增材制造与3d4d打印技术(干货卢秉恒院士：增材制造发展路线图正在从3D打印走向4D)

卢秉恒，被称为中国3D打印领域的“教父”，是3D打印领域唯一的中国工程院院士。近日，卢秉恒院士在2017中国增材制造大会上指出，增材制造发展路线图正在从3D打印走向4D，就是智能材料的结果。

卢秉恒院士作为行业权威人士，其观点对行业发展影响深远。3D打印技术在产品的正向设计过程中扮演着至关重要的角色，极大地降低了正向设计的成本和风险。《中国制造2025》规划，也将3D打印列入未来重点突破的十大领域之一。企业正向设计能力是提升产品价值的核心竞争力之一，体现了工业自主研发能力水平的提升，是企业智能制造能力提升的表现。

中国软件评测中心着眼于《中国制造2025》落地，联合国内外优质产业资源，倾力打造了覆盖全国的“1+6+N”灵犀智能制造创新网络，面向制造企业提供智能化转型能力诊断、专项咨询、工程实施、监理验收、工控安全保障、实用型人才培训等综合服务。帮助企业立足业务实际，将业务最佳实践层层解构，准确定位自身能力水平，顺利规划、设计、并分阶段实施智能化改造升级工程，逐步改善经营效益，带动地方经济发展转型升级。

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以下为卢秉恒院士演讲全文：

大家都清楚，增材制造是集简材制造和等材制造出现的，仅仅30年的历史，但是发展非常快，它在为设计创新提供了非常大的空间，在制造复杂结构，在个性化定制方面有非常多的优势。主要是一个新的零部件，在生产的周期和时间成本上大幅度降低。

按照3D打印技术，有几种主要的技术，所采用的材料、它的特征、它的原理和优缺点都给出了说明，这些方法在各种工业场合都有自己的用处。当然了，最近技术成型的发展使大家看到了世界制造的希望，但是我在这里讲的是非金属以及其他制造方式，例如新近发展的陶瓷材料在汽车发动机等等零部件制造方面有特殊的用处。

在激光选区方面最近做的比较好，可以获得比较致密或者金属强度比较高的材料。最近在电子束制造和熔化方面有非常强的优势，可以获得比较高的生产率，一般比激光大概可以快3倍。另外它也可以制造比较大的零件，也可以制造比较精细的零件，但是在非常精细的细粉可能还有一些工艺上的限制和不稳定。

另外传统的铸造技术、焊接制造，在增材制造也有非常好的用处。我们在做的堆焊的技术，来制造大型金属构建，航天需要的大型构建，有可能以后就用堆焊的办法来进行大型制造，可以获得非常好的效率。如果是多个机器人一起做，可能能达到非常高的效率，能进入生产。

所以增材制造制造我认为可以做到5个any，任意材料、任意批量、任意复杂结构、任意场合、任意的工业领域。同时它为我们开拓了个性化定制的新时代，增材制造支持每一个创客，都可以发挥自己的想象，作出产品的创新设计，可以把自己的构想发布到网上。如果是企业家、用户看到非常好，他可以采取一个新的商业模式，或者自己下载、自己打印，或者是企业家把它变成自己的产品。这样对于我们构建全新的创客时代将是一个有利的工具，现在制造正在从大规模生产走向个性化定制，所以3D打印是促进转型非常好的技术。

对于增材制造来说，应该是制造业驱动创新的一个共性技术，在产品开发、产品结构设计制造模式创新方面是一个非常好的驱动技术。同时可以做到控芯控制一体化制造，可以控制结构，增强强度，甚至用多材料来制造的一个零件上，这样使材料能够最大效益发挥它的作用。它在驱动科学研究创新方面，正在从增材走向创材，它在一个粉床里可以达到上万度的高温，这么以来就可以熔炼各种金属，来制造出各种新的合金，更高强度的、耐蚀的、耐磨损的技术，同时零件表面可以是耐蚀的、耐磨损的，中心可以是轻结构的等等。

最近3D，也就是增材制造有了非常大的发展，每年增长率都在百分之三十几。金属3D的增长是非常快的，但非金属像FDM可能增速在70%几。

因此各国政府都非常重视这些技术的发展，美国实现美国发明、美国制造把3D排在首位，因此成立了他们国家第一个增材制造国家创新网络中心。韩国这么小的国家也非常重视，他推出了一个培训计划，培训1000万人能掌握3D打印技术，本着一个理念，就是3D打印技术的应用可能对国民经济推动作用更大。

