3D打印

颜永年:3D打印十年沉寂又复兴 我们会重蹈覆辙吗?

2025China.cn   2016年01月18日

  日前,清华大学教授、江苏永年激光董事长颜永年带领团队研发的《3.6万吨黑色金属垂直挤压机成套装备与工艺技术研发及产业化》项目喜获国家科技进步二等奖。颜老被誉为“中国3D打印第一人”,七十多高龄尚坚守在技术研发和产业应用第一线,备受业内人士尊重。《3D打印世界》曾有幸采访颜永年教授,颜老74岁再度创业,他思维活跃、幽默开朗,给我们留下了深刻印象。值此佳讯传来之际,再度和大家分享一下这篇专访,从不同的角度,了解一下这位老学者的风貌。

 

  上世纪八十年代初,太平洋西岸一个叫Chunk Hull的美国人在一个偶然的机遇下发明了3D打印技术,到八十年代末,一位来自中国清华大学的科学家踏上了那片土地,将这种具有开拓意义的技术带回了中国。他以此为起点开创了国内多个第一,并为国内科研界注入了一种全新的成形理念,他在推动中国形成以五大高校为主要3D打印科研力量的格局中起着举足轻重的作用。这位科学家正是被业内称为“中国3D打印第一人”的颜永年。

  50岁科学家的“情窦初开”

  “我对3D打印相当于是一见钟情”,如今年至耄耋的颜永年谈起27年前在美国初识3D打印时的情景还是难掩兴奋之情,“它简直就是太吸引人了。”

  1988年,颜永年时年49岁,已经有了深厚的锻压、锻造专业背景的他来到美国加州大学洛杉矶分校做访问学者,原本是去学习工程陶瓷,然而在偶然看到一个展会关于一种被称为RP的快速成形技术宣传单后,颜永年彻底改变了他今后十年的研究方向。“3D打印实质上是一种成形技术,但只有从事成形科学和材料成形的人才容易看到它的本质和价值,所以中国第一批做3D打印的专家大都是做锻压锻造出身的。”颜永年与3D打印结缘既是偶然,也是必然。

  锻造需要用到模具才能将零件做出来,而模具开发是一个非常漫长的过程,如果取消了模具设计这个环节,整个制造周期会大大缩短,那这就是一个很了不起的技术了,而3D打印正是这样一种技术,它一点一点堆积材料,最后形成一个完整的结构,这样一种全新的快速成形方法激起了颜永年极大的兴趣。

  1988年底回到中国后不久,颜永年一心想钻研的这项快速成形技术得到了学校的高度重视,他也获得了带博士、研究生的资格,他笑称:“那时候我就相当于有兵了。”就这样颜永年在清华大学成立了国内首个快速成形实验室,还建立了清华大学激光快速成形中心,颜永年带领着自己的“兵”进行快速成形方面的研究,最后这个团队甚至发展到50多人,是当时清华最大的科研团队,取得了非常多令人瞩目的成就。期间,颜永年通过香港殷发公司引进了美国3D Systems一台名为SLA-250的快速成形设备,这是国内第一台真正的3D打印机。随后颜永年成立了中国第一家快成成形公司——北京殷华快速成形及模具技术有限公司,这便是如今国内首屈一指并享誉国际的3D打印公司“太尔时代”的前身,“太尔时代”现任CEO郭戈就是颜永年的得意门生之一。

  在1990年至2000年的十年期间,颜永年带领着清华团队在快速成形方面取得了非常多的成就,他们1992年即完成了对用户开放的RPM(快速成形与快速制造)研究与开发平台。随后又推出了我国拥有自主知识产权的世界上唯一拥有两种快速成形工艺的系统——“M-RPMS型多功能快速原型制造系统”,接着继续完善技术,又推出改进型M-RPMS-II,顺利完成产业化,还在世界上首次完成了无木模铸型制造工艺。当时清华的这些成就引来了华中科技大学、西安交通大学等高校的参观学习,上个世纪90年代3D打印在国内形成了清华、华科大、西安交大三足鼎立的局面。

