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一位中国3D打印技术先行者的故事 颜永年介绍

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文 | 《中国机电工业》记者 高雁
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宽敞明亮、规整简洁的办公室里,花白头发、戴着花镜的颜永年精神矍铄,正充满热情地畅谈着他计划中的永年激光快速成形公司。“这个公司要做激光和电子束快速成形,也要做生物活性材料快速成形机器。”他声音洪亮,充满激情,如果不是面对面的坐着,很难相信这是出自一位74岁年纪的老人之口。看着他背后的书柜里,几张小孙子的照片单独摆放在最上层显眼的位置。在这含饴弄孙的年纪,相信没有人会不期待坐在摇椅上,享受温暖的阳光、儿孙绕膝之乐,但颜永年却选择了创业。多年来,在他心里始终有一个令他每每想起就欲罢不能的东西——快速成形技术。

回忆起第一次获悉快速成形技术的经历,虽然已时隔多年,但颜永年还是难掩激动之情。1988年,已经50岁年纪的颜永年正在美国加州大学洛杉矶分校做访问学者。清华大学原本派他去交流材料工程并学习水射切割技术,但一张工业展览的宣传单却彻底改变了他今后十年的研究方向。一次偶然的机会,与颜永年相熟的一位同事给了他一张某地工业展览的宣传单,上面介绍了一项新技术,可以将物体从数字模型直接转换成物理模型。当他读完技术介绍,一阵难以抑制的兴奋瞬间袭遍了全身。不同于以往通过切削等方式的制造方法,这项名为RP的快速成形的技术,其核心理念是“分层处理、层面制造,逐层叠加”,是由传统的“去除法”到“增长法”、由有模制造(刚性较大)到无模制造(柔性最大)的巨大变革。颜永年敏锐地觉察到这是一项十分重要的技术,它将有可能改变我们整个世界的制造技术路线。手握着宣传单,难以言表地喜悦阵阵涌起,于是下决心要进入RP领域!这是他今后进入3D打印领域的开始。在他搜索相关论文后,结识了一位对中国的快速成形技术发展具有重要意义的美国人——Jack  Keverain。
来自美国费城Drexel大学的教授Jack Keverain曾在20世纪80年代撰写过多篇有关快速成形技术的学术论文,这些文章给了颜永年很大启发。1988年底,当颜返回中国之后,前后共三次邀请这位美国学者来华讲学。第一次来到中国时,在颜的陪同下,Jack Keverain 曾到西安和上海进行讲学,为国内学界介绍了美国快速成形技术的研究状况和应用情况等,启发了无数快速成形技术的中国研究者。

大约与Jack Keverain同时,一个名叫Chunk Hull的美国人也在进行着有关快速成形技术的研究,并且他的研究成果幸运地被投资人看中,在1986年就成立了现在享誉世界的3D SYSTEMS公司,已经年届50的Chunk Hull成为了公司的首席技术官。现在行业通用的SLA技术(光固化快速成形),正是由Chunk Hull 提出的,他创造了这个词并为此项技术和装置申请了美国专利。

与许多国外的先进技术不同,光固化快速成形技术从20世纪八十年代晚期被美国学者提出到首次引进到中国,经历的时间并不长,这在很大程度上要归功于颜永年等一批学界先驱。在1990年前后,颜永年回国后不久,就在清华大学成立了国内首个快速成形实验室,并建立了清华大学激光快速成形中心。当时,为了引进国外先进设备进行科研,颜永年辗转了解到香港殷发公司在代理3D SYSTEMS的产品,但其在核心的控制软件方面没有什么经验,于是他决定引进硬件,自行研发控制软件。由于清华技术团队资金有限,买不起价格高昂的设备,于是双方达成协议,由清华大学提供场地、人员等,香港殷发公司提供SLA-250设备一台套,成立北京殷华快速成形模具技术有限公司,共同研究开发快速成形技术。这是中国第一家快速成形设备公司,由颜永年担任董事长,带领博士生在这家虽为企业但更具学术气氛的公司里开发各种软件,进行多项实验,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。期间,国内多家高校相关学者纷纷来清华取经。上世纪九十年代末,国内学界形成了以清华大学、西安交通大学和华中科技大学三校为重点,多个区域各有特长的快速成形研究格局。

从1988年底回国任教到2000年之间的十多年中,颜永年带领清华技术团队在快速成形技术方面取得了许多成就。经过多年努力,多次改进、完善,清华团队推出了“M-RPMS型多功能快速原型制造系统”,“这是我国自主知识产权的世界唯一拥有两种快速成形工艺的系统”;之后,他们又完成了改进型M-RPMS-II的产品化工作,在世界上首先完成无木模铸型制造工艺。可以说在3D打印技术领域,我国的研究与发展几乎与世界同步,并在某些细分领域实现了世界领先,其中就包括在生物医药领域的应用,这又与颜永年有着密不可分的联系。