非金属现在提高了将近100倍，非金属提高了10倍，估计下面三年时间还会提高。这样以来3D打印技术从快速原型产品开发走向小批量的定制。

值得我们关注的，像美国航天发动机，几乎三分之一的零件是由3D打印来完成的。美国航空界发展也非常迅速，以GE为代表的，它做的第一步就是把飞机发动机喷油嘴由20个零件变成了1个零件。现在又进一步把几十个甚至上百个喷油嘴和安装的涡轮盘放在一起进行打印，因此4500个这样的飞机喷油嘴结构定单就得到了10亿多美金的订货量。GE公司最后发现它的最大价值还不在这里，它的新结构的喷油嘴为发动机定单增加了300多亿美金。所以在座的一些企业家非常关注我做什么能使3D打印技术赚钱，我们就说3D打印技术和你原来的行业相结合，可能是你赚钱的最大机会。因为我们国内有很多地方政府也非常积极，支持3D打印行业，但是后来发现过了几年怎么还不赚钱呢？就提出很多疑问。我就给他们两个答案：第一，你这个3D打印企业规模太小，没有达到盈亏平衡点。像美国做牙齿服务的，一次购买设备就是150台，所以得到很好的盈利。第二，3D打印技术最大的盈利点不是在于卖设备，也不是在于卖材料，而是在于把它很好的应用到自己的领域。

各国政府都非常关注这个事，像美国的西门子，像世界机床第一大公司，他们在做增简材一体化工作，美国电商亚马逊，用它的方式为3D打印做公共平台，得到几十亿的订单，各国也都制订了发展路线图。由于时间关系我不再多讲了。

在太空打印方面也做了非常多的工作，包括在做一个项目，争取用月球上的材料来打印建筑，为人们建造更多的空间站，像俄罗斯也把3D打印技术用于航空航天。

我们从90年代初期开始发展，这是我们产品快速发展系统，在全国推广了56家，获得了非常好的效益。基本上像汽车零部件、轻工产品、家电产品，开发速度和成本都降低为原来的三分之一到十分之一。3D打印在汽车行业有非常好的应用，现在又在用3D打印来做复合材料的车身。用3D打印做概念车的设计，可以把汽车上万个零件集成为几十个零件，同时得到了很好的减重效果。

3D打印一个是对制造概念创新，产品可以按3D打印制造工艺来摆脱以前加工工艺的约束，来制造出非常好的零部件。刚才说到，GE公司把飞机发动机喷油嘴集成，这是在一体化方面，其实在很多方面我们可以再设计，能够获得更好的效果，在很多方面都有很多的创新作用。

空客做的创新，据说减重达到了65%，用三分之一的重量可以完成原来飞机的制造。飞机结构减轻不要说60%几，就是减轻30%，那要好几代飞机的开发，要花几十亿欧元甚至上百亿欧元的事，现在用3D打印可以轻易实现。

还有材料创新的例子，美国NASA用3D打印做了耐高温航天发动机。

当然这里面我们还要研究很多的问题，尤其带来新的研究，像以前铸造或者是焊接，那都是金属凝固学的理论，但是那是缓慢变化的金属凝固学。而3D打印在一个点上熔化或冷却，这个凝固学问题还没有解决，还在软件和仿真中。用于生物医疗也有非常广阔的前景。

牙齿矫形，以及牙齿的修复，一些关节的替代。这是我们2000年做的定制化下颚骨，比欧洲提前了十多年。但是这个问题仍然卡在标准上，因为标准问题我们一直没有能够投入生产，像这种案例我们做了20几例了，他们说因为个性化的东西没有标准，我就说我们传统怎么做的呢？实际上更没有标准，就是用钛板在手术室一个作坊做出来的，拿到医生那里，如果不合适医生当场用钳子再矫正。做了以后还是不能适配，最后病人用起来，有的两三年钛合金骨头就冒出来了，还要进行第二次手术。所以对于标准我们有一个观念问题，对于能够来改善患者的一些创新技术怎么样进行支持，当然从技术方面我们来配合，来制定出个性化的标准，实际上一些计算机的仿真在这些方面给我们提供了非常好的手段。最典型的例子，像脊椎的矫形，现在做的案例都非常成功，有非常多的案例。

