【第三届世界3D打印大会】华中科技大学史玉升：3D打印助力传统制造业转型升级

2015年6月3日至6月6日，第三届世界3D打印大会在成都隆重举行。南极熊3D打印网作为3D打印专业的互动媒体平台，到现场为大家从南极熊的视觉来观看了解这次3D打印领域的重大会展会议。下面请看南极熊·第三届世界3D打印大会系列—— 世界3D打印技术产业大会的那人那事，史玉升：3D打印助力传统制造业转型升级。

世界3D打印技术产业大会

史玉升：各位专家，特别是来自国外的专家，还有来自企业界的朋友，下午好！


前面听了我们国家原政协副主席张梅颖和原工信部的部长李毅中两位领导说到，3D打印技术怎么样改造和提示传统制造业，这对我们国家是一个很重要的命题，因为国家3D打印目前还没有发展起来的时候，我们怎么把3D打印技术用于改造和提升传统的制造业，针对这个议题我发表一点自己的看法，以及介绍一下我们自己做的工作，看对在座的各位企业家有没有帮助。我来自华中科技大学史玉升，我在的学院叫材料学院，我后面还会讲一些3D打印材料的问题，我们所在的材料学院有一个国家重点实验室，材料成型与模具技术国家重点实验室，我取的题目叫做“3D打印助力传统制造业转型升级”，这个也没有沟通过，我刚刚听了我们两位领导人提的这个，我觉得我的题目跟他们强调的有一些不谋而合。我讲的分五个方面。

第一个看一下3D打印在制造业中处于什么样的位置，这个我们要先弄清楚，制造业从目前来说分为三大类，第一种叫等材制造，过去的传统的铸造锻是等材造，这个已经有千年的历史，从夏商周以来就有这个技术了，我们过去青铜器的制造，发展到现在四千多年的历史了，现在还是我们国民经济的支柱，后面我会以制造业为例讲这个事，天上飞的地上跑的，海里游的离不开铸造业，第二种叫减材制造，就是机床加工，拿一个代零件的毛坯，把不需要的材料切削掉，从开始的手工机床到现在的数控机床，数控机床刚刚李部长说了，强调高档数控机床有三百多年的历史，后来又诞生了一种增材制造的方法，就是我们说的3D打印的方法，它发展了不到30年的历史，大概就30年的历史，所以相对等材制造几千年的其实和减材制造几百年的历史，增材制造是非常年轻的，相当于我们刚刚生下的小孩一样，摇摇晃晃，但是它显示出了非常重要的价值和意义。

