全文:盧秉恆院士《中國3D列印現狀與未來》

南極熊注意到，在「中國（長沙）增材製造產業發展與技術應用分論壇」上，盧秉恆院士做了一個非常全面的3D列印演講分享。

中國工程院院士、西安交通大學教授、博士生導師，國家增材製造創新中心主任，中國增材製造標準化技術委員會主任、中國高端醫療器械標準技術委員會副主任，盧秉恆院士，在本次論壇上做主題是《中國3D列印現狀與未來》的演講文字實錄。

下面是報告整理：（全文約7000字，乾貨很多；為現場速記，或有錯別字，敬請見諒）

我今天以3D列印+來給大家作個交流。

一、3D列印技術的迅猛發展

現在金屬列印越來越成為3D列印研究和應用的熱點。現在發展出來的技術主要有這麼幾種：有的是粉末材料的，有的是絲材做材料的。粉末做材料的有兩種：一種是鋪粉的，一種是噴粉的。鋪粉是一層一層的鋪設，在表面進行熔化。噴粉是在粉末噴出的過程中被雷射熔化。絲材用雷射電子束或者離子束熔化。這幾種各有各的優勢，也有不它的不足。

像粉末選區熔化的特點是製造的零件精確、複雜。但是由於裝備的能力限制，一般集中在小件，因為它製造效率比較低。雷射熔覆的粉末得到更充分的熔化，所以它的強度要高一些，而熔絲更適合大件的製造。

金屬增材製造可以用各種金屬，包括模具鋼、高速鋼、不鏽鋼、高溫合金、鈦合金、鋁合金、鎂合金、銅合金、鎢合金都可以通過3D列印來鑄造。我們可以看到一臺設備可以製造多種的材料。

我們實驗了幾種材料用增材製造來做，能夠到達的強度、韌性、延展率有些部分超過了鍛件，遠遠優於鑄件。3D列印有非常廣闊的用處。當然有時候在製造中形成一種結構的異性。垂直分層和平行分層的方向，它的力學性能有一些區別。

金屬增材製造的問題在哪裡呢？怎樣能夠更加高效、低成本、高精度地製造？當然有各方面的問題：一是驅動的能源，是雷射器還是電子束、離子束，需要核心的器件，例如送粉器等等。能源電子束、雷射，能夠更長的壽命和更大的功率和聚焦性更好，使精度更提高。在精度和尺寸方面是存在一定的矛盾，包括我們的金屬加工，你加工大件和加工小件，達到的精度是不一樣的。增材製造同樣存在這樣的問題。大件做得高精準非常的難，而且成本也非常高。最突出的問題是質量控制，容易產生哪些問題呢？除了一般製造中的精度、表面粗糙之外，還有它的缺陷，粉末列印為一個三維的物體時，可能會夾雜一些氣體、雜物氧化這些問題，會影響材料的性能，怎樣去避免缺陷的產生很重要。

除此之外，在非金屬材料和其他材料也產生了一些高效的技術，這幾年有高度的發展。像以前傳統的光固化技術，現在效率提高了幾十倍乃至100倍。後來發展成連續拉伸的，兩個數量級的提高。材料也在擴展，非金屬材料、金屬材料、陶瓷材料、合金的、多材料，做成一個零件，可以形成功能梯度結構的零件。包括微納的3D列印，可以製造電路、晶片。

一些應用型的複合材料用於戰車的裝甲，也可以做成仿生，像貝殼那種結構，借鑑仿生的原理，可以製造高強度的戰車裝甲。也可以把金屬和陶瓷複合在一塊，既有高耐磨性也有比較好的韌性。

航空航天、軌道交通越來越多用到纖維複合材料，碳纖維複合材料，主要是輕量化、高強度。金屬材料容易產生裂紋，裂紋在一定的條件下很快擴展，就使我們整個構建失效，而複合材料就沒有這個問題。我們應用的金屬複合材料做了一個小型印表機，發射在太空，在太空進行了工作，工作了幾天後返回到地面，這是國際的首創。

同時，纖維複合材料可以形成短纖維和塑料一起用注射的方法形成各種各樣的零件，尤其是汽車的零件，可以做到高強度、輕量化。

這是微納的列印，精度可以達到100納米，有很多晶片可以直接列印。

3D列印現在擴展到4D列印，4D列印是智能的材料，列印時和後來在一定的條件下，它的形狀可以是不一樣的。例如列印時它的溫度是一定的，列印過後是另外一種溫度，在人體的治療中可以發揮一定的作用，打的形狀適合通過微創手術植入人體，到人體心臟以後發生變化，可以形成血管支架。因為它隨著時間會發生形狀的變化，所以叫4D列印。

用於生物製造又稱5G列印，再創人體的器官，可以看到一些消息，人工肺、人工心臟、皮膚、神經都在進行探索中。因為這種材料列印後，可以在人體內生化環境下長成自己的細胞，形成自己的器官，能夠進行有效工作，稱為5D列印。最後就可以非常理想地形成人體器官的再創，這樣組織修復的時候，不再是一個沒有生命的材料，而是最後長成一個器官，這裡面有非常多的問題需要研究。例如怎樣使裡面毛細血管長出來和人體的循環系統能夠連通，還有神經怎樣受到中樞神經的指揮，來接受正確的行為命令。

