“中国3D打印之父”——卢秉恒

文/ 王遂社 黄明 周亚龙

卢秉恒，1945年2月出生于安徽亳州，中国机械制造与自动化领域著名科学家，现为西安交通大学教授、博士生导师。同时担任国家重大科技专项“高档数控机床与基础制造设备”技术总师、国务院学位委员会机械学科评议组召集人等重要职务。曾获国家科技进步二等奖、国家技术发明二等奖、全球华人蒋氏科技成就奖，被授予“做出突出贡献的中国博士学位获得者”“全国五一劳动奖章”称号，2005年当选为中国工程院院士。近年主持国家科技攻关、973、863计划、国家自然科学基金等项目40个，发表论文400多篇，获发明专利20余项，多次获得国家及省部级奖励。

工作中的卢秉恒院士

卢秉恒院士长期致力于先进制造技术的研究，在国内倡导开拓了增材制造、微纳制造、生物制造、高速切削机床等先进制造技术，在纳米压印研究、个性化匹配人工骨及生物活性人工骨的研究方面获得重要突破，并进入临床实验。他开发了国际首创的紫外光快速成型机及具有国际先进水平的机、光、电一体化快速制造设备和一系列快速模具制造技术，是全国3D打印领域唯一的院士，被誉为“中国3D打印之父”。

中国增材制造产业发展高峰论坛上，卢秉恒院士《智能制造与3D打印》主题演讲

（一）

“3D打印就像是燕子垒窝，衔泥巴一点一点垒起来一样”，其工作原理是以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体。从点到线，从线到面，从面到体，将打印材料一层层叠加起来。卢秉恒风趣地说，中国的长城就像现在的增材制造，也是一层一层叠加起来的。3D打印属于快速成形技术的一种，目前已广泛应用于建筑、汽车、教育、工业设计、土木工程、航空航天、地理信息系统、牙科和医疗等产业。

3D打印技术出现在20世纪90年代中期，麻省理工学院首获3D印刷技术专利，2005年，市场上首个高清晰彩色3D打印机由美国zcorp公司研制成功。这项技术最突出的优点是无需机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，从而极大地缩短产品的研制周期，提高生产率，降低生产成本。

我国从20世纪90年代初开始涉足3D打印技术，华中科技大学、清华大学、西安交通大学自主开发了3D打印设备并实现工业化。其中西安交通大学自主研发了三维打印机喷头，并在光固化成型系统、成型材料等方面取得了突破性进展，成型精度达到了0.2mm。

随着社会进步与科技发展，以信息技术与制造技术深度融合为特征的智能制造模式，正在引发整个制造业的深刻变革。3D打印是制造业有代表性的颠覆性技术，实现了制造从等材、减材到增材的重大转变，改变了传统制造的理念和模式，具有重大价值。促进中国制造水平，既要在改造传统制造上“补课”，同时还要瞄准世界产业技术发展前沿。

带着“制造业兴国”的最初梦想，卢秉恒院士在3D打印和先进制造的路上已经坚持走了很久。1979年考上西安交大研究生之前，34岁的卢秉恒已经在河南省三门峡中原量仪厂车间工作了十多年，从技术员干到厂长，把一个原来没有稳定产品的企业搞得红红火火，年产值达100万元。直到如今，卢秉恒手上厚厚的老茧，还积淀着那段来自基层的记忆。正是来自基层一线的实践，使卢秉恒对科技进步有了更加深刻的理解与认识。

卢秉恒院士被聘为钱学森实验室成立“太空制造院士工作室”太空探索实验室科学委员会主席

“我毕业以后就到工厂干了11年，改革开放以后高校开始招研究生了，我觉得这对我的人生是最后一次机会，就想要抓紧再去进修一下。”卢秉恒回忆道，因为改革开放后国家百废待兴，需要新的知识，所以自己努力考了研究生，从硕士到博士，从工厂到高校，卢秉恒的知识不断丰富，视野不断开阔，境界不断提升，研究课题逐步接近高新科技的前沿，人生也进入了一个崭新的阶段。1992年，卢秉恒作为高级访问学者赴美考察，在参观汽车模具企业时，首次看到了快速成型技术在汽车制造业中的应用，他敏锐地意识到这项新技术的先进性。回国调研发现，国内市场前景十分广阔。他认为西安交通大学完全有能力、有实力自主开发这种设备，于是带领几位朝气蓬勃的年轻教师和博士生在简陋的实验室里开始了艰苦的研究历程。作为学界专家，卢秉恒非常关注年轻人的培养。“现在很多前沿技术、先进技术，都已经在我们的高校和科研机关研究和应用了，比我当初从工厂进学校时强多了。应该强调的是，实践特别重要。我做一些工程项目相比其他教授更得心应手，就是因为我在工厂干过，知道问题的要害在哪里，也能了解哪些事情能否做成，整个底线掌握比较清楚。现在的研究生很多都是从学校门到学校门，虽然他们计算机和外语能力都很棒，但是在涉及工程实际问题上的能力就弱了，还需要锻炼基本功。”从1993年就开始研究3D打印的卢秉恒，已经成为这一领域的领军人物。1995年9月，项目成果通过国家科委论证，首批获得“九五”国家重点科技攻关项目250万元的资助。1997年底，卢秉恒团队提前完成了攻关任务。同时，面对我国企业对先导性、经济性以及降低成本的要求，他们研究用紫外灯代替激光器，开发了国际首创的紫外光快速成型机，并实现了光固化快速成型机的产业化。