说一下我们的制造业，以铸造业为例，这是一个制造业的基础，航空航天汽车船舶都要用到，从我们国家来说，我们这个制造业占到世界的48%，我们是制造业大国，这个铸造产量是非常大的，大到什么样子呢？出口2011年的进出口数据大家可以看一下，进出口非常大，我们出口大概是比较粗糙的，质量不高的一些东西，所以我们的产量铸造占4100多万吨，占世界的一半，厂家有三万过家，超过其他国家的总和，从业人员有200多万人，我国的铸造业，铸造业的发展方向对将来整体铸造，你不要一个零件一个零件做完以后再去拼接焊接，这些是不可取的，发展趋势就是怎么样设计出复杂的整体把它铸造起来，这个我们现在也在从事这个工作。这里面怎么样整体铸造？传统的方法难以发挥作用，那我们把3D打印加进去就可以实现整体的铸造，是铸造业进行转型和提升。3D打印对改造和提升传统制造业具有什么意义呢？下面我总结了几点，最近我提出了一些观点，面向传统制造的设计是面向工艺的设计，我设计的时候一定要考虑传统的方法能不能做出来，采用3D打印我们就要面向性能的设计，你设计的时候不要考虑能不能做出来，你只要考虑结构是不是最优的，所以我们就说可以拓展产品，创新创意的空间，重新发挥设计人员的创新思维，这是一个意义。第二个是极大的降低产品研发创新的成本，缩短创新研发的周期，比如说拿这个右下角汽车发动机最复杂的，过去是做一个钢模，把这个打出来，这个刚模打出来，把这个打出来要5、6个月的时候，如果这个出来有问题你要再花几个月，所以研发成本和周期非常长，如果采用3D打印技术，大概一个星期左右就可以把沙星打出来你直接浇铸，得到铸件，这就是跟典型的铸造业结合，改造和提升传统的铸造业，怎么改造提升呢？把你前面做模具的这一套不要了，用3D打印嵌入进去，特复杂的模具还是很难完成，采用3D打印就可以做出特别复杂的。另一个意义是制造出传统工艺无法加工的亿零部件，极大增强了工艺实现能力，我们可以作出非常复杂的结构，可以减轻总量，节省原材料，节能能耗，比如说航天上有一些实心零部件，可以做成网撞的，做成空间的，另一个是难加工材料可加工性，钛合金等都是难加工的，但是我们做成粉末材料，用3D打印的方式做起来就容易了，陶瓷材料，中国的陶瓷材料，做的陶瓷很悠久，陶瓷我们可以做道具，但是用3D打印的方法可以做陶瓷传统的加工，把传统到此从传统的供应链转化提升，另一个促进绿色的制造模式，这个Graham  Tromans刚刚也讲了，采用3D打印的方法，我二氧化碳的排放少好几个数量级，节省材料，减轻重量，燃油的消耗也减轻了，汽车、飞机减轻总量，减少有效荷载。还有一个是说在生产加工的过程中，它也对环境的污染是减少的，刚刚剑桥大学的教授也说了，将来这是一个很重要的问题。再一个是绿色的制造模式，我们用激光使用传统的材料使用量可以减少70%，及时传统的可以加工的时候，我采用3D打印的方式来制造时间的减少也可以减少60%，另一个是之个性化定制等高级创新模式实现，随着人类的需要，个性化需要是体现的，比如说人的牙齿是不一样的，鞋子是不一样的，比如说我们过去东风牌的卡车可以开几十年，现在轿车要不停的变化，不变化你这企业就要倒闭了，所以说怎么样催生创新的服务模式，3D打印研究院像罗总这样开辟新的，很快的个性化定制的，快速响应的，满足年轻人需要的新的模式，制造业对传统制造业的提升不光是对制造过程的提升，从设计到制造到最后的服务，整个链的制造业的提升。对提升传统制造业的意义。

