楊正蓮

2012年10月中旬，中國工程院?jiǎn)?dòng)調(diào)查，論證3D打印技術(shù)的“終極前景”。這項(xiàng)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(shí)候向國務(wù)院提交報(bào)告。

彼時(shí)，3D打印技術(shù)是否會(huì)引發(fā)第三次工業(yè)革命，已經(jīng)成為各界焦點(diǎn)。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(gè)技術(shù)”。目前初步達(dá)成的共識(shí)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(gè)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?！蔽鞅惫I(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任黃衛(wèi)東在接受《中國新聞周刊》采訪時(shí)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(duì)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(shí)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(zhēng)取到了3萬元啟動(dòng)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(tái)光固化成型樣機(jī)

3D打印技術(shù)在中國興起于上個(gè)世紀(jì)八九十年代，那時(shí)美國、日本雖然提出這個(gè)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(jì)算機(jī)中的設(shè)計(jì)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(shí)，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(dòng)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(qǐng)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(chǎng)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(píng)為“填補(bǔ)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(jí)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(zhēng)取到了3萬元啟動(dòng)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(tái)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(tái)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(huì)上獲得很高的評(píng)價(jià)，并爭(zhēng)取到“九五”國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目250萬元的資助。1997年，盧秉恒團(tuán)隊(duì)賣出了國內(nèi)第一臺(tái)光固化快速成型機(jī)。

同一時(shí)期的華中科技大學(xué)（當(dāng)時(shí)的華中理工大學(xué)），雖然從湖北省科學(xué)技術(shù)委員會(huì)得到了一筆經(jīng)費(fèi)，但也同樣因?yàn)槌杀驹颍黄葟牧硗庖环N工藝起步。1991年，在時(shí)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(yùn)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(yùn)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(jià)格太高，國內(nèi)沒有賣的，進(jìn)口價(jià)格是2000元人民幣1公斤，做實(shí)驗(yàn)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(gè)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(shí)體制造技術(shù)（LOM）。1994年，快速制造中心研制出國內(nèi)第一臺(tái)基于薄材紙的LOM樣機(jī)，1995年參加北京機(jī)床博覽會(huì)時(shí)引起轟動(dòng)。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(shí)期，蹣跚起步的光固化技術(shù)和分層實(shí)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(shí)，國外多以尼龍粉末作為激光燒結(jié)材料，每公斤售價(jià)高達(dá)上千元。最終，一種價(jià)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(gè)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(qiáng)度力學(xué)載荷的致密金屬零件。

當(dāng)時(shí)，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(shí)，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(dòng)機(jī)的零件。最初，這個(gè)大膽的想法并沒有獲得支持，因?yàn)榇饲暗目焖俪尚渭夹g(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(shí)形成了一個(gè)致密的整體。

1997年，航空科學(xué)基金首次設(shè)立重點(diǎn)項(xiàng)目，黃衛(wèi)東團(tuán)隊(duì)的“金屬粉材激光熔凝的顯微組織與力學(xué)性能研究”項(xiàng)目，在評(píng)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(xiàng)目，又獲得國家自然科學(xué)基金的資助。2000年以后，863計(jì)劃、973計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目等也開始對(duì)激光立體成型立項(xiàng)支持。

這個(gè)研究成果，很快就在新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制中得到應(yīng)用。到該航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝機(jī)試車時(shí)，采用傳統(tǒng)鑄造技術(shù)研制的一個(gè)關(guān)鍵零件始終不合格。當(dāng)時(shí)，在時(shí)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(duì)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(cè)。

2001年，黃衛(wèi)東團(tuán)隊(duì)申請(qǐng)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(shí)用新型專利12項(xiàng)。

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(shí)現(xiàn)金屬零件的快速自由精確成型和高強(qiáng)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(shí)，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(jià)高達(dá)上千元。最終，一種價(jià)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(gè)產(chǎn)品——計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)外殼。

突破耗材瓶頸后，史玉升研究團(tuán)隊(duì)又取得了突破，在2010年研制出工業(yè)級(jí)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(duì)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(duì)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(duì)，瞄準(zhǔn)大型飛機(jī)、航空發(fā)動(dòng)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(shí)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(gè)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(shí)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(dòng)機(jī)用大型復(fù)雜鈦合金零部件的鑄造蠟?zāi)?/p>

相對(duì)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(cè)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(duì)3D打印設(shè)備進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化運(yùn)作的公司實(shí)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(cè)于北京市海淀區(qū)中關(guān)村科技園區(qū)北京隆源自動(dòng)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(chǎng)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(shí)，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(duì)通過多次參加各種交流會(huì)使這項(xiàng)成果逐漸得到企業(yè)認(rèn)可，還主動(dòng)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(chǎng)，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(tái)設(shè)備，單價(jià)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(gè)樣子，就連國外公司在中國的銷售也是這樣，每年都是個(gè)位數(shù)的銷售規(guī)模?！蔽錆h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(qiáng)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?yīng)用領(lǐng)域隨之?dāng)U展，產(chǎn)量得到一個(gè)大的提升?！彼f：“銷量達(dá)到兩位數(shù)，一年會(huì)有十幾臺(tái)的業(yè)務(wù)量?！?/p>

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(zhēng)取一個(gè)小批量、個(gè)性化設(shè)計(jì)的核泵項(xiàng)目時(shí)，這臺(tái)3D打印機(jī)起了作用，從而進(jìn)入了一個(gè)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(jì)從濱湖機(jī)電購買了5 臺(tái)3D 打印機(jī)。

直到2009年，史玉升團(tuán)隊(duì)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(xiàng)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(dòng)機(jī)用大型復(fù)雜鈦合金零部件的鑄造蠟?zāi)?。其中，一個(gè)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(shí)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(tái)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(gè)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(tái)設(shè)備?！昂芏嗄昵拔胰バ麄鬟@個(gè)的時(shí)候，人家不會(huì)信也不會(huì)用，現(xiàn)在有越來越多的人覺得這個(gè)技術(shù)已經(jīng)能解決他們的問題了?！蔽鞅惫I(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?jī)H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€(gè)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?！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(xì)?！?/p>

好消息是，中國的3D打印行業(yè)已經(jīng)開始改寫單打獨(dú)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。