1998年,颜永年将快速成形技术引入生命科学领域,提出了“生物制造工程”概念。关于这项技术,他讲了这样一个故事。曾经有一位小伙子因为意外失去了一只耳朵,由于这个缺陷,许多年小伙子都找不到女朋友,他非常痛苦。直到有一天他从新闻里得知有一种新科技能再造人体器官,于是兴冲冲地找到了颜永年,讲出了自己的诉求,希望颜能帮他弥补缺陷,再造一只耳朵。小伙子的述求促使颜永年所带领的团队开发一种技术:依据小伙子另一个完整耳朵的形状制作了一个具有生物相容性(材料)的逼真的耳廓支架,然后植入人体缺陷耳部,其外部包裹上一层活的表皮,通过一段时间的生长与头部连接在一起。虽然内核是无生命的生物材料,但表皮却生长了末梢神经,这只耳朵还是有触感的。不仅美观,还能有知觉,实在令人惊叹不已。除了表皮细胞可以再造,这支团队还制造出了完全可以实现替代功能的人造骨骼、血管,甚至是心肌,为许多病患带来了康复的福音。

由于国家重型装备制造业发展需要,虽然对快速成形技术非常痴迷,但在2000年之后,颜永年还是不得不调整工作重点,将研究方向转回了压机领域。他自己虽然抽身离开了,但他的学生们以及儿子却一直都在快速成形技术领域继续努力。原本由颜永年担任董事长的殷华公司,作为种子,开花结果,成为国内能够提供快速成形设备与服务的为数不多的企业之一。就在不久前,他们刚刚推出了新一代桌面三维打印机UP!成为了业内首个微型三维打印机产品的生产者。

对颜永年技术的延续还不止于此,在距离北京几千里之外的广东佛山,一家名为峰华卓立制造技术有限公司的企业,也在使用着清华团队的技术。不同于太尔时代侧重于轻工领域,这家企业主要应用无模铸型快速制造技术,更多地为重工业领域服务。一汽集团就曾因需要开发一款新型的发动机而找到了他们。由于发动机缸体和缸盖内部结构复杂,依靠传统的设计制造方法,仅制造铸造模具、修改模具等环节就需要近半年的时间,而且发动机内部存在多处自由曲面,采用传统方法制造很难保证曲面精度。而峰华卓立采用无模铸型快速制造技术,先通过三维立体制造技术制作出用于铸造的砂型(无木模砂型),再浇铸成发动机的缸体和缸盖。通过层叠堆积的方式制作出的砂型不但可以极大地保证模具精度,完美体现设计者意图,更为重要的是,大大节省了时间。如果运用传统方法,从设计到开模再到制造出成品大约需要六个月时间,而采用无模铸型快速制造技术,总体计算下来仅需一至两个月,大大缩短了新品的开发时间。并且,与传统开模方法相比,成本下降了许多。正是依靠这诸多优势,许多汽车制造企业与发动机生产企业都成为了峰华卓立的合作伙伴,其中不乏玉柴、东风、华晨、长城等业内知名的企业。

快速成形技术虽然在诸多领域都显露出了巨大的潜力,但颜永年却对近期媒体广为宣传的“3D打印技术将改变世界”的说法并不十分完全认同。在他看来,现在的3D打印技术还存在几个方面的问题:首先,产品性能现在还达不到许多高端金属结构件的要求,如高温、重载、冲击等极其严酷的工况,还需要配合后续的致密性处理,如等静压处理等;其次,制造精度与制造效率的平衡问题还有待解决。现在,增材制造在非金属材料制造方面已经取得了许多成绩,但是在金属材料方面还存在很大缺陷,粉末堆积成形没有问题,但是成形产品的韧性与强度等都有待进一步提高。“然而毕竟三维打印为我们开创了一条金光灿烂的、前途光明的制造新路。”颜永年说。

“上世纪八十年代兴起的3D打印技术和六十年代的数控技术一样,一个是增材,一个是减材,对制造业来说都具有重要意义。数控技术上世纪六十年代提出,经过了几十年的发展才普及,用了很长时间;3D打印技术也是一样,真正能达到工业应用还有一段路要走。”颜永年表示,增材制造技术和切削技术(减材制造技术)都需要与自动化技术结合,是两个相互补充的生产、制造的方法,对制造业具有同样重要的意义,增材制造技术是今后制造技术的发展方向,它不仅能够快速制造出成品缩短生产时间,还能在很大程度上节约原材料、减少能源浪费。但他认为在可见的未来十年内,在金属加工方面增材制造技术还很难代替传统的方法,广泛应用到各工业领域。

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十年。好吧,但是就得坚持下去。
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颜老,真的是我们的鼻祖。
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路过,看看资讯
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个人觉得,3d打印的工艺特点决定了成形产品的韧性与强度低,这是天生的短板。
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njx好 发表于 2013-3-6 19:24
个人觉得,3d打印的工艺特点决定了成形产品的韧性与强度低,这是天生的短板。

这种时候应该期待“材料学的进步”吗?
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3D打印去除内应力,增加韧性。处理工艺及表面真空还原。有需要可以联系我。
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