盧秉恒院士被譽為“中國3D打印的教父”。即便身體里搭了4個心臟支架,但他始終躬身于推進(jìn)中國3D打印事業(yè)的發(fā)展,每天忙得像陀螺一樣團(tuán)團(tuán)轉(zhuǎn)。
“中國制造業(yè)規(guī)模預(yù)計會達(dá)到3萬億美元,3D打印所創(chuàng)造的價值將占三分天下,即占據(jù)約1萬億美元的規(guī)模?!睗M頭白發(fā)的盧秉恒院士在描繪3D打印發(fā)展藍(lán)圖的時候,中氣十足。
由于他的行程比較緊張,這段談話僅持續(xù)了一個多小時。不過,當(dāng)聊到了3D打印對制造業(yè)的助力、技術(shù)優(yōu)勢、發(fā)展現(xiàn)狀、不足以及未來時,他的眼神時而明亮,時而焦灼,時而熱切起來。
1萬億美元的規(guī)模
中國邁入3D打印世界的時間,是在1996年。這一年,正是盧秉恒的3D打印研究項目得到國家科技部支持的第二年。
滄海桑田,24載過去,中國的3D打印產(chǎn)業(yè)早已遍地開花。這項在當(dāng)年并不被人看好的科研項目,在盧秉恒的堅持下得以繼續(xù)。其對于制造業(yè)的意義,盧秉恒早已預(yù)見到了。
對于3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度,他是欣喜的。近10年,國內(nèi)金屬3D打印設(shè)備的增長在印證3D打印產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展這一事實,2019年相比2018年增加300%。放眼至全世界,每年的發(fā)展速度也達(dá)到了20%~30%。
制造,從技術(shù)上而言,可分為增材、等材、減材三種。盧秉恒預(yù)測,未來這三種技術(shù)將是“三分天下”的局面,這也意味著中國制造業(yè)體量近3萬億美元,增材制造將會占1萬億美元的體量。
3D打印作為新興的技術(shù),為什么能一夜之間與擁有3000年歷史的“等材制造”、300年歷史的“減材”制造平起平坐?它在制造業(yè)有什么樣的“魔力”?或許在30多年前,盧秉恒在美國汽車公司第一次看到這項技術(shù)時就找到了答案。
“3D打印對于制造業(yè)而言,有助于提升其質(zhì)量和發(fā)展水平。它能克服中國制造的‘心臟病’?!北R秉恒說。
飛機的“心臟”——發(fā)動機,正是制造的一大難點。但3D打印的出現(xiàn),成為其重要轉(zhuǎn)折點。盧秉恒團(tuán)隊正在與飛機發(fā)動機企業(yè)合作,用3D打印的技術(shù)制造葉片,并正在進(jìn)行工程化的驗證。
飛機發(fā)動機葉片,傳統(tǒng)以精密鑄造法制造,葉片鑄造需要用精密鑄型。因為葉片形狀復(fù)雜,需要分成多個型芯、型殼,然后裝配起來,難度很大。裝配有間隙造成多個零件裝配后精度難以保證,存在安裝誤差,尤其在澆注過程中,金屬溶液沖刷導(dǎo)致型芯位置變動,最后導(dǎo)致葉輪制造誤差,造成廢品等。
采用3D打印,則可將鑄型一體化打印,免除廢品,葉片鑄造的一致性也得到保證。傳統(tǒng)的工藝中,葉片鑄造的廢品率高達(dá)60%,相比之下,3D打印使得成功率達(dá)80%以上。
3D打印助力制造業(yè)產(chǎn)品、裝備的創(chuàng)新設(shè)計。
“好的設(shè)計并不見得能落地,有些零件形狀過于復(fù)雜,傳統(tǒng)工藝無法實現(xiàn),3D打印則可以滿足設(shè)計師的‘所想即所得’的愿望,為創(chuàng)新開拓了很大的空間?!北R秉恒興奮地說道。
美國GE公司,在這方面嘗到了甜頭,作為3D打印用在工業(yè)中“第一個吃螃蟹”的公司,它嘗試用3D打印技術(shù)做飛機發(fā)動機的噴油嘴,結(jié)果將傳統(tǒng)工藝需要做的20多個零件變成了1個零件打印,使得噴油嘴的一致性得到提高,燃燒效率也大幅提升。