卢秉恒带领团队陆续开发出的激光快速成型机、紫外光快速成型机、真空浇注成型机等一系列快速成型与模具制造设备及光固化材料，已经达到国内领先、国际先进水平。他们的技术成果通过企业化运作，在全国建立起创新服务平台20多家，创新人才培养基地近10家，为2000多家企业源源不断地提供新产品创新创意设计及快速制造服务。

（二）

制造业是国民经济的支柱产业，是国家综合实力的重要体现。改革开放以来，我国制造业发展迅速，目前已成为世界第一制造大国。但是，从单位GDP的能源消耗、环境代价来看，我国相当于先进国家的两倍。只有向制造业高端的方向发展，才能改变大而不强的局面。为此，2015年5月，国务院发布《中国制造2025》，提出了通过“三步走”实现制造强国的目标。3D打印技术成为高层和业界关注的热点。

卢秉恒说，3D打印的优势在于快捷、精确、耗材少。传统制造方法多是减材制造，即在整块材料的基础上去除多余部分，将剩下的部分制成产品，被去除的多余部分大多沦为工业废料而被抛弃。3D打印是“按图索骥”，用材料精确“喷”出每一层平面后再进行累加，生产过程几乎不会产生任何废料。既可保证精准、精细，又能实现科学施工，做到优质高效。在航空航天领域，可以使材料利用率由5%提升至90%以上，制造周期由数月压缩为几天；概念飞机的设计可以减轻质量的60%；生产新能源汽车，可以把2万个零件集成为40个零件，6天打印完成，且减重1/3。与规模化生产的商品不同，3D打印产品可以很容易地进行量身定制。目前这一技术已广泛应用于制造业、人类健康、消费品等领域。

卢秉恒做梦也没想到，他的讲座竟然讲到了国务院！

2015年8月21日下午，国务院第一会议室变成了一间临时讲座场所。主讲者是来自西安交通大学的卢秉恒教授。“听众”则是国务院总理、副总理、国务委员，以及各部部长，还有央企、金融机构负责人。第一会议室平日里是召开国务院常务会议、讨论部署重大政策的地方。当时以国务院名义组织专题讲座，这还是首次。这堂“国课”进行了40多分钟，主讲先进制造与3D打印。

卢秉恒院士在3D打印大应用前景论坛上发言

关于这次最高规格的讲座，卢秉恒回忆道：其实早在（2015年）4月底就接到了国办的通知，准备期间，他三易讲稿，又两次邀请中国工程院院长周济提出修改意见。起初想主讲3D打印，第二次修改时增加了装备制造业，国家发布“2025”计划后，又增加了相关内容，直到8月17日才最终确定讲稿。“先进制造与3D打印”这个题目，是国务院领导亲自选定的。这就意味着国家领导非常重视“促进中国制造业水平”，而这盘大棋的紧要处之一，就是要抓住世界产业技术发展的新趋势，改造传统意义上的中国制造，3D打印正是这样的尖端技术之一。之所以选择卢秉恒，因为他是这一领域唯一的院士。

