卢秉恒

院士/教授

微电子生态

3D打印与创新设计

3D打印是增材制造的主流制造技术。从制造技术的分类来说，有增材制造、减材制造和等材制造，3D打印属于增材制造，是一种把材料累加起来的制造方式。这项技术的出现为制造技术行业带来一个全新的局面。据麦肯锡的分析报告，在2013年认为3D打印技术是影响我们生活和生产组织形态的技术之一，预计到2030年将达到万亿美元的规模。 　　
3D打印分为几种不同类型： 　
一、激光固化法，通过自外激光的照射变成固体然后累加起来；
二、用粉末、塑料粉末、金属粉末甚至包括沙子一层一层粘接合成；
三、融化辅料丝，然后堆积起来； 　　
四、使用金属粉末，通过喷射的方式堆积起来，在数字的控制下将其变成我们所需要的形状。 　
3D打印技术为传统制造业带来巨大的变化，大大简化了传统制造工序，将产品零部件数量简化，像汽车这样由上万个零件构成的产品能够简化成由几个零件组成。目前飞机、航天的发动机已经开始着手3D打印制造零件。并且，3D打印可以使产品轻量化，赋予装备获得更高的效率。 　
3D打印是一项颠覆性的技术工艺。在以往的产品开发环节，单一件的定制是十分复杂的过程。而且由于量少，少有企业愿意承接制模过程，而3D打印正是能满足这项制造需求。因此，在航空航天汽车医疗及电子产品的开发环节中，3D打印都发挥了十分重要的作用。随着消费水平提高，大家都希望获得个性化的产品，大规模的定制或者个性化定制逐渐成为产品制造里面的主要模式，然而3D打印正是适合的技术。对于非常复杂的零件、原来不敢制造的甚至不敢设计的产品都可以制作出成品，为产品和装备的提供了非常大的创新设计空间。 　　在科研方面，制作材料逐渐从一种材料的累加，变成多种材料可复合型，这样可以把零件的表面做成耐磨的、耐腐蚀的、高强度的，内部可以做成中空，各个阶段都能使材料发挥大的作用性能。 　　
增材还可以走向创材，即是创造材料。目前机械加工所用到冶炼厂提供的材料，如果使用3D打印技术可以在粉床上将几种元素合成一种新的合金。从创材走上创生，即是生命的创造。3D打印可以制造降解材料的人体器官，植入人体以后在生化环境下降解，降解以后变成自己的细胞，通过这项技术可以做出骨头、心脏、肝脏。所以说3D打印为科研提供了好的制造工具。 　　
3D打印正处于从3D走向4D、5D的发展趋势，打印时使用智能材料，打印完成后改变温度或者加上磁场等其他作用，可以改变使后的成品形态与打印初始形态不同，这是个十分奇妙的过程。在一个密闭空间，预留出很小的口，打印一个可以放进去的材料，随后改变环境的温度改变，使其变成需要的形状。5D打印即是如此，不仅能改变其形状，还可以改变其功能，使其从没有生命变成有生命的个体。 　　现阶段我们正在进行细胞打印的研究，在一个虚构的空间，用3D打印的方式将细胞堆积起来，放上不同的生化的环境，加上干细胞可以诱导出不同的组织、肌肉神经血管。3D打印，从原来快速原型，到产品开发，到现在的批量制造，给传统生产模式带来了一个颠覆性的变化；其材料从早期的树脂到塑料、金属材料一直研究到复合材料或者生物的活性材料。从整个产业的发展上纵观，初大家做3D打印的装备，后来延伸到在各个领域应用，后走向科技。可以畅想未来到太空上，用太空的材料在月球上建房屋，或者用很珍贵的、地球上很少的材料，做太空飞船的零件。3D打印正在从高大上的科技线走向企业，各个行业都在促进这个产业的发展。 　　
