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1万亿美元规模 这位院士说这项技术可克服中国制造“心脏病”

发布时间:2022-05-17

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文章来源:增财院

眼前这位老人家被誉为“中国3D打印的教父”。

即便身体里搭了4个心脏支架,但他始终躬身于推进中国3D打印事业的发展,每天忙得像陀螺一样团团转。

“中国制造业规模预计会达到3万亿美元,3D打印所创造的价值将占三分天下,即占据约1万亿美元的规模。”满头白发的卢秉恒院士在描绘3D打印发展蓝图的时候,中气十足。

由于他的行程比较紧张,这段谈话仅持续了一个多小时。不过,当聊到了3D打印对制造业的助力、技术优势、发展现状、不足以及未来时,他的眼神时而明亮,时而焦灼,时而热切起来。

(01)1万亿美元的规模

中国迈入3D打印世界的时间,是在1996年。这一年,正是卢秉恒的3D打印研究项目得到国家科技部支持的第二年。

沧海桑田,24载过去,中国的3D打印产业早已遍地开花。

这项在当年并不被人看好的科研项目,在卢秉恒的坚持下得以继续。其对于制造业的意义,卢秉恒早已预见到了。

对于3D打印产业的发展速度,他是欣喜的。近10年,国内金属3D打印设备的增长在印证3D打印产业高速发展这一事实,2019年相比2018年增加300%。放眼至全世界,每年的发展速度也达到了20%~30%。

制造,从技术上而言,可分为增材、等材、减材三种。卢秉恒预测,未来这三种技术将是“三分天下”的局面,这也意味着中国制造业体量近3万亿美元,增材制造将会占1万亿美元的体量。

3D打印作为新兴的技术,为什么能一夜之间与拥有3000年历史的“等材制造”、300年历史的“减材”制造平起平坐?它在制造业有什么样的“魔力”?或许在30多年前,卢秉恒在美国汽车公司第一次看到这项技术时就找到了答案。

“3D打印对于制造业而言,有助于提升其质量和发展水平。它能克服中国制造的‘心脏病’。”卢秉恒说。

飞机的“心脏”——发动机,正是制造的一大难点。但3D打印的出现,成为其重要转折点。卢秉恒团队正在与飞机发动机企业合作,用3D打印的技术制造叶片,并正在进行工程化的验证。

飞机发动机叶片,传统以精密铸造法制造,叶片铸造需要用精密铸型。因为叶片形状复杂,需要分成多个型芯、型壳,然后装配起来,难度很大。装配有间隙造成多个零件装配后精度难以保证,存在安装误差,尤其在浇注过程中,金属溶液冲刷导致型芯位置变动,最后导致叶轮制造误差,造成废品等。

采用3D打印,则可将铸型一体化打印,免除废品,叶片铸造的一致性也得到保证。传统的工艺中,叶片铸造的废品率高达60%,相比之下,3D打印使得成功率达80%以上。

3D打印助力制造业产品、装备的创新设计。

“好的设计并不见得能落地,有些零件形状过于复杂,传统工艺无法实现,3D打印则可以满足设计师的‘所想即所得’的愿望,为创新开拓了很大的空间。”卢秉恒兴奋地说道。

美国GE公司,在这方面尝到了甜头,作为3D打印用在工业中“第一个吃螃蟹”的公司,它尝试用3D打印技术做飞机发动机的喷油嘴,结果将传统工艺需要做的20多个零件变成了1个零件打印,使得喷油嘴的一致性得到提高,燃烧效率也大幅提升。

“3D打印对于制造业而言,也可以节约材料。”有些领域的材料利用率不高,如航空航天的一些零件,传统方法是做减法,不少零件在制作过程中,有些材料甚至被切削掉97%,造成极大浪费。C919主梁就是一个大型复杂结构的薄壁件,切削加工被切掉的材料高达95%。

“如果采用3D打印,需要被切削的就很少了,哪需要材料就打印在哪,材料大大得到节约。”