“3D打印對于制造業(yè)而言,也可以節(jié)約材料?!庇行╊I(lǐng)域的材料利用率不高,如航空航天的一些零件,傳統(tǒng)方法是做減法,不少零件在制作過程中,有些材料甚至被切削掉97%,造成極大浪費。C919主梁就是一個大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的薄壁件,切削加工被切掉的材料高達(dá)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,材料大大得到節(jié)約。”
3D打印對制造業(yè)的影響是毋庸置疑的,但由于材料、成本和打印速度等限制,不少人認(rèn)為這項技術(shù)更多只能應(yīng)用于高端制造領(lǐng)域。
盧秉恒反駁說,“隨著技術(shù)的發(fā)展,各種高效率、低成本的打印方法也不斷涌現(xiàn),3D打印也會逐漸從個性化領(lǐng)域走向批量化制造。”
打印材料是下一個發(fā)展重點
實現(xiàn)先進(jìn)制造,必須材料先行。
國內(nèi)的3D打印發(fā)展的初期,更多的是技術(shù)跟蹤。在這個階段更關(guān)注的是打印設(shè)備和工藝過程,而打印材料制備方面的研究和優(yōu)選相對較薄弱。
隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展,對3D打印的訴求從產(chǎn)品開發(fā)階段上升為復(fù)雜產(chǎn)品小批量制造的階段,制造業(yè)對于3D打印材料的品質(zhì)和性能的要求越發(fā)迫切。
相關(guān)資料顯示,目前國內(nèi)的基礎(chǔ)3D打印材料已基本滿足國產(chǎn)設(shè)備的增材制造需要,但高性能金屬粉材依然依賴進(jìn)口,國產(chǎn)材料在純凈度、顆粒度、均勻度、球化度、含氧量等對打印成品性能影響較大的原料指標(biāo)方面,相比國外仍存在較大的差距。
材料依賴進(jìn)口,難免受制于人。材料價格居高不下,成為3D打印的市場應(yīng)用和推廣的“攔路虎”。
7月7日(2021年),在接受《大國之材》采訪前,盧秉恒飛了一趟甘肅金昌市。盧秉恒的團(tuán)隊正在與當(dāng)?shù)匾患疑鲜泄咎接懻归_3D打印金屬粉末材料制備的合作。
盧秉恒團(tuán)隊緊盯新技術(shù)趨勢,研發(fā)出一項目前國內(nèi)外最新的第三代制粉技術(shù),用先進(jìn)的射頻等離子技術(shù)制備出的粉末純實心、無子母球、性能優(yōu)異。
盧秉恒有些興奮地向《大國之材》介紹了這項新技術(shù),這項制粉的技術(shù)溫度可以達(dá)到很高,適應(yīng)各種金屬、陶瓷等粉末的制備。
“不過,并非所有的應(yīng)用領(lǐng)域都像航空航天般對零件的強度、抗疲勞性的要求高,氣霧法和甩出法制備的粉末都各有其市場的定位?!?br />
目前,新合金材料開發(fā)的先進(jìn)技術(shù)是材料基因組設(shè)計,但理論的設(shè)計尚需要驗證。傳統(tǒng)的冶金過程耗時耗財,使新材料的誕生很難。盧秉恒提出可以用3D打印作為材料基因組設(shè)計方案的驗證平臺,為新合金的研發(fā)開辟了一個通途。真正材料、結(jié)構(gòu)一體化的創(chuàng)新方法將大大推動裝備制造的發(fā)展。
“3D打印材料的研究,一定會成為下一個重點,無論是對科研還是產(chǎn)業(yè)發(fā)展。”
標(biāo)準(zhǔn)是未來的基石
國內(nèi)3D打印產(chǎn)業(yè)逐漸發(fā)展起來,但盧秉恒始終在緊盯著與國際的差距。
3D打印能打印什么?當(dāng)國內(nèi)市場上擺著3D打印的觀賞性擺件的時候,有些國外民間公司已經(jīng)開始用它制造火箭。據(jù)外媒報道,一家創(chuàng)立3年的公司—— Relativity Space就是這么干的。
