本大關(guān)依然是攔路虎。從國(guó)外備受追捧的DM進(jìn)入中國(guó)的進(jìn)程也可見(jiàn)一斑。直到2018年6月7日，DM才聯(lián)合國(guó)內(nèi)獨(dú)家代理商發(fā)布第一款產(chǎn)品。兩年多過(guò)去，代理商官網(wǎng)也只有這一款產(chǎn)品，并且它的主要用戶是設(shè)計(jì)工程師，客戶多面向高職類院校、高等院校、研究所/院等。

但整體發(fā)展來(lái)看，國(guó)外以DM為代表的走間接金屬3D打印路線的企業(yè)數(shù)量在增多，并且在細(xì)分技術(shù)上也衍生出多條差異化方向。吳敏介紹，國(guó)內(nèi)前兩年也有模仿升華三維的同行，但現(xiàn)在都消失了。作為國(guó)內(nèi)間接金屬3D打印的深度擁躉，升華三維的確是個(gè)金屬3D打印中的異類。吳敏感慨：“公司的發(fā)展還是偏慢了。目前我們主要還是在做技術(shù)普及跟推廣的工作。”

為什么如此堅(jiān)持這條孤單之路呢？

吳敏解釋，這是基于金屬3D打印在未來(lái)制造業(yè)中發(fā)展的判斷。尤其與目前主流的直接金屬3D打印路徑相比，升華三維選擇的技術(shù)路線在單個(gè)金屬制件平均成本下降空間大，而且通過(guò)3D打印工藝和效率的提升，能夠保持產(chǎn)品性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步成本優(yōu)化?！巴瑯哟蛴〕叽绲慕饘?D打印機(jī)，比如說(shuō)250mm×250mm×250mm，他們要到180～300萬(wàn)左右，但是我們就20萬(wàn)～30萬(wàn);同樣尺寸的金屬制件，成本只有直接3D打印的五分之一到十分之一?！?/p>

但是真正要實(shí)現(xiàn)工業(yè)端的商業(yè)化規(guī)模應(yīng)用，包括升華三維主張的間接3D打印技術(shù)在內(nèi)，整個(gè)3D打印尚還需要走很長(zhǎng)一段路。對(duì)升華三維來(lái)說(shuō)，至少目前來(lái)看，他們?cè)诋a(chǎn)品開(kāi)發(fā)和營(yíng)收上都走得比較穩(wěn)。

2020年11月和12月，升華三維為國(guó)內(nèi)某些高校研發(fā)定制的大尺寸獨(dú)立雙噴頭3D打印設(shè)備陸續(xù)發(fā)貨;與國(guó)內(nèi)研究所就軍工領(lǐng)域的合作也正式進(jìn)入軌道;跟國(guó)內(nèi)汽車廠商也在零部件開(kāi)發(fā)上進(jìn)行深入對(duì)接;2020年?duì)I收比前一年翻了兩番……