發(fā)布日期：2019-07-09
盧秉恒
中國(guó)工程院院士、西安交通大學(xué)教授，是我國(guó)3D打印領(lǐng)域最早的研究者之一，也是我國(guó)3D打印領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物。長(zhǎng)期致力于先進(jìn)制造技術(shù)的研究，主要開(kāi)展增材制造、生物制造、微納制造與電子制造裝備等方面的科研和教學(xué)工作。開(kāi)發(fā)了國(guó)際首創(chuàng)的紫外光快速成型機(jī)及具有國(guó)際先進(jìn)水平的機(jī)、光、電一體化快速制造設(shè)備和一系列快速模具制造技術(shù)，首倡納米壓印研究，在個(gè)性化匹配人工骨及生物活性人工骨的研究方面獲得重要突破。2018年2月，盧秉恒院士及其團(tuán)隊(duì)研發(fā)的“個(gè)體化下頜骨重建假體”獲醫(yī)療器械注冊(cè)證，這是國(guó)內(nèi)首張個(gè)體化定制骨科內(nèi)植物器械注冊(cè)證。
“增材制造對(duì)于中國(guó)制造而言非常重要，因?yàn)橹袊?guó)企業(yè)的制造能力很強(qiáng)，但是產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)能力嚴(yán)重不足，而增材制造可以為我們補(bǔ)足這個(gè)短板，它可以用很短的流程對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行迭代，做出樣機(jī)并進(jìn)行評(píng)價(jià)、分析，確定之后再進(jìn)行生產(chǎn)。”近日，中國(guó)工程院院士、西安交通大學(xué)教授盧秉恒談到我國(guó)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)展非常快，年增長(zhǎng)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(xiàn)
“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(jié)構(gòu)件強(qiáng)度。這就需要我們對(duì)3D打印理論進(jìn)行研究。”盧秉恒表示，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(guī)模較大，需要在宏觀的體積內(nèi)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(jié)構(gòu)的強(qiáng)度就能夠提高。但是怎樣控制一些晶粒的生長(zhǎng)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(jié)構(gòu)強(qiáng)度。引用瞬態(tài)強(qiáng)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(shù)量級(jí)，細(xì)化了晶粒，提高了材料性能。3D打印的結(jié)構(gòu)性能遠(yuǎn)勝于鑄造，很多相當(dāng)于鍛件。但現(xiàn)在學(xué)術(shù)界還沒(méi)有能夠完全弄清楚強(qiáng)非平衡態(tài)凝固學(xué)這一科學(xué)問(wèn)題，對(duì)增材制造件的應(yīng)力分析還處于實(shí)驗(yàn)階段，還不能形成很好的理論來(lái)指導(dǎo)這一過(guò)程。
最近幾年，增材制造創(chuàng)新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，比如面曝光技術(shù)，應(yīng)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(jié)。
對(duì)大型金屬結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(yàn)室團(tuán)隊(duì)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(tǒng)制造技術(shù)都可以與3D打印技術(shù)相結(jié)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(tuán)隊(duì)有一個(gè)專利就是在每一層鑄造中采取鍛打的方法來(lái)提高強(qiáng)度，增加結(jié)構(gòu)材料的致密度來(lái)提高性能。他們做了很多堆焊實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為這是大型結(jié)構(gòu)件高效的制造方法，可以達(dá)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(fù)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(gòu)成、微觀結(jié)構(gòu)和原子排列由一側(cè)向另一側(cè)呈連續(xù)梯度變化，從而使材料的性質(zhì)和功能連續(xù)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(qiáng)度、韌性好，再里面則是疏松的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，就像人體的骨頭一樣，在增強(qiáng)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。
復(fù)合材料的應(yīng)用也是一個(gè)非常重要的方面。例如汽車、飛機(jī)和航天設(shè)備，都需要在減輕重量的同時(shí)保持高強(qiáng)度或高剛度，這時(shí)就可用到復(fù)合材料。纖維復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比模量大、熱穩(wěn)定性好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、重量輕等特點(diǎn)。纖維復(fù)合材料包括長(zhǎng)纖維復(fù)合材料和短纖維復(fù)合材料。長(zhǎng)纖維復(fù)合材料在車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(jié)構(gòu)中則較難實(shí)現(xiàn)。這時(shí)，也可以用短纖維復(fù)合材料或樹(shù)脂復(fù)合材料解決這個(gè)問(wèn)題，達(dá)到很好的強(qiáng)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(jié)構(gòu)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(nèi)應(yīng)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(yīng)用場(chǎng)景呈現(xiàn)高端化趨勢(shì)
