研发核心 和原创技术打造中国3D打印创新链与产业链

【导读】

被誉为“中国3D打印之父”的卢秉恒院士和法国国家技术科学院院士吕坚在2019广东3D打印产业应用高峰论坛等场所分享了有关3D打印技术产业应用的观点和实际案例，本文精选并整理了相关内容，以飨读者。

我国3D打印产业的发展状况

卢秉恒：近年来，全球3D打印产业呈快速发展态势，全球市场规模已达92亿美元。根据我国统计数据，我国目前3D打印市场规模为31.8亿元，占了全球3D市场规模的1/3；从发展态势看，2019年上半年我国3D打印设备增长271.24%。

目前，我国在3D打印方面的研究处于国际前列，如论文和专利申请的数量处于世界第二。在应用方面，我国工业级设备装机量居全世界第四，但金属3D打印的商业化设备还比较薄弱，主要还依靠进口；非金属工业型3D打印，我国60%以上立足国内，小型FDM3D打印已批量出口，销量跻身世界前列，但国产工业级装备的关键器件，如激光器、光学振镜、动态聚焦镜、打印头等还主要依靠进口，工业级3D打印材料的研究刚刚起步，除了个别研发能力强的公司研发了少量材料外，3D打印的材料基本依靠进口，从产业发展看，我国的发展得还是太慢，现在进口设备大举进攻中国市场，国外金属3D打印装备实行材料、软件、设备、工艺一体化捆绑销售。我们必须研发核心技术与原创技术，打造自己的创新链与产业链。现在国内已经有若干3D打印公司上市，科技开始与资金结合，这是一个良好的开端。

3D打印技术的优势

卢秉恒：增材制造(3D打印)技术具有5个“任意”的优势，即任何材料、任意形状、任意批量、任何领域、任何场所，目前被广泛运用于车型开发、建筑施工、生物医疗、航空航天、动力机械、个性化设计等领域。

3D打印支持产品快速开发、制造节材、个性化制造以及再制造等方面，目前已经进入应用。今后，研究的重点是建立各类标准，使其能更广泛地应用，发挥最大的效益。

3D打印开拓创新设计的新空间、引领生产模式变革方面，是现在和将来都要持续、深入研究的重要方向。今后，3D打印将会带来重要效益，在引起制造业逐渐量变的同时，近一半的产品将实现个性化、定制化生产。

3D打印的创材与创生方面，则更将为未来材料科学、技术，生命科学和医疗技术带来颠覆性变革。

3D打印与智能制造

卢秉恒：“中国制造2025”的主攻方向和带动性技术是发展智能制造。智能制造主要包括工业互联网和底层智能化两部分。

在工业互联网方面，要形成一个万众创客网、CAD/CAE/CAN数字化制造服务网、3D打印、性能测试服务网，由众包完成产品的开发和数字化制造，用工业互联网构成一个高技术的服务业，构建新机制的创新体系，驱动知识信息的流动。企业的资源是有限的，我们用互联网把全国的、全社会的乃至全球的人才、资源都集中到一块，达到社会资源的优化组合，这就是智能制造的精华。走出工厂的围墙，让知识流动起来，补足中国制造业开发能力弱的短板，这就是互联网带动制造业发展的真谛、最大的效益所在。

在底层智能化方面，主要是机器人、智能制造装备和3D打印。机器人是提高生产柔性、提高效率、降低成本的工具。智能机床的关键是信息获取、工艺优化软件加上过程的质量控制。智能机床能够监控加工的状态并对被加工件所达到的精度作出判断和控制，它能成倍地提高加工质量和加工效率。数字化设计和3D打印中，设计是形成产品创新价值的关键，高端服务业提供设计工具、设计师和产品结构的CAE分析，而3D打印是验证设计的快速手段。3D打印可以使产品开发周期与费用降低1/3～1/5，3D打印支持定制化生产模式，尤其重要的是，3D打印使设计师摆脱了许多可制造性的约束，极大地释放了设计创新空间。因此，3D打印是深刻影响现在和未来的技术。

