中國新聞周刊2012年第45期

　　在3D打印領(lǐng)域，中國的某些技術(shù)已經(jīng)領(lǐng)先全球，但商業(yè)化滯后、規(guī)模仍然小，也沒有形成產(chǎn)業(yè)鏈，企業(yè)大都在單打獨斗。如果這一局面有所改變，那么3D打印很有可能成為中國制造業(yè)大升級的絕佳機(jī)會

　　2012年10月中旬，中國工程院啟動調(diào)查，論證3D打印技術(shù)的“終極前景”。這項調(diào)查由中國工程院和行業(yè)專家共同參與，或?qū)⒀永m(xù)至2013年3月份，并在稍晚時候向國務(wù)院提交報告。

　　彼時，3D打印技術(shù)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(xué)、理性而客觀地看 待這個技術(shù)”。目前初步達(dá)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(dān)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(shù)我們很難趕上美國，在這個新的技術(shù)領(lǐng)域，我們已經(jīng)和他們站在同一條起跑線上。”西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)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。”

　　中國對3D打印的研發(fā)，已經(jīng)有了長達(dá)20多年的探索和積累。業(yè)內(nèi)認(rèn)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(xué)教授盧秉恒從學(xué)校爭取到了3萬元啟動資金，另將自己此前做課題結(jié)余下來的20多萬元投了進(jìn)去，仍然不夠造一臺光固化成型樣機(jī)

　　3D打印技術(shù)在中國興起于上個世紀(jì)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(xué)術(shù)名稱為快速成形技術(shù)。與傳統(tǒng)制造業(yè)的去除材料加工技術(shù)不同，3D打印遵從的是加法原則，可以直接將計算機(jī)中的設(shè)計轉(zhuǎn)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(jī)床。

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

　　1988年，正在美國加州大學(xué)洛杉磯分校做訪問學(xué)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(shù)。10月底回國后，顏永年就轉(zhuǎn)攻這一領(lǐng)域，并多次邀請美國學(xué)者來華講學(xué)，并建立了清華大學(xué)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(jìn)設(shè)備進(jìn)行研究，但是設(shè)備太貴，不得已輾轉(zhuǎn)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(dá)成協(xié)議，由清華大學(xué)提供場地、人員等，香港殷發(fā)公司提供設(shè)備，成立北京殷華快速成型模具技術(shù)有限公司。這是國內(nèi)第一家3D 打印公司，由顏永年擔(dān)任董事長，并于1994年7月通過鑒定被評為“填補國內(nèi)空白”。

　　西安交通大學(xué)教授盧秉恒，被視為國內(nèi)3D打印業(yè)的另一先驅(qū)人物。他1992年赴美做高級訪問學(xué)者，發(fā)現(xiàn)了快速成形技術(shù)在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用，回 國后隨即轉(zhuǎn)向研究這一領(lǐng)域，1994年成立先進(jìn)制造技術(shù)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(xué)校爭取到了3萬元啟動資金，另將自己 此前做課題結(jié)余下來的20多萬元也投了進(jìn)去，仍然不夠造一臺光固化成型樣機(jī)。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(jìn)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(jī)。

　　1995年9月18日，盧秉恒的樣機(jī)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(guān)項目250萬元的資助。1997年，盧秉恒團(tuán)隊賣出了國內(nèi)第一臺光固化快速成型機(jī)。

　　同一時期的華中科技大學(xué)(當(dāng)時的華中理工大學(xué))，雖然從湖北省科學(xué)技術(shù)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(jī)械制造專家黃樹槐的主持下，華中科技大學(xué)成立快速制造中心，研發(fā)基于紙材料的快速成型設(shè)備。

　　華中科技大學(xué)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(jī)。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(shù)做起。然而，液態(tài)光敏樹脂材料價格太高，國內(nèi)沒有賣的，進(jìn)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(yīng)的快速成型設(shè)備也很貴，僅僅是機(jī)器上的一個激光器都要3萬美元。

　　于是，華中科技大學(xué)的快速制造中心，轉(zhuǎn)攻一種以紙為原料的分層實體制造技術(shù)(LOM)。1994年，快速制造中心研制出國內(nèi)第一臺基于薄材紙的 LOM樣機(jī)，1995年參加北京機(jī)床博覽會時引起轟動。LOM技術(shù)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(shù)和分層實體制造技術(shù)等，更多用于打印產(chǎn)品模型和鑄造用蠟?zāi)５扔邢揞I(lǐng)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(jié)材料，每公斤售價高達(dá)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(xué)教授黃衛(wèi)東，產(chǎn)生了一個關(guān)于快速成型技術(shù)的新構(gòu)思：把3D打印技術(shù)和同步送粉激光熔覆相結(jié)合，形成一種新技術(shù)，用于直接制造可以承載高強度力學(xué)載荷的致密金屬零件。

　　當(dāng)時，有學(xué)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(jié)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(xué)性能做到很好。查找文獻(xiàn)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(jī)發(fā)動機(jī)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(shù)并不成熟。

　　黃衛(wèi)東先是安排博士研究生李延民進(jìn)行基礎(chǔ)研究，用激光熔覆把材料“堆”起來。初步結(jié)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(jié)合得很好，確實形成了一個致密的整體。