我介绍一下我们在这方面做的工作，我们也是做了一个初步的工作，供大家借鉴。我们从91年开始研究3D打印技术，也是国内最早的研发单位之一，我们原来黄老师、严老师他们一起研究这个技术，我们开始研究的时候，主要是非金属材料，比如说用纳米技术，以纸片，片材为材料技术，我们现在由纸片发展为陶瓷的片材，现在他们有用塑料片材，后来发展为粉末材料，粉末材料是高分子材料，后来发展成金属，现在发展为到此，主要是研发这些装备，现在目前有做生物的材料，做人体的名片，过去大家关心主要是做工业的，将来要制造人体的零部件，叫生物制造技术，生物制造技术我们要研究生物材料和相应的打印装备，这是现在和未来要开展的，以前可能是在工业方面比较成熟一点，现在我们可以提供丝材的3D打印装备，提供分材的打印装备，提供液材的3D打印装备，从材料的形态来说四类都可以提供，我们都有研发队伍。包括及其以及它用的材料，都进行研发，这是采用液体材料，开始实施光敏树脂等的材料，我们研发材料以及装备，这是我们采用粉材的，包括高分子陶瓷金属材料，装备现在从有一系列的装备成功，这是比较大的装备，像1.4米×1.4米的装备，这是做陶瓷的装备，做出来像大黄鸭这些，这是金属的，金属最早是间接成型，做成粘连及，做完了以后还要捆，现在是直接把金属打印出来，我们这个打印出来用到了加拿大，这次他们有一家公司也做报告，做各种各样的东西，另外做3D打印一个是要有数据，一个是正向设计，有创新思维设计出来，另一个逆向设计，做相应的3D扫描的设备，做出3D打印的零件行不行，尺寸精度能不能达到要求？我们可以反过来测量。我们的铸造应用的一些典型的案例，这是工信部支持下我们跟欧盟空客，欧洲航天局一起做的飞机上的案例。
现在飞机上，包括空客有很多大部分的零件是用铸造的，比如说钛合金，钛合金怎么做呢？先用3D打印做出蜡模，过去这个蜡模是用整体做的，现在做出研究的工艺，这是我们做的精密制造的案例，我要得到这样一个金属零件，先用3D打印打印出一个模型来，后面传统的铸造方法是不变的，这有几千年的历史，非常成熟，大家都敢用，比如说现在3D直接打印出一个发动机或者是某一个零件大家可能不敢坐飞机，那是后天和明天的事，目前还是要跟传统制造业结合，这就是我们做的一些跟铸造结合的，跟精密铸造结合的例子，这是我们国家做的飞机发动机的机匣，做之前先把蜡模做出来，然后整体铸造，由于3D打印技术的诞生，对传统的几千年的铸造技术也提出了挑战，提出了什么挑战呢？比如说有一些非常复杂的，我把这个蜡模可以做出来，但是你铸造进行没有办法完成，比如说我们做一块直航发动机的机匣，对这种中介机匣都是3D打印机打印出来，这是我们跟621合作完成的，将来3D打印机的诞生，我可以对一些铸件进行任意的面向性能的设计，设计完了以后还面向整体的铸造，不要分开了，一铸造完了以后，你过去分开做，一个总量增加，再一个有焊缝的地方有缺陷，有一些地方是用砂芯铸造，把整个砂芯的蜡模，直接把砂芯打出来，砂子打出来，打出来以后再浇铸汽车发动机的缸盖，过去这样的砂芯蜡模要用模具来做，现在3D打印直接做出来，这是我们整体制造出的机匣，我们来测量它的精度，我们用3D打印扫描的方法，现在所有的精度，过去是测量几个特征点，或者是抽检，现在全检了，你全部的数字化给我看，红的就是正槽差和负槽差。另一个把3D打印和热等静压结合，热等静压是粉末演进的方法，有一个炉子，既有高温又有压力，是具备把粉末材料进去制备一个块剂材料，如果我们现在用热等静压的炉子就可以做出金属零件，像钛、镍作出的综合零件，这个零件的综合性能是非常好的，可以达到锻件的综合性能，我们把3D打印和热等静压结合起来，让这个炉子做出零件来，我们研究了十年取得很好的效果，在开始准备在业界应用了，这是很领先的一个技术，这是我们用热等静压做出的东西要进行测试，力学性能，疲劳性能等一系列的测试。

另外我把3D打印技术和模具技术结合起来，我传统的方法大批量的制造要用模具，这个模具本来就是单件小批量的，我们用3D打印做模具主要做什么呢？体现它什么优点呢？注塑模具、压制模具里面有冷却流道，它的冷却效果不好，现在可以根据热力学的原理设计最优的冷却流道，现在我们深圳这个地方现在已经开始应用了，可以作出具有优化冷却模道的流道，这个流道是弯弯曲曲螺旋上升的这种，现在做的还不错，做的各种冷却流道。3D打印跟传统的基加工结合起来，下面我是基加工的简单形状，上面复杂的形状，上面需要复杂的我基加工上面长出一个复杂的来，下面这个是基加工的，上面长出一个3D打印的，这个复杂的我们剖开看里面的结构，3D打印也可以和传统的基加工结合起来，我们现在正在研发的是什么呢？用3D打印优点可以作出复杂的，但是表面质量不好，我们正在研发就是把减材制造和增材制造结合，做出来既复杂表面技术也好的这种技术，也是把减材和增材结合在一起做。现在大家对3D打印不满意的一个是表面粗糙，做太粗了，后面要打磨，做基加工，对后期复杂的没有办法加工了，采用这种复杂的技术既解决表面光滑，又解决复杂的问题，这是我们做的模具，这个流道非常复杂，这是做出来的效果（PPT）。我把3D打印跟传统中国的陶瓷的制造业结合起来，中国传统的陶瓷制造业结合起来也做了一些工作，由于时间的原因我就不详细的介绍了，这是3D打印做的，怎么做呢？3D打印打印出来一个陶瓷的东西，我结合热等静压，最后传统的陶瓷要发挥什么作用呢？就是在上面上釉，搞一些彩色的颜色就完了，这个技术就对传统制造业做异形复杂的陶瓷是非常有用的，过去我们的陶瓷、碗、盆、陶瓷都是对称的呢？因为陶瓷用手工转动，异形就没有办法了，如果采用3D打印可以作出异形复杂的，不用对称了，陶瓷不光是陶瓷工业用的零件，对艺术品也很有价值的，前面是高岭土，后面是碳化硅，碳化硅我们做陶瓷的，比如说将来我们3D打印过去只是做结构的零件，以后我们要做信息功能的3D打印零件，我做出的陶瓷零件，比如说天线做出复杂的飞机上的天线，或者是航空航天天线，它可以反射波和吸收波，可以产生信息功能，我可以进行电信息功能，我们做了很多的陶瓷零部件，这是对传统的改造。