互联网+先进制造业+现代服务业可以成就制造业美好的未来，制造业可能的前景是：一半以上的制造为个性化及定制，一半以上的价值由创新设计体现，一半以上的企业业务由众包完成，一半以上的创新研发为极客创客实现。

陶瓷4D打印的应用

吕坚：2018年，我们团队实现了全球首次陶瓷4D打印，引起广泛关注。陶瓷的熔点很高，常规激光打印技术制造陶瓷十分困难，而现有3D打印技术制造的陶瓷前驱体通常难以变形，影响复杂形状的陶瓷制品的生产，因此我们团队研究出某种聚合物和陶瓷纳米粒子混合而成的“陶瓷墨水”，用它打印的陶瓷前躯体非常柔软，使得陶瓷4D打印成为可能。4D打印是指在传统3D打印的基础上，增加一个时间维度作为第四维度。4D打印的优势包括能规模化地生产很多特殊结构的材料，以及能通过对一个基本的产品加不同的力，产出不同的几何形状。

这一年来，我们在研究水控、磁场控、光控（即在水、磁、光的刺激下改变3D打印作品形状、功能）的4D打印作品。我们还和广东省科学院材料研究所合作，将钛合金3D打印假肢的抗疲劳强度增加了一倍，使得它的寿命可以延长到无穷大。此外，陶瓷4D打印可应用于手机背板，尤其在手机进入5G时代后，可以同玻璃、塑料一样避免信号屏蔽问题，且不会太重又比较高档。随着5G手机的慢慢普及，两年内，我们将研发出陶瓷手机。

另一方面的应用是航空工业。很多航空产品的零部件都是用3D打印来实现的，陶瓷4D打印能提供更便捷、便宜以及能制造更复杂部件的方案。由于陶瓷耐热的特性，新技术未来有潜力用于航天事业上，例如将“陶瓷墨水”带到太空，打印出所需要的航天器材零部件，以减少航天器发射升空时的负荷。

我们研究团队下一步是要将新技术真正用在产业上，以及从技术研究的角度找出新方案，让它做得更精细；还有就是拓展其他新材料，我们正在做高温合金，而目前已经有一定的进展。

此外，粤港澳大湾区在人才、资金、技术的流动上具有不可比拟的优势。光是广东的陶瓷产业就有300亿元的市场规模，还有手机制造等产业。因此，陶瓷4D打印应用前景广阔。

发展和应用3D打印的建议

卢秉恒：当前，3D打印技术正处于一个技术的“井喷期”、产业的起步期、企业的“跑马圈地”期。我们应该抓紧标准的研究，3D打印的数据标准可能影响到装备和应用两个方面，对此我们应掌握话语权。在航空件和高端医疗器械方面，要积极研究面对3D打印个性化制造产品准入的标准，以利于新技术的应用；要加强基础研究，发展原创技术，在3D打印的新材料研发、显著提升打印件的质量和打印效率等方面实现创新；建立创新体系，为企业提供核心技术和共性技术；攻克关键核心器件，打造产业链；引导金融资本，助推3D打印企业做大做强，形成若干具备国际竞争规模的企业。

目前，广东省的3D打印产值已占全国的1/3。广东是改革开放的前沿地，对新技术十分敏感，是3D打印技术应用最前沿的地方，但因广东制造业发达，3D打印应用最多的仍是手板原型领域，甚至有产能过剩、过度竞争的情况。对于3D打印在广东的应用方向，建议可以侧重三个方面：第一是电子制造领域，珠三角有雄厚的模具制造业基础；第二是可穿戴电子设备领域，如耳机、眼镜等，因为每个人的可穿戴设备都有差异，需要个性化定制；第三是汽车领域，尤其是新能源汽车追求轻量化，有车企正在尝试使用复合材料。