  然而,颜永年的开创性成就还不止此,1998年,颜永年将快速制造引入“生命制造工程”学科概念和框架,并研发了多台生物材料快速成形机,如今清华大学生物3D打印技术在国内已经处于执牛耳的地位。当提及清华如今在这方面的成就是否是基于自己研究的基础上发展起来的,这位慈祥的老人显得很憨厚:“我认为是的,他们还是承认我是清华大学生命科学及医学研究院生物制造工程研究所第一任所长的嘛。”

  十年沉寂又复兴 我们会不会重蹈覆辙?

  颜永年是中国3D打印的见证者也是参与者,他亲历了上个世纪末中国3D打印的十年兴盛,也亲见了随后十年的没落。从2000年以后,颜永年不得不放弃3D打印而转向其他的领域的研究。正是这段时期处于“襁褓”中的中国3D打印因为“粮源”不足一直没能长大,而美国却顺利地完成了产业化的进程。

  问及转变研究方向的原因,颜永年给出了一个很现实的答案:“因为3D打印在当时赚不到钱,也拿不到大课题。”要养活一个50多人的团队,支撑实验室的运转,国家拨不了那么多款,作为清华锻压骨干的颜永年只好用搞锻压的钱来支撑3D打印的研究。

  “我们国家3D打印起步并不晚,我估计我们第一个专利只比美国晚5年或者4年,可能比德国和英国还要早,除了美国我认为我们是老二,但我们的问题在于融资太困难。”颜永年有点自豪但更加可惜。

  相对于中国,美国3D打印在起步之初就获得了那些强大的风险投资基金和发达的金融支持的帮助。例如全球3D打印巨头Stratasys成立之初,创始人便向风险资本出售35%的公司股权,获得了120万美元的风险投资,这笔资金对初创企业至关重要。除此之外,全美制造工程师学会在20世纪80年代中期创立了快速技术和增材制造团体,开始积极推动美国3D打印技术的应用和产业化。当然他们也得到了美国政府的大力支持。

  颜永年表示,我们的融资渠道和融资快捷性确实比不上发达国家,但3D打印不会再像十几年前那样沉寂下去,因为国家领导人开始重视这间事情,整个社会对产业化的认识也在不断提高。对于我国该如何发展3D打印,他建议:第一,政府需大力倡导;第二,成立一些真真实实的行业协会;第三,最重要的是开发应用市场。

  对于应用市场的开发,颜永年有自己的看法,他认为“金属3D打印进入航空航天、军工等高端市场是一个捷径”,然而“肥水不流外人田”是这些高端市场的现状,颜永年希望这些领域能更加开放。他举了个例子,目前在航空3D打印方面最具影响力的两家科研单位是北航和西北工业大学,但在90年代的时候清华和华中的实力远远超出这两家,然而中航集团却将资金投给了他们,颜永年认为当初如果投到清华和华中,研发速度会远远超出现在。“当然现在发展起来了也是国之幸事”,颜永年补充到。

  针对高端市场,颜永年还在国内首次提出了“重型金属3D打印”的概念和定义。他认为3D打印不光能做精密的小东西,更重要的是要进入我国重型制造行业,像航母、高铁、飞机、核电站、火电站等。

  颜永年指出当前我国重型制造走的是7654路线,也就是700吨精炼刚能力,600吨真空铸锭能力,500吨铸件能力和400吨锻造能力。虽然7654路线是我国工业命根子,但问题是明显的,液态合金在铸型中凝固以后,难以保证不发生偏析,偏析就是铸件各个部位的成分不均匀,通常使用的方法就是将固态铸件不停地揉压,使它各个部位的成分达到均匀的状态,这是重型装备制造的一个难点。但是用3D打印就不会发生偏析这种情况,它一点一点堆积并达到冶金结合,完全可以做出一个非常均匀的的金属结构件,当然重型3D打印做出的还是“精化毛坯”,它还需要用一点传统的精加工。颜永年设想道:“我们以后买钢材,不再是去买钢板、线材、钢锭,而是带着一个袋子去装工业粉末。重型3D打印金属技术瞄准核电站、航母的大型件一定是非常有前途的。”当然这还需要一个发展的过程。目前,美国用电子束在真空环境下熔覆已经达到6×1.2×1.2M,这些3D打印的设备达到了两三层楼那么高,颜永年表示我们也要把激光熔覆做大。