他們正在制造一枚中型軌道火箭,95%的部件是由3D打印制造,生產(chǎn)出的火箭零件將比傳統(tǒng)生產(chǎn)的少100倍。其發(fā)動機噴油器和腔室僅由三個3D打印部件組成,而這些部件以傳統(tǒng)的方式制造則需要近3000個部件。
值得一提的是火箭制造速度,在60天內(nèi)讓火箭完成從"一堆原材料"到“登上發(fā)射臺“的轉(zhuǎn)變。
作為“中國3D打印教父” ,盧秉恒也一直在思考3D打印與太空的關(guān)系。他提出“太空3D打印的設(shè)想”,“太空3D打印,把太空作為一個制造基地,不是遙遠(yuǎn)的概念,而是一個緊迫的目標(biāo)!”
在宇宙探索中,發(fā)射成本是很重要的一項成本。如果在月球上進(jìn)行制造航天器,然后進(jìn)行發(fā)射,它的成本或比地球上節(jié)約幾十分之一。此外,太空中進(jìn)行3D打印有諸多優(yōu)勢,在真空中打印不會發(fā)生氧化等現(xiàn)象、太陽能充足。此外太空中無重力,用很小的設(shè)備就可以制造大部件。盧秉恒勾勒出太空3D打印的景象。
然而真正進(jìn)行火箭的打印,需要建立起包括數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)體系。“國外在數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方面進(jìn)行了大量的研究,我們也應(yīng)該大力加緊數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的工作?!?br />
對于數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè),盧秉恒一直掛在心上,在出席的論壇上不斷地強調(diào)其緊迫性。
數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)對于3D打印有多重要?
近30年的發(fā)展,3D打印產(chǎn)業(yè)衍生出各種工藝、材料和設(shè)備。但因為缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),在合作的時候,就會面臨數(shù)據(jù)不夠統(tǒng)一的現(xiàn)象,造成應(yīng)用、開發(fā)困難。
數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)可以讓企業(yè)通過大數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)最優(yōu)工藝,從而優(yōu)化工藝參數(shù)。實現(xiàn)數(shù)據(jù)流動,可以解決中小企業(yè)對這些工藝知識掌握的困難?!罢l拿到這個標(biāo)準(zhǔn),誰就掌握主動權(quán)?!?br />
“國內(nèi)對于標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)進(jìn)展還往往處于討論階段?!北R秉恒表示,以前大家所理解的標(biāo)準(zhǔn)是收集材料然后討論,但實際是需要大量的實驗及其數(shù)據(jù)的分析研究。
“標(biāo)準(zhǔn)制定的工作正在逐步推進(jìn),目前國內(nèi)的增材制造專門有個標(biāo)準(zhǔn)委員會在推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。我們要把企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)、團(tuán)體的標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn),一起推動起來,將標(biāo)準(zhǔn)體系盡早確定?!?br />
