“增材制造對于中國制造而言非常重要，因為中國企業(yè)的制造能力很強，但是產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)能力嚴重不足，而增材制造可以為我們補足這個(gè)短板，它可以用很短的流程對設計進(jìn)行迭代，做出樣機并進(jìn)行評價(jià)、分析，確定之后再進(jìn)行生產(chǎn)?！苯?，中國工程院院士、西安交通大學(xué)教授盧秉恒談到我國增材制造行業(yè)發(fā)展時(shí)表示，增材制造（3D打?。┳罱鼛啄臧l(fā)展非?？?，年增長(cháng)率保持在20%～40%。其中，熔融沉積成型技術(shù)（FDM）尤其迎合了創(chuàng )客的需要和教育的需要，發(fā)展十分迅速。最近較為流行的光固化技術(shù)（SLA）也在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中發(fā)揮了重要作用。
創(chuàng )新技術(shù)不斷涌現
“在金屬材料3D打印中，一個(gè)最重要的問(wèn)題就是怎樣提高結構件強度。這就需要我們對3D打印理論進(jìn)行研究?！北R秉恒表示，無(wú)論是鑄造還是鍛壓，學(xué)術(shù)界一直在研究凝固學(xué)理論，但是鑄造和焊接中熔池規模較大，需要在宏觀(guān)的體積內來(lái)進(jìn)行冷卻和凝固。而在3D打印中，無(wú)論是激光束還是電子束，熔池都比較小，從理論上分析，小的熔池產(chǎn)生的缺陷必定也小，所以材料結構的強度就能夠提高。但是怎樣控制一些晶粒的生長(cháng)呢？盧秉恒介紹，冷卻速度影響晶粒的大小，同時(shí)也影響了結構強度。引用瞬態(tài)強非平衡態(tài)凝固理論，金屬材料的3D打印凝固時(shí)溫度梯度可提高1～2個(gè)數量級，細化了晶粒，提高了材料性能。3D打印的結構性能遠勝于鑄造，很多相當于鍛件。但現在學(xué)術(shù)界還沒(méi)有能夠完全弄清楚強非平衡態(tài)凝固學(xué)這一科學(xué)問(wèn)題，對增材制造件的應力分析還處于實(shí)驗階段，還不能形成很好的理論來(lái)指導這一過(guò)程。
最近幾年，增材制造創(chuàng )新技術(shù)不斷涌現，比如面曝光技術(shù)，應用光固化原理，材料可以像拉拔一樣快速成型，效率提高50倍～100倍。再比如一體技術(shù)金屬打印，實(shí)際上是用光固化的材料加上金屬粉末或陶瓷粉末進(jìn)行打印，打印以后需要進(jìn)行脫脂、燒結。
對大型金屬結構件來(lái)說(shuō)，用絲材進(jìn)行熔化堆積可能是更好的方法，它的能源既可以是激光的，又可以是電子束的，還可以是電弧的，就像傳統的電焊一樣。目前，該技術(shù)可以做到尺寸大于2米、5米甚至是8米。盧秉恒的實(shí)驗室團隊目前已經(jīng)做到2米，且正在嘗試5米、6米的裝備。
其實(shí)，許多傳統制造技術(shù)都可以與3D打印技術(shù)相結合。例如鑄造技術(shù)，利用層層堆積的概念，用一層層薄層鑄造來(lái)形成3D打印新的技術(shù)。盧秉恒團隊有一個(gè)專(zhuān)利就是在每一層鑄造中采取鍛打的方法來(lái)提高強度，增加結構材料的致密度來(lái)提高性能。他們做了很多堆焊實(shí)驗，認為這是大型結構件高效的制造方法，可以達到每小時(shí)5千克甚至10千克。
功能梯度材料受到重視
功能梯度材料和復合材料越來(lái)越引起3D打印行業(yè)的重視。盧秉恒介紹，功能梯度材料（FGM）是指材料的化學(xué)構成、微觀(guān)結構和原子排列由一側向另一側呈連續梯度變化，從而使材料的性質(zhì)和功能連續地呈梯度變化。將材料分層，不同材料打印在不同層，就可以做到表面耐磨、耐腐蝕，里面高強度、韌性好，再里面則是疏松的蜂窩狀結構，就像人體的骨頭一樣，在增強剛性的同時(shí)又減輕重量。目前，這些技術(shù)在航空航天領(lǐng)域已經(jīng)有了重要的用途。