卢秉恒印象最深的是，讲座期间总理两次和他对话：一次是讲到以3D打印为代表的“增材制造”的时候，总理很感兴趣。他讲解到，铸锻焊在制造过程中重量基本不变，属于“等材制造”，已有3000年历史；随着电动机发明，车铣刨磨机床出现，通过材料的切削去除达到设计形状，称为“减材制造”，已有300年历史；而以3D打印为代表的“增材制造”，1984年提出，1986年实现样机，才30年时间，是极有前景的制造技术。我国的3D打印相比国外，研究起步并不晚，某些方面还处于领先地位，但产业的发展太慢，企业规模不足，和国外相比，仍然有一个数量级（10的倍数）差距。另一次是讲到德国偏重“制造互联网”，美国偏重“互联网制造”时，李克强总理马上追问道：“这两者究竟有什么不同？请您详细讲一下。”卢秉恒在比较了中、德、美三国后，认为德国的工业优势在于质量过硬、基础雄厚、工艺严谨；美国的优势在于社会创新、高科技研发、集全球资源与精英；中国的优势则在于有比较完整的工业体系、内需市场巨大、人力资源丰富。因此，他建议对美国和德国的优势要素都要合理地进行吸收，补足中国制造业开发能力弱的短板，让互联网带动制造业发展。他举例说：在美国的创新群体中，三分之一在自家车库，三分之一在学校，三分之一在孵化器。其中极客和创客起到了很重要的作用。李克强总理听后，对大企业老总们说，“你们现在就是‘制造业’”。国务院副秘书长江泽林站起来向与会者介绍说：“卢教授不是普通的教授，在科研之外还成立公司，帮扶地方发展，希望大家有机会去卢教授的实验室里看看。”原来江泽林在陕西任副省长期间曾主持周末讲座，有一期就是卢秉恒主讲3D打印。

（三）

“凿井当及泉，张帆当济川”。高端制造装备是大国重器，战略性新兴产业的发展依赖于高端制造装备的水平。无论大飞机、发动机、新能源、生物医疗、新材料、海洋工程，还是约束核聚变、对地观测、空间站等战略性产业及国家尖端科技，没有自己的高端制造装备，就只能亦步亦趋地跟随发展、受制于人。实现中国制造由大变强，必须走技术自主、结构合理、高端制造装备领先的大国制造之路。

“国讲”之后，卢秉恒建议：应该充分保护和利用我国巨大的需求，以市场需求支持装备制造业发展。一个领域的需求就可能带动一个装备制造领域的发展，如航空航天、汽车领域对高档数控机床的需求。这就要求各项计划、各个行业互动协同发展，这是大国制造应该认真思考的问题。在新产品研发时，应有针对性地开展国产化制造装备研发，注重“第一罐奶粉”效应。对于目前存在的共性技术缺乏问题，需要创新思路进行国家级创新中心建设。在这方面，可以借鉴德国、美国的做法。比如，始建于1949年的德国弗朗霍夫研究院是德国工业创新的策源地，他们的专业研究所就建在大学附近，由2到3名曾任企业高管的教授领军，经费来源是政府资助、项目经费及企业委托各占1/3，确保其研究代表先进水平，满足企业需求。正是研究机构持之以恒的研究，成就了德国制造的精良。美国为了把基础研究与产业化技术更好地连接起来，启动了制造创新网络计划，由NIST（美国国家标准与技术院）牵头，收集社会建议与组织评审后逐步推进建设，目前已建有增材制造、轻量化、数字化设计制造等制造创新网络。其特点是快速组建创新链，实现最优资源组合，实行网络化运行，重视创新工艺与标准研究等。

“泉州信息工程学院卢秉恒院士工作站”揭牌仪式在泉州信息工程学院举行

卢秉恒清楚地记得，李克强总理曾强调指出，要顺应互联网等新技术和产业变革新趋势，打造中国新优势。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。事实证明，每个人都有创新欲望，但以前创新的验证成本很高，一个设想从设计到成为现实很难，但3D打印给普通人这种可能，为“大众创业，万众创新”提供了技术支持。3D打印技术的维度和用处很宽，比如说可以打印一件首饰、一个小模具，也可以打印一个大型飞机部件，甚至现有的技术可以打印活的人骨和皮肤。“我国已成为制造业大国，现在必须走向制造业的高端，成为制造业强国。制造技术创新，不但需要理论素养，更需要工程实践能力与坚持的韧性。”卢秉恒深有感触地说。

上图：卢秉恒院士在2019IAME中国（西安）国际3D打印博览会上发言下图：第二届“太空3D打印”中德研讨会在德国柏林召开，卢秉恒院士受邀参加

特别值得一提的是，2020年5月5日，长征五号B运载火箭成功将搭载的新一代载人飞船试验船送入预定轨道，空间站阶段飞行任务首战告捷。在此次新一代载人飞船上还搭载了一件完全由我国科研团队自主研发的新型装备——“连续纤维增强复合材料太空3D打印装备”，这是我国首次太空3D打印实验，也是国际上第一次在太空中开展连续纤维复合材料的3D打印实验。这台具有里程碑意义的装备就是由西安交大科研团队与中国航天科工集团五院共同研制而成。在卢秉恒院士的支持下，机械学院李涤尘、田小永教授在2014年就创新性地提出了基于连续纤维增强复合材料的3D打印技术，是国内最早从事连续纤维增强复合材料3D打印技术的研发团队。

和世界先进国家相比，我们已不是最早出发的人。但在这个崇尚创新与创造的时代，我们仍然可以开辟出一方新的天地！