中國3D打印的教父
中國3D打印產(chǎn)業(yè)日益強大,盧秉恒卻逐漸衰老。
如今已古稀之年的盧秉恒,在為3D打印四處奔波的身影,和年輕時的他一樣激情未變。
每天工作安排很滿,這位年逾七十的老人家身體里,早在十幾年前就已經(jīng)安裝了4個心臟支架。
在業(yè)內(nèi),盧秉恒被稱為“中國3D打印的教父”,這個稱號是有來歷的。
尚在念高中的時候,盧秉恒就是位有志青年。當(dāng)時處于國家最困難的時期,他一邊吃著黑饅頭一邊看報紙,看勵志文章,“奮發(fā)圖強”四個字鐫刻在他的腦海里。
當(dāng)時就感覺火箭很先進(jìn)的盧秉恒,想報考學(xué)習(xí)火箭專業(yè),因為當(dāng)時出身問題,不能報考保密專業(yè),只好念了機械制造專業(yè)。
畢業(yè)后,進(jìn)入工廠當(dāng)工人,在工廠的工作很輕松。這是一家做儀表的工廠,每天8小時工作量只用2小時就完成了。其余時間只能聊天和玩,盡管生活得很輕松,但他心里一直很苦惱,不甘十幾年寒窗苦讀就這樣浪費,一直想找個發(fā)展機會。改革開發(fā)提供了機遇,30多歲的他又重拾書本,攻讀碩士、博士,留??蒲?,所學(xué)有了用武之地。
90年代初,他去美國汽車公司考察,現(xiàn)場看到了3D打印技術(shù)一下子把一個零件做出來了,那一刻,他已意識到這個技術(shù)對于中國制造業(yè)的重要價值?;貒?,他把出國前剩下的十幾萬科研經(jīng)費全部投入3D打印研發(fā)。
招聘幾個研究生就開始干,很多同學(xué)勸他,這事沒有幾百萬是干不成的,別浪費時間和精力。但盧秉恒堅信3D打印在工業(yè)應(yīng)用中的價值,覺得應(yīng)該去研究,“固執(zhí)”的他繼續(xù)展開他的研究。與此同時,他也在找機會爭取國家層面的支持。
1994年,科技部召開先進(jìn)制造技術(shù)會議。按照慣例,當(dāng)時還是副教授的他并沒有預(yù)定的發(fā)言,所幸的是,這場會議給了自由發(fā)言的機會,盧秉恒激動地跳上講臺,當(dāng)著幾百個科研工作者,介紹了這項先進(jìn)的制造技術(shù)。
會議結(jié)束后,科技部秘書長找到盧秉恒,問他能不能寫個建議書,盧秉恒激動地答應(yīng)了,當(dāng)晚寫好就呈交上去。
當(dāng)時并未抱多大希望的他,在半個多月后接到一個通知,說科技部準(zhǔn)備考察他的項目。機會是留給有準(zhǔn)備的人,由于預(yù)先研發(fā)的原理樣機,考察獲得通過,盧秉恒如愿以償?shù)氐玫搅藝覍用娴闹С帧?br />
就這樣,盧秉恒徹底沉浸在3D打印的事業(yè)中。SLA設(shè)備迅速得以研發(fā),使我國的技術(shù)進(jìn)入企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用中,中國的3D打印有了良好的起步。
一轉(zhuǎn)眼二十多年過去了,中國3D打印產(chǎn)業(yè)取得了飛速的發(fā)展。在盧秉恒的腦海中,有這樣一幅景象,3D打印應(yīng)用在各個行業(yè),形成 “3D打印+”,“‘3D打印+’的領(lǐng)域都會帶來諸多制造業(yè)的創(chuàng)新,這就是未來的發(fā)展趨勢。”
盡管七十多歲,盧秉恒仍舊保持著游泳的習(xí)慣,在和他聊天的過程中,也不難發(fā)現(xiàn)他的反應(yīng)速度和思路依舊很敏捷和清晰。
他的愿望是趁著自己還能多做些事情的時候,多為3D打印做些有價值的事情,“國家風(fēng)風(fēng)雨雨這么多年,現(xiàn)在有這么好的機遇,我們應(yīng)該抓緊時間做好,不能再浪費時間了?!?br />
來源:新材料在線
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