还有一个很好的案例，是癌症的靶向治疗，是我一个学生在北京做的，很成功。能够准确的按照癌症部位，在刀板的帮助下，能够放疗的一些化学物质准确地送到位置，这样避免了放疗对健康细胞的负面作用。

总而言之，增材制造发展路线图正在从3D打印走向4D，就是智能材料的结果。但我认为，生物制造属于无底的，因为它不仅是形状变了，有生命的功能了，所以应该是最高境界。从应用方面，从80年代快速原型，走向90年代产品快速发展，到现在的批量制造。材料方面从数值到金属材料，到陶瓷材料，到生物活性材料。产业方面，从重视装备到各领域的应用，以及尖端科技带来的颠覆性的变化。参与者从科技界，到企业，到金融界，到全民的创客。

我们面向2035做了一个预测，我们觉得下一步在高性能合金构建的增材制造，复合材料与复合结构3D打印，微纳3D打印、4D打印、5D打印方面有很好的发展。

在太空制造中3D打印打印有很多的困难，但是也有非常多的优势，因为可以制造出新的零件，可以使它的性能大幅度提升，可能把大的制造业搬到太空中去，我觉得这可能是一个方向。

总而言之，增材制造现在制造零件的个数还远远不能和等材制造或者简材制造相比，但是它的价格趋于高端。所以技术逐渐发展之后，今后将和等材制造、简材制造三分天下。

我们国内3D打印发展的也非常好，去年中国在这方面的专利个数是世界第一，而且等于其他国家的总和，这就反映了我们参与积极创新的决心。当然我们原创的技术还比较少，依赖于我们进一步通过学科交叉，增加原创的技术。但我相信，我们将会走在国际的前面去，我们的增速将会大大加快。

因为全国都在蓬勃发展，大家参与的热情都很高，但是低水平的重复还是很多。针对这一情况，工信部发布了一个指南，做制造业的创新中心，很有幸增材制造是第一批获得支持的，在16年年底得到批准，我们在进行筹建中。在这个领域，研发最早的5所大学，清华大学、华中科技大学、北航和西工大，还有一批在这个领域的企业，以及在制造领域的一些院所。也有一批用户企业参加，像共享集团，它是做铸造的，还有航天航天的企业。

我们不仅仅有一个专业化的研究队伍，现在已经有100人了，同时我们联合了国内100多家企业做创新联盟，希望通过骨干带动作用把这个技术推到全国各地去。同时我们建立了技术委员会，有国内外的专家二三十名来参加技术委员会工作，来把准技术的方向。我们今后要做的工作，建立一个投资基金会，来支持技术的孵化和快速推广。

我们的定位，技术成熟度在四到七级之间，在基础研究或产业化之间，我们不做技术研究，也不做产业化，我们就做中间的这些产业化的技术，来搭建一个公共的平台。

达到的目标，使我们新产品的开发周期缩短一半，费用降低一半，同时要收集原创技术，通过学科交叉实现一些原创的工艺或装备，实现首次商业化。另外，用户领域密切合作，在各个重要领域开发应用3D打印技术的关键性技术，同时包括人才培训方面。

目前重点领域的选择，一个是航空航天，我们利用投资几个亿的设备的能力，来形成一个全国共同为制造业服务的开发平台，采用云制造平台的模式。所以可能在座很多企业都会加入这个云制造的模式，这样使拥有设备不多的3D打印企业也能够获得很好的效益，同时使制造业能够得到非常好的发展。因为在汽车工业方面，我们面对新能源汽车研发的需求，我们做复合材料车身创新工作，同时针对这个制造新的流程作出一套工艺解决方案。在医疗方面，手术模型、导航模板、康复器件和靶向治疗方面做一些工作。

总体希望我们行业共同奋斗，通过十年的时间，我们走向国际第二，能够使我们应用的装机量占世界第二，装备生产销售销售第三。十年内装机量第一，核心器件及原创技术世界、装备销售均占世界第二位。2035年以前，实现中国2025的目标。

中央领导也非常关心这个技术领域的发展，希望同行各界一起共同奋斗。谢谢大家。（根据会议速记整理，未经本人确认）

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