3D打印全民创客趋势，在未来我们都可以使用它来实现自己的创新设计。我们的创新不再受体制的约束，仅需一台3D打印机便可以自己在家打印原型和一些功能零件，可把创新各类设计并打印出产品模型，便于投资商进行项目可行性评估，全民创客时代就这样到来。要构建全新性社会，就必须破除传统体制，发挥社会成员的积极性。技术的创新在很多方面都促进了社会的创新。3D打印机的普遍，使得全民能够在家里进行创新设计，改变工作模式了，促进全民参与社会生产。 　　
3D打印在中国的发展非常迅速，从2016年开始，3D打印的技术方面已经走向全世界第二，在2017年发展到全世界。目前在3D打印行业，中国相对于全球的比重率由25%逐渐走向50%，2018年设备装机数量排名从世界第四上升到第三的位置。中国在医疗、航空航天突破性的成果处于国际领先地位。2000年起，西安交大与第四军医大学、交大附二院合作科研并取得优异成果。在大家都在对3D打印产品结实度能否适合航天的需求抱怀疑的时候，汪院士做的世界上首例3D打印的飞机起落架已经接受了考验。在科研、装备的产业化方面，无论是金属的、非金属的3D打印机，我们都掌握有非常好的技术，西安一直处于领先的地位。于是，在西安成立了中国增材制造创新中心。目前一些装备的研发都是由自主的软件开发，但一些关键的光学器械或者激光器还是较多依靠进口，导致目前我国处于3D打印原创技术较少的状态，但是我们相信经过不断的努力，一定会走向的地位。 　　使用3D打印技术制作产品模型可以大大减少成本，可以避免计算机的仿真模型与实际模型有区别的风险。我们研发了一套快速模具制造的技术，传统模具制造十分复杂，耗资大且耗时长，使用3D打印技术制作原型外观，在收到大众对造型认可后装上发动机便可以使用，这个时候我们再使用一些简单快速的模具，来加工真正的模具。对于不同的批量，我们采用不同的制造方法，比如几十件的可以使用硅橡胶复制模具，如果是大批量可以把原型用3D打印拷贝一个加工的电机，这样形成一个产品快速开发的系统。 　　
3D打印应用于各个工业领域，比如摩托车外形的开发、动力机械整体叶轮的设计、戒指的开发、医疗的修补、零件的精密制造等。 　　在一项飞机风洞的实验中，3D打印制作的零件优过传统手工制造，对于传感器不方便装置、飞机重量的配重不方便确定等问题，3D打印全部可以实现。尤其是在汽车工业方面，相较于传统使用手工、油泥刮出制作模型评估，使用3D打印制作原型更利于对汽车结构进行分析。发现问题，修改数字模型即可进行重新评估。 　　
对于小批量、个性化车制造，电动汽车制造行业，大多数仍借用燃油汽车外壳，而没有一辆真正为电动车设计的车身外壳，正是由于在车身开发投入太多，现在电动汽车并没有完全被大众消费群体接受，仍处于考验阶段。国外已将3D打印应用到方面开发汽车的车型，很快速便可以将非常先进的车型做出来，这样可以加速产品的设计，各种各样的创新设计都可以实现。同时还可以做到轻量化，将很多零部件做成一体化。复合材料的设计，在汽车上的用途越来越广，非常符合电动汽车的需求，电动汽车的续航里程是很重要的因素，车身轻了以后自然续航里程上升了。可以使用纤维或者玻璃纤维这类复合材料来制作车身，这些都是可以通过3D打印技术来实现的。并且还可以拓展到汽车零件方面。目前我们已经涉及汽车大型模具的制造方面，并且做了专门的喷涂模具设备以及一款汽车的完整外壳。 　　
3D打印为制造业带来颠覆性的变革，对于航天航空领域的应用，使材料利用率由5%提升到85%，并且可以把制造周期由数月压缩到几天。尽管如此，3D打印技术制造出的零件的精度、强度、有没有被破坏的方面仍有许多问题，这是一个全新的理论，我们仍然处于研究阶段。 　　