3D打印对制造业的影响是毋庸置疑的,但由于材料、成本和打印速度等限制,不少人认为这项技术更多只能应用于高端制造领域。 卢秉恒反驳说,“随着技术的发展,各种高效率、低成本的打印方法也不断涌现,3D打印也会逐渐从个性化领域走向批量化制造。”

(02)打印材料是下一个发展重点

实现先进制造,必须材料先行。

国内的3D打印发展的初期,更多的是技术跟踪。在这个阶段更关注的是打印设备和工艺过程,而打印材料制备方面的研究和优选相对较薄弱。

随着3D打印技术的发展,对3D打印的诉求从产品开发阶段上升为复杂产品小批量制造的阶段,制造业对于3D打印材料的品质和性能的要求越发迫切。

相关资料显示,目前国内的基础3D打印材料已基本满足国产设备的增材制造需要,但高性能金属粉材依然依赖进口,国产材料在纯净度、颗粒度、均匀度、球化度、含氧量等对打印成品性能影响较大的原料指标方面,相比国外仍存在较大的差距。

材料依赖进口,难免受制于人。材料价格居高不下,成为3D打印的市场应用和推广的“拦路虎”。

7月7日(2021年),在接受《大国之材》采访前,卢秉恒飞了一趟甘肃金昌市。卢秉恒的团队正在与当地一家上市公司探讨展开3D打印金属粉末材料制备的合作。

卢秉恒团队紧盯新技术趋势,研发出一项目前国内外最新的第三代制粉技术,用先进的射频等离子技术制备出的粉末纯实心、无子母球、性能优异。

卢秉恒有些兴奋地向《大国之材》介绍了这项新技术,这项制粉的技术温度可以达到很高,适应各种金属、陶瓷等粉末的制备。

“不过,并非所有的应用领域都像航空航天般对零件的强度、抗疲劳性的要求高,气雾法和甩出法制备的粉末都各有其市场的定位。”

目前,新合金材料开发的先进技术是材料基因组设计,但理论的设计尚需要验证。传统的冶金过程耗时耗财,使新材料的诞生很难。卢秉恒提出可以用3D打印作为材料基因组设计方案的验证平台,为新合金的研发开辟了一个通途。真正材料、结构一体化的创新方法将大大推动装备制造的发展。

“3D打印材料的研究,一定会成为下一个重点,无论是对科研还是产业发展。”

(03)标准是未来的基石

国内3D打印产业逐渐发展起来,但卢秉恒始终在紧盯着与国际的差距。

3D打印能打印什么?当国内市场上摆着3D打印的观赏性摆件的时候,有些国外民间公司已经开始用它制造火箭。据外媒报道,一家创立3年的公司—— Relativity Space就是这么干的。

他们正在制造一枚中型轨道火箭,95%的部件是由3D打印制造,生产出的火箭零件将比传统生产的少100倍。其发动机喷油器和腔室仅由三个3D打印部件组成,而这些部件以传统的方式制造则需要近3000个部件。

值得一提的是火箭制造速度,在60天内让火箭完成从”一堆原材料”到“登上发射台“的转变。

作为“中国3D打印教父” ,卢秉恒也一直在思考3D打印与太空的关系。他提出“太空3D打印的设想”,“太空3D打印,把太空作为一个制造基地,不是遥远的概念,而是一个紧迫的目标!”

在宇宙探索中,发射成本是很重要的一项成本。如果在月球上进行制造航天器,然后进行发射,它的成本或比地球上节约几十分之一。此外,太空中进行3D打印有诸多优势,在真空中打印不会发生氧化等现象、太阳能充足。此外太空中无重力,用很小的设备就可以制造大部件。卢秉恒勾勒出太空3D打印的景象。

然而真正进行火箭的打印,需要建立起包括数据标准在内的标准体系。“国外在数据标准方面进行了大量的研究,我们也应该大力加紧数据标准建设的工作。”

对于数据标准的建设,卢秉恒一直挂在心上,在出席的论坛上不断地强调其紧迫性。

数据标准的建设对于3D打印有多重要?