  最后,颜永年还补充找准3D打印的应用应该抓住三个点:热机和有热交换部件的内流道、一体化成形和新材料。

  74岁创业 紧跟时代步伐

  2012年,3D打印的风潮迅速从美国刮到全球,74岁的颜永年敏锐地嗅到这个重要的机会,该年底,颜永年便成立了江苏永年激光成形有限公司,重新开始进行3D打印产业化的工作。

  这一次颜永年把重点放在了激光熔覆和熔化(LaserCladding和Melting)成形,主攻金属3D打印,他希望争取做到“市场能够接受,能够跟国外竞争的产品,然后在竞争中得到提升,从市场获得资金,形成良性的的循环,而不是靠大批的救济资金”。

  经过三年的发展,永年激光已经拥有了3600㎡的办公及研发场地,员工40人,过半的学历在硕士以上,并拥有4000W大功率激光器、库卡工业机器人、激光3D光刻成形机、选择性激光熔化(SLM)、多功能激光熔敷沉积成形(LCD)/焊接/切割设备、盘类/轴类激光熔敷修复设备以及功能先进的计算机软硬件平台和数据库,并与清华大学老科技工作者协会签订产学研合作协议,与清华大学国家 CIMS 工程技术研究中心吴澄院士建立了企业院士工作站。还与美国强生、四川长虹集团和上海航天设备制造总厂等国内外知名企业开展3D打印技术应用和服务的战略合作。

  其中值得称道的是,永年激光采用吴澄院士的CIMS技术,将3D打印设备与大功率激光器、大数据库和智能机器人等装备集成创新成为国内首台“CIMS-LSS”,这个系统集成了LCD、SLM和SLS三种3D打印。颜永年解释道:“这并不是简单的技术相加,而是系统的集成,它可以实现1+1>2。”他举例说明,如果用一台激光器供一台3D打印设备,第二台3D打印设备又需要一台激光器,所以能不能用一台大功率(2kw~10kw)激光器分能和分时来供应三台3D打印设备,大大提高系统的性价比。再例如,一台3D打印设备需要一个软件处理系统,那我们能不能把数学模型处理集中到一个处理中心,然后再分发到不同的打印设备。如果有一个数据库,就可以和云计算、大数据相连,各种需求和商业信息就可以通过这个平台发放下来。颜永年认为这便是“互联网+3D打印”,这个CIMS-LSS平台便是工业4.0的雏形。

  颜永年的头脑非常清醒,他转而说道:“我认为重点并不是平台的问题,这只是3D打印的软实力,最关键问题是我们需要掌握核心技术,将激光器的价格降下来,光束质量和稳定性达到世界先进水平。与国内做激光和振镜的单位一起合作,这样才能解决问题。”目前,永年激光的高质量激光器件与国内合作方面,已取得进展。

  谈到3D打印的未来,一心牵挂着国家工业发展的颜永年说得很实在,他说最想看到的是3D打印与传统技术相结合,让重型3D打印得到蓬勃发展,未来航空航天大部分的重型关键件都用3D打印来做,特别是用在核电站,他说,如果核电站能用到3D打印,那就是一个成熟的标志了;其次,就是生物3D打印能做出真正的人体器官替代品;另外就是希望3D打印普及性像数控技术和电脑,被广泛用于工业和日常生活。

(转载自《3D打印世界》曾伟清)

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