最近在互聯(lián)網(wǎng)醫療行業(yè)有一只異軍突起的力量，哥倫布醫療器械批發(fā)釆購平臺(www.91glb.com)，它以＂顛覆＂者的姿態(tài)在改變著(zhù)行業(yè)規則，讓生意不在難做、讓釆購更簡(jiǎn)單是它們的宗旨，同時(shí)使廠(chǎng)家、經(jīng)銷(xiāo)商、醫院幾方共享互聯(lián)網(wǎng)紅利。
復合材料的應用也是一個(gè)非常重要的方面。例如汽車(chē)、飛機和航天設備，都需要在減輕重量的同時(shí)保持高強度或高剛度，這時(shí)就可用到復合材料。纖維復合材料具有比強度高、比模量大、熱穩定性好、可設計性強、重量輕等特點(diǎn)。纖維復合材料包括長(cháng)纖維復合材料和短纖維復合材料。長(cháng)纖維復合材料在車(chē)身的制造方面還存在許多技術(shù)難關(guān)，它在一些表面較展開(kāi)的曲面比較容易制造，但是在曲面變化較大的凹凸結構中則較難實(shí)現。這時(shí)，也可以用短纖維復合材料或樹(shù)脂復合材料解決這個(gè)問(wèn)題，達到很好的強度。
此外，溫度變化時(shí)界面會(huì )發(fā)生什么樣的變化；承載時(shí)界面之間的作用力怎樣；3D結構形成的過(guò)程與正常工況、溫度環(huán)境和其他物理環(huán)境不一樣，會(huì )不會(huì )引起界面內應力的增加而影響性能……這些都是需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。
應用場(chǎng)景呈現高端化趨勢
3D打印在各種高端制造領(lǐng)域得到了較大發(fā)展。
在航空航天領(lǐng)域，由于3D打印具有對復雜形狀零件的適應性，它可以把很多零件集成在一個(gè)零件上，應用這個(gè)優(yōu)勢，火箭發(fā)動(dòng)機零件個(gè)數可以減少80%，很多焊縫都可以用3D打印來(lái)實(shí)現，這樣能夠減少焊縫帶來(lái)的強度破壞以及其他可能發(fā)生的故障。
在醫療領(lǐng)域，3D打印對于實(shí)現精準醫療具有廣闊的應用前景，從影像診斷、三維數據設計、骨骼等結構打印到臨床手術(shù)，3D打印能夠實(shí)現個(gè)性化組織再生和修復。目前，3D打印在醫療器械制造和專(zhuān)業(yè)醫療輔助器械方面的應用發(fā)展較為成熟。3D打印技術(shù)較為典型的醫療應用包括構建手術(shù)規劃模型、醫療培訓教學(xué)、手術(shù)導板、3D打印植入物以及假肢、助聽(tīng)器等康復醫療器械。醫療器械領(lǐng)域可以充分發(fā)揮3D打印特性化的特點(diǎn)。2000年，盧秉恒團隊做了3D打印用于下額骨特性化替換的試驗，2018年2月，“個(gè)體化下頜骨重建假體”獲得國內首張個(gè)體化定制骨科內植物器械注冊證。
3D打印用于建筑領(lǐng)域也在探索階段。目前打印低層建筑日漸成熟，應用越來(lái)越廣泛。高層建筑還有一定的難度，有待于材料的改進(jìn)和材料打印工藝的發(fā)展。
盧秉恒認為，目前，我國3D打印在應用領(lǐng)域進(jìn)展良好，但是在原創(chuàng )的裝備、原創(chuàng )的技術(shù)方面與發(fā)達國家相比仍有較大差距，希望能夠通過(guò)多學(xué)科交叉，包括材料領(lǐng)域、信息領(lǐng)域、生物醫療領(lǐng)域的交叉來(lái)推動(dòng)3D打印技術(shù)的創(chuàng )新。
3D打印未來(lái)發(fā)展趨勢