近30年的发展,3D打印产业衍生出各种工艺、材料和设备。但因为缺乏统一的标准,在合作的时候,就会面临数据不够统一的现象,造成应用、开发困难。

数据标准可以让企业通过大数据分析发现最优工艺,从而优化工艺参数。实现数据流动,可以解决中小企业对这些工艺知识掌握的困难。“谁拿到这个标准,谁就掌握主动权。”

“国内对于标准的建设进展还往往处于讨论阶段。”卢秉恒表示,以前大家所理解的标准是收集材料然后讨论,但实际是需要大量的实验及其数据的分析研究。 “标准制定的工作正在逐步推进,目前国内的增材制造专门有个标准委员会在推进标准的制定工作。我们要把企业的标准、团体的标准、行业标准和国家标准,一起推动起来,将标准体系尽早确定。”

(04)中国3D打印的教父

中国3D打印产业日益强大,卢秉恒却逐渐衰老。

如今已古稀之年的卢秉恒,在为3D打印四处奔波的身影,和年轻时的他一样激情未变。

每天工作安排很满,这位年逾七十的老人家身体里,早在十几年前就已经安装了4个心脏支架。

在业内,卢秉恒被称为“中国3D打印的教父”,这个称号是有来历的。

尚在念高中的时候,卢秉恒就是位有志青年。当时处于国家最困难的时期,他一边吃着黑馒头一边看报纸,看励志文章,“奋发图强”四个字镌刻在他的脑海里。

当时就感觉火箭很先进的卢秉恒,想报考学习火箭专业,因为当时出身问题,不能报考保密专业,只好念了机械制造专业。

毕业后,进入工厂当工人,在工厂的工作很轻松。这是一家做仪表的工厂,每天8小时工作量只用2小时就完成了。其余时间只能聊天和玩,尽管生活得很轻松,但他心里一直很苦恼,不甘十几年寒窗苦读就这样浪费,一直想找个发展机会。改革开发提供了机遇,30多岁的他又重拾书本,攻读硕士、博士,留校科研,所学有了用武之地。

90年代初,他去美国汽车公司考察,现场看到了3D打印技术一下子把一个零件做出来了,那一刻,他已意识到这个技术对于中国制造业的重要价值。回国后,他把出国前剩下的十几万科研经费全部投入3D打印研发。

招聘几个研究生就开始干,很多同学劝他,这事没有几百万是干不成的,别浪费时间和精力。但卢秉恒坚信3D打印在工业应用中的价值,觉得应该去研究,“固执”的他继续展开他的研究。与此同时,他也在找机会争取国家层面的支持。

1994年,科技部召开先进制造技术会议。按照惯例,当时还是副教授的他并没有预定的发言,所幸的是,这场会议给了自由发言的机会,卢秉恒激动地跳上讲台,当着几百个科研工作者,介绍了这项先进的制造技术。

会议结束后,科技部秘书长找到卢秉恒,问他能不能写个建议书,卢秉恒激动地答应了,当晚写好就呈交上去。

当时并未抱多大希望的他,在半个多月后接到一个通知,说科技部准备考察他的项目。机会是留给有准备的人,由于预先研发的原理样机,考察获得通过,卢秉恒如愿以偿地得到了国家层面的支持。

就这样,卢秉恒彻底沉浸在3D打印的事业中。SLA设备迅速得以研发,使我国的技术进入企业的产品开发应用中,中国的3D打印有了良好的起步。

一转眼二十多年过去了,中国3D打印产业取得了飞速的发展。在卢秉恒的脑海中,有这样一幅景象,3D打印应用在各个行业,形成 “3D打印+”,“‘3D打印+’的领域都会带来诸多制造业的创新,这就是未来的发展趋势。”

尽管七十多岁,卢秉恒仍旧保持着游泳的习惯,在和他聊天的过程中,也不难发现他的反应速度和思路依旧很敏捷和清晰。

他的愿望是趁着自己还能多做些事情的时候,多为3D打印做些有价值的事情,“国家风风雨雨这么多年,现在有这么好的机遇,我们应该抓紧时间做好,不能再浪费时间了。”(文章来源于:新材料在线)