　　1997年，航空科學(xué)基金首次設(shè)立重點項目，黃衛(wèi)東團(tuán)隊的“金屬粉材激光熔凝的顯微組織與力學(xué)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(xué)基金的資助。2000年以后，863計劃、973計劃、國家自然科學(xué)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(jī)的研制中得到應(yīng)用。到該航空發(fā)動機(jī)裝機(jī)試車時，采用傳統(tǒng)鑄造技術(shù)研制的一個關(guān)鍵零件始終不合格。當(dāng)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(tuán)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(tuán)隊申請了中國第一批關(guān)于激光立體成型的源頭創(chuàng)新專利。至今已獲授權(quán)激光立體成形的材料、工藝和裝備相關(guān)的國家發(fā)明和實用新型專利12項。

　　國內(nèi)的北京有色金屬研究總院、北京航空航天大學(xué)、清華大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)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(biāo)。

　　1998年，華中科技大學(xué)快速制造中心也引進(jìn)史玉升專門負(fù)責(zé)選擇性激光燒結(jié)技術(shù)和選擇性激光熔化技術(shù)。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(jī)黏結(jié)劑相混合后的粉末燒結(jié)技術(shù)。

　　史玉升的首要任務(wù)是，研發(fā)激光燒結(jié)設(shè)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(jié)材料，然而這種材料為國外廠商壟斷，每公斤售價 高達(dá)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(shù)與裝備造出了第一個產(chǎn)品——計 算機(jī)鼠標(biāo)外殼。

　　突破耗材瓶頸后，史玉升研究團(tuán)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(tuán)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(fù)雜制件整體 快速制造的要求。

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

　　1998年，清華大學(xué)的顏永年又將快速成形技術(shù)引入生命科學(xué)領(lǐng)域，提出“生物制造工程”學(xué)科概念和框架體系，并于2001年研制出生物材料快速 成型機(jī)，為制造科學(xué)提出一個新的發(fā)展方向。此后，西北工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)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(xué)教授史玉升最開始推廣3D打印技術(shù)時曾被當(dāng)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(jī)、衛(wèi)星、航空發(fā)動機(jī)用大型復(fù)雜鈦合金零部件的鑄造蠟?zāi)?/span>

　　相對于科研的艱難推進(jìn)，3D打印技術(shù)在中國的商業(yè)推廣，更為艱難。

　　從清華大學(xué)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(shù)有限公司(下稱“北京殷華”)開始，許多依托高校對3D打印設(shè)備進(jìn)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(xué)1996年組建了武漢濱湖機(jī)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)有限公司(下稱“濱湖機(jī)電”)，西安交通大學(xué)1997年成立陜西恒 通智能機(jī)器有限公司。注冊于北京市海淀區(qū)中關(guān)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(jié)快速成型機(jī)，1994年正 式投產(chǎn)和銷售。但是3D打印技術(shù)和設(shè)備在市場上的認(rèn)可度仍然很低。

　　華中科技大學(xué)教授史玉升最開始推廣3D打印技術(shù)時，曾被當(dāng)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(tuán)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(rèn)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(shù)人員一起攻關(guān)。真正開始銷售是 在2000年，最初一年只能賣出兩三臺設(shè)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。”武漢濱湖機(jī)電技術(shù)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(jìn)入濱湖機(jī)電負(fù)責(zé)銷售，2005年之后情況才開始好轉(zhuǎn)。

　　在吳澄印象中，大概是在2005年前后，由于3D打印技術(shù)的進(jìn)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。“應(yīng)用領(lǐng)域隨之?dāng)U展，產(chǎn)量得到一個大的提升。”他說：“銷量達(dá)到兩位數(shù)，一年會有十幾臺的業(yè)務(wù)量。”

　　2006 年，上海民營企業(yè)凱泉泵業(yè)引進(jìn)了濱湖機(jī)電的激光燒結(jié)3D打印機(jī)。后來，凱泉泵業(yè)在爭取一個小批量、個性化設(shè)計的核泵項目時，這臺3D打印機(jī)起了作用，從而 進(jìn)入了一個此前從未進(jìn)入過的核泵領(lǐng)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(jī)電購買了5 臺3D 打印機(jī)。

　　直到2009年，史玉升團(tuán)隊的3D打印設(shè)備才被更多企業(yè)接納。2011年，該技術(shù)被歐洲空客公司等單位選中，聯(lián)合承擔(dān)了歐盟框架七項目，為空客 和歐洲航天局等單位制作飛機(jī)、衛(wèi)星、航空發(fā)動機(jī)用大型復(fù)雜鈦合金零部件的鑄造蠟?zāi)?。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(xì)特征的網(wǎng) 絡(luò)結(jié)構(gòu)，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(jī)電已經(jīng)賣出去200多臺設(shè)備，銷售額每年遞增15%，還有部分銷往海外。

　　濱湖機(jī)電的銷售困境，是中國3D打印技術(shù)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(shù)直接制造力學(xué)性能很好的金屬零件的黃衛(wèi)東，目前 也只賣出去5臺設(shè)備。“很多年前我去宣傳這個的時候，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(shù)已經(jīng)能解決他們的問題了。”西北工業(yè)大學(xué)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(shè)備的代理商，經(jīng)銷打印設(shè)備、成形軟件和特種材料，也有企業(yè)購買3D打印設(shè)備專門提供3D打印服務(wù)。即便如此，中國3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模仍然很小，2011年裝機(jī)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。“作為一個小單位來講，我們是很全面的，包括設(shè)備、材料、工藝等全套服務(wù)都是我們自己做。”黃衛(wèi)東告訴《中國新聞周刊》：“國外沒有這樣的，他們分工很細(xì)。”

　　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(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟在北京宣告成立，北京航空航天大學(xué)材料學(xué)院教授王華明被推舉為首任理事長，華中科技大學(xué)教授史玉升為第一副理事長，清華大學(xué)教授顏永年任首席顧問。