3D打印带来全新的生产模式变革，大家可以在家里进行创意设计，并将设计产品摆上互联网寻求投资方，这可能成为以后一个很重要的创新社会生产方式。美国GE公司曾在网上发布过一个使用3D打印实验飞机结构件的设计征集。后在征集到700个方案，由专家挑选了十件方案。其中，名是一个19岁的青年设计师，他仅用了六分之一的重量、六分之一的价格，完成了这个结构件的设计，并且刚度、强度全部合格。民间蕴藏了很大的创新的能力和积极性，在原来的生产组织下得不到发挥。在以后的飞机制造上，改一个零件，不需要一些层层批准、层层论证，直接做出来一件模型测试便能验证。 　　
GE公司用3D打印来制作一个飞机发动机的喷油嘴，燃油效率提高15%。他们曾使用3D打印制作一款发动机，订单增加了400多亿美金。因此GE公司决定大举进攻3D打印，目前已收购了两三家世界上很强的3D打印公司，并决定自主研发设备，改造它的生产线，预测到2030年要将一万台的3D打印机投入到飞机发动机的生产。 　　我国的3D打印目前处于技术发展的井喷期，既是起步期、也是企业的跑马圈地时期。目前亚马逊也介入3D打印行业，在网上组织3D打印的资源，提供服务，每年接到几十亿美金的订单。我国政府非常支持创新，经工信部论证，决定西安高新区成立国家3D打印的创新中心，并得到高新区领导的大力支持。创新中心联合全国13家企业，清华、北航、华中、西工大、西交大5所大学，由20多位国内外的专家组成专家委员会，其中国外的专家占到将近一半。 　　
目前我们正在进行的研发方向，一个是针对于飞机发动机，一个是亮剑工程，在有了3D打印技术的支持之后，使得飞机发动机有创新的设计，包括叶轮盘、涡轮盘的设计等省了很多复杂的工序。畅想以后，到太空中去进行3D打印制造，在太空中制造地球上需要的零件。尽管太空打印有很多困难，但其能源是取之不尽，有众多优势。比如，无气压影响生产效率可以提高，并且环境温度高可生产耐高温物件。 　　
在汽车生产方面，与吉利研究院联合研发“万辆汽车工程”。利用大数据优化工艺，并且使用大设备支撑，将全国3D打印的资源连在一起，为全国的制造业做服务。我们相信在大家的努力下，能在十年内将中国的3D打印做到世界第二；五年内做到装机量第二、十年内希望装机量；销售走在第二。到2035年之前实现中国制造2025。 　　为了把创新设计的成果孵化，吸引更多的3D打印的产业到西安聚集，我们将在西安高新区打造一个3D打印的小镇，形成一个产业的聚集区。致力于实现一个技术的供应链，来培育3D打印的主力军。王永康书记希望3D打印成为西安硬科技的八路军之一。在占地1600多亩3D打印小镇的规划里面，拟投资150个亿，引进十几家核心企业，希望抓住国家创新的大好机遇来做好这项工作。 　　
在技术方面仍有待推广，比如金属电壶喷涂的技术，斥资100多万耗时100天的时间做了一整套的汽车复合件的模具。将3D打印用于创新设计，我们做了大量工作。目前我们还在研究用很轻的材料做建筑的打印，因为在建筑方面有些地方是需要有承载性能的。住建部提倡装配式的建筑，3D打印可以做曲面的造型的、带雕塑的、带浮雕的，都很容易。如果把每一层的建筑重量降下来，可以减少投资，还可以给建筑师做具有创意的模型。 　　
在金属创新方面，使用金属打印头做光内送粉部件，便可以打印封闭的球 。粉末在外层，内层是光线，然后升级到光纤在外层，粉末在内层，这样制作出来的零件就会十分精细。 　　
在3d打印特色小镇的设计上，邀请各位丝绸之路创新设计产业联盟和西安设计联合会的专家，为我们做一些的设计，完成国家交给我们的使命。3D打印小镇位于高新区的核心位置，这里将是产业的聚集区。在未来，我们可以使用3D打印来去做文物的复制，希望在3D打印小镇建立一个3D打印的博物馆，主要用于展示西安当地的一些文化资源、历史资源、文物，我们也希望将全国各地的文物展示，例如莫高窟等。