盧秉恒指出，3D打印面臨的挑戰主要包括從控形到控形控性，從宏觀(guān)到微納，從制造到創(chuàng )造，從地球到太空以及如何多學(xué)科交叉推動(dòng)技術(shù)創(chuàng )新等多方面。
“微納結構增材制造工藝與裝備”被科技部列為重大共性關(guān)鍵技術(shù)類(lèi)項目，目標是以微機電系統、傳感器、微納光學(xué)、精密醫療器件等為應用對象，開(kāi)展器件制造應用實(shí)驗，形成具有重大應用前景的新型功能器件原型，實(shí)現具有微納特征的三維結構與功能一體化制造。目前，智能制造需要很多的傳感器，在微電子工業(yè)制造領(lǐng)域可能需要上百萬(wàn)件，但是在某些定制化領(lǐng)域，只需要少量、多批度的傳感器，這時(shí)3D打印就能發(fā)揮重要作用。3D打印具有能夠制造復雜形狀的優(yōu)勢，它可以對產(chǎn)品結構進(jìn)行改造、進(jìn)行再設計，使很多零件結合成一個(gè)零件。
盧秉恒認為，未來(lái)，3D打印的發(fā)展趨勢集中在以下幾方面：
第一，3D打印產(chǎn)業(yè)將逐漸成為各行各業(yè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的利器。今后5～10年，也許各個(gè)領(lǐng)域都會(huì )用3D打印技術(shù)開(kāi)發(fā)自己的產(chǎn)品和裝備。
第二，從批量生產(chǎn)走向個(gè)性化定制。制造業(yè)目前是大批量生產(chǎn)，而要發(fā)展個(gè)性化定制，增材制造將發(fā)揮非常重要的作用。目前，國家藥品監管部門(mén)非常重視定制式增材制造醫療器械的發(fā)展，已經(jīng)對《定制式增材制造醫療器械注冊技術(shù)審查指導原則（征求意見(jiàn)稿）》進(jìn)行了多次研討。在個(gè)人消費品領(lǐng)域，海爾集團等公司也在嘗試通過(guò)設計師和用戶(hù)的網(wǎng)絡(luò )交互來(lái)進(jìn)行個(gè)性化產(chǎn)品的設計。
第三，大型企業(yè)跨界介入，促進(jìn)行業(yè)發(fā)展。例如GE公司，用3D打印技術(shù)革新了汽車(chē)發(fā)動(dòng)機的零件。他們還專(zhuān)門(mén)成立了增材制造公司，并投入大量資金來(lái)進(jìn)行研發(fā)活動(dòng)。
第四，標準研究引領(lǐng)發(fā)展。目前，3D打印行業(yè)中標準不夠完善是制約發(fā)展的一個(gè)因素，目前很多低端、高端產(chǎn)品混在一起，用戶(hù)辨識不清，發(fā)展中出現了“劣幣驅逐良幣”、同質(zhì)化、低價(jià)位競爭等現象。標準的完善必須引起有關(guān)部門(mén)的高度重視。
盧秉恒描畫(huà)了增材制造發(fā)展的路線(xiàn)圖——在技術(shù)發(fā)展方面，從3D走向4D，從4D走向5D，所謂5D就是生命可降解組織和發(fā)展因子聯(lián)合，打印出來(lái)的器械能夠成就器官再創(chuàng )技術(shù)，如人工心臟、人工肝臟；在應用發(fā)展方面，逐步從20世紀的產(chǎn)品原型走向3D打印開(kāi)發(fā)，再走向批量生產(chǎn)；在成型材料方面，從樹(shù)脂發(fā)展到金屬材料、復合材料，再到生物活性材料；在產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面，從裝備發(fā)展到各個(gè)領(lǐng)域，再發(fā)展到尖端科技；在參與者方面，正在從科技界走向企業(yè)界，金融機構也在嘗試應用3D打印技術(shù)，將來(lái)會(huì )有越來(lái)越多的創(chuàng )客用3D打印技術(shù)完成他們的奇思妙想。