目前我们研发的这个技术也产业化了，大概销售工业级3D打印装备制造300余套，金属设备也销售了10余套，目前也出口到一些国家，不光在国内应用，也出口到一些国家，我们不主要做加工服务，比如说早年我们有几十万的3D打印打印的零部件了，这是出口到新加坡的，新加坡把他们的鱼尾狮打印出来，摆到他们那个地方，这是我们做的很多，给空客、育才做的服务，这是我们西安的航天机场做的东西，这是上海航天八院设备制造总厂在用这个技术解决问题。这就是我们所做的工作，给大家汇报一下看看有没有启发。

下面我说一下3D打印面临的挑战，首先是3D打印材料的问题，拿铸造业来说，你的砂芯、蜡模、陶瓷芯也不是随便上取得，砂芯要考虑到强度、精度，还要考虑到它的发起量，传统怎么搞出来，传统的材料可以说是上万上亿中，3D打印材料目前就几百种，远远满足不了我们的需要，3D打印打印材料的设计制备理论的方法还没有，现在凭经验在搞，另外我这个3D打印零部件的设计理论的方法也没有，比如说网状的结构，还有模具里面镶嵌的冷却流道，自动把模具的冷却流道生成出来，我们现在凭经验自己画一个流道出来，这是不对的，正确的是用科学的设计和方法，目前还没有，这是我们国家的基础研究要上去，再一个3D打印装备的成型，精度成型效率，3D打印装备的价格，3D打印装备的稳定性都还存在一些问题，我刚刚举一些例子，他还是一个小孩，还不成熟，很多问题需要大家共同做，刚刚有领导说了3D打印的材料不光是我们3D打印的圈内的人做，还要外面做材料的人来做3D打印材料，3D打印材料是非常具有材料的，因为3D打印两大核心的技术，第一设备，我们搞3D打印的这些人，过去一直是从事3D打印设备，怎么搞一个设备来完成任务，但对材料我们研究的比较少，但是现在我们发现材料是限制3D打印技术发展的主要瓶颈，一个是品种少，第二价格贵，我跟加拿大那一家公司讨论，我说你材料太贵了，虽然给我优惠一公斤钛合金也三千多，我一个博士生做二十公斤的就是6、7万，你3D打印打印一个零件，我给铸造相比，这个铸造这么大一个零件，可能就几百块钱就完了，你3D打印几万块钱，价格很高，性能低，性能低体现在什么？军工企业里面有一个地方有缺陷，有裂纹，那你这个零件就废了，性能怎么样提高？我经常说一个例子，锅碗瓢盆有了，你现在油盐米，缺很多，这个要大家做，这个广大的人民都要参与，光我们做3D打印的还是精力有限。另外在3D打印的英中用，力学性能，断裂人性、疲劳性能，裂纹扩展速率，高温持久性能等等都还很缺乏，标准体系也不健全，有一些过去不成立的部件，可以采用3D部件，你的高温疲劳性能怎么样，谁也不能拍板说可以马上运用的…（未说完），由于时间关系我就不讲了，谢谢！（3D打印在线）

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