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(duì)復(fù)雜形狀零件的適應(yīng)性，它可以把很多零件集成在一個(gè)零件上，應(yīng)用這個(gè)優(yōu)勢(shì)，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)零件個(gè)數(shù)可以減少80%，很多焊縫都可以用3D打印來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣能夠減少焊縫帶來(lái)的強(qiáng)度破壞以及其他可能發(fā)生的故障。
在醫(yī)療領(lǐng)域，3D打印對(duì)于實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)療具有廣闊的應(yīng)用前景，從影像診斷、三維數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)、骨骼等結(jié)構(gòu)打印到臨床手術(shù)，3D打印能夠?qū)崿F(xiàn)個(gè)性化組織再生和修復(fù)。目前，3D打印在醫(yī)療器械制造和專業(yè)醫(yī)療輔助器械方面的應(yīng)用發(fā)展較為成熟。3D打印技術(shù)較為典型的醫(yī)療應(yīng)用包括構(gòu)建手術(shù)規(guī)劃模型、醫(yī)療培訓(xùn)教學(xué)、手術(shù)導(dǎo)板、3D打印植入物以及假肢、助聽(tīng)器等康復(fù)醫(yī)療器械。醫(yī)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(tuán)隊(duì)做了3D打印用于下額骨特性化替換的試驗(yàn)，2018年2月，“個(gè)體化下頜骨重建假體”獲得國(guó)內(nèi)首張個(gè)體化定制骨科內(nèi)植物器械注冊(cè)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(yīng)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(rèn)為，目前，我國(guó)3D打印在應(yīng)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(dá)國(guó)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(yī)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(shì)
盧秉恒指出，3D打印面臨的挑戰(zhàn)主要包括從控形到控形控性，從宏觀到微納，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(jié)構(gòu)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)類項(xiàng)目，目標(biāo)是以微機(jī)電系統(tǒng)、傳感器、微納光學(xué)、精密醫(yī)療器件等為應(yīng)用對(duì)象，開(kāi)展器件制造應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，形成具有重大應(yīng)用前景的新型功能器件原型，實(shí)現(xiàn)具有微納特征的三維結(jié)構(gòu)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(fù)雜形狀的優(yōu)勢(shì)，它可以對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造、進(jìn)行再設(shè)計(jì)，使很多零件結(jié)合成一個(gè)零件。
盧秉恒認(rèn)為，未來(lái)，3D打印的發(fā)展趨勢(shì)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(guó)家藥品監(jiān)管部門(mén)非常重視定制式增材制造醫(yī)療器械的發(fā)展，已經(jīng)對(duì)《定制式增材制造醫(yī)療器械注冊(cè)技術(shù)審查指導(dǎo)原則（征求意見(jiàn)稿）》進(jìn)行了多次研討。在個(gè)人消費(fèi)品領(lǐng)域，海爾集團(tuán)等公司也在嘗試通過(guò)設(shè)計(jì)師和用戶的網(wǎng)絡(luò)交互來(lái)進(jìn)行個(gè)性化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。
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)革新了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的零件。他們還專門(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(biāo)準(zhǔn)研究引領(lǐng)發(fā)展。目前，3D打印行業(yè)中標(biāo)準(zhǔn)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，用戶辨識(shí)不清，發(fā)展中出現(xiàn)了“劣幣驅(qū)逐良幣”、同質(zhì)化、低價(jià)位競(jìng)爭(zhēng)等現(xiàn)象。標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用發(fā)展方面，逐步從20世紀(jì)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(fù)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(jī)構(gòu)也在嘗試應(yīng)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。
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3D打印主流技術(shù)
SLA(光固化技術(shù)) 利用激光掃描，使液態(tài)光敏樹(shù)脂固化。這是最早發(fā)明出來(lái)的3D打印技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)驗(yàn)證。
SLS(選擇性激光燒結(jié)) 是一種將非金屬(或普通金屬)粉末分層鋪設(shè)，激光在程序控制下選擇區(qū)域掃描燒結(jié)成三維物體的工藝。用于飛機(jī)、航空航天零件的制造以及精密件的制造，包括飛機(jī)的格柵、牙科的修復(fù)、顱骨的修復(fù)等。
SLM 是在送粉中實(shí)現(xiàn)激光融化和燒結(jié)，類似堆焊，制造件更加致密、強(qiáng)度達(dá)到鍛件水平，可用于制造大型結(jié)構(gòu)件、承載件。
FDM(熔融堆積法) 將熱塑性絲狀材料加熱從小孔擠出，將絲材熔化堆積成型。適合于教育或者創(chuàng)客設(shè)計(jì)驗(yàn)證。大尺寸FDM裝備可用于汽車和無(wú)人機(jī)的制造。
來(lái)源：中國(guó)醫(yī)藥報(bào)