把3D列印發展到太空中去，人類有很多的太空之夢，我們地球也是有一定的壽命，怎樣去其他的星球上。就必須在太空中實現製造。對於製造來說，等材製造、切割加工需要很多工藝的流程和大量的設備。但一臺3D印表機器就可以完成全部的製造，對太空製造來說，3D列印是非常理想的手段。我們又在進行探索，在太空中可能有非常複雜的挑戰，一些極端的條件。同時，它又很多優越的地方，在太空中製造沒有地球中的空氣，不要擔心氧化，我們很多的3D列印需要在真空下，那裡就不需要擔心，自然是真空的。在太空中太陽能是非常好的，沒有空氣的衰減，它的密度是地球的5倍。可以得到取之不盡，用之不竭的能源。而且據說月球還有可以做核動力的燃料，可以進行再利用。月亮呈沙粒狀的分布，和地球上的很多材料差不多。可以利用足夠的太陽能、核能在月球上冶鍊金屬、製造其他的材料，來完成製造。如果從月球出發去到太空中探索，代價遠比在地球上便宜得多，可能要降低兩個數量級。月球上發射沒有空氣的阻力，而且月亮的引力比地球小得多，很容易進入太空的軌道。

二、3D列印帶來的設計創新

首先是輕量化，航空航天、軌道交通、汽車都需要輕量的結構，而3D列印可以優化設計，也可以用不同的材料做成一個零件，可以大大減輕重量。還可以把很多的零件集成一個零件，有人進行探索，用3D列印做整體的飛機、汽車，有可能把幾萬個零件變成幾十個零件，使飛機的重量減輕60%，這樣飛機的有效載荷大大提升。

可以用多材料列印同樣一個零件，這樣可以把表面做得耐腐蝕、耐磨損，內部是高強度的，中間的部分可以做成中空的，有很好的剛度，但重量也很輕。可以把金屬、陶瓷複合在一起，具有金屬陶瓷的兩種特性。

高效換熱結構：例如能源核電，用增材製造可以很容易製造各種複雜的管道，可以進行充分的熱交換，提高熱交換的效率。我們和核動力研究院研究，這個方法有可能使換熱的結構減小為原來的六分之一，但是換熱的效率沒有減弱。

用3D列印可以開發很多新的合金，以前要發展一種新合金，需要整個冶煉過程，這個過程代價很高、周期很長。3D列印用一個粉狀就可以解決下面的問題，得到很好的驗證。設計出來用3D列印驗證，這樣可以很快發現多種合金。

多品種、小批量生產模式，可以用來修復再製造。像很多的礦山機械、冶金機械，在零件上噴塗一層性能更高的合金，恢復它原來的精度，用很少的代價就可以把貴重的設備全部修復，甚至比新品的性能還能夠有所提高。也包括很多年前的設備，一個零件損壞了，沒有供應商了，用3D列印可以直接來修復。

三、3D列印+

3D列印有什麼作用？有很多人說3D列印成本很高，質量還有一些問題，費用很高，到底有哪些用途？實際上3D列印可以為製造業、社會生活的各個方面帶來很大的益處。

1、3D列印+航空航天

這是世界公認的，因為航空航天的件很多是大型、複雜的，把材料放在最有用的地方又很輕，但佔的體積又很大，像這種製造過程中、切割加工中，把95%的材料切掉了。3D列印可以幾乎百分百利用，材料也是大大的節約了。現在國際上用3D列印來製造整體的火箭。3D列印製造一個耐溫3335度的火箭發動機零件，大大提高了火箭發動機的效率。

（圖）上面是我們開發的微型發動機，原來幾十個零件，現在變成了三個零件。

（圖）3D列印整體列印的飛機發動機的模型。這個模型還可以轉動，來驗證我們的設計。在航空發動機的修複方面有非常多的用處。在這方面以後有非常大的變化，像GE公司今年用3D列印做了很多發動機的零件，上萬個。今後他號稱要三分之一飛機的零件用3D列印技術去製造，顛覆了傳統的生產過程。

像這個噴嘴大大提高了燃油的效率，很多一體化的零件大大減輕了重量。

2、3D列印+船舶海工領域

大型船用鎳鋁青銅螺旋槳，精度很高，不會有噪音。曾經潛艇的噪音就是一個非常大的問題。現在用3D列印可以解決這個問題。

3、3D列印+新能源領域

新能源汽車、燃料電池、輕燃料電池都是壓縮機然後變成一個電錐來推動汽車。壓縮機製造完全可以用3D列印來製造，它實際上是一個小型的渦輪壓縮機。

在核電方面可以用高效的換熱，複雜的流道，有兩萬多個管道，上下兩片，如果做了有問題，燃料棒在裡面會發生損壞，或者損壞程度不一樣，會影響整個核電的質量。用3D列印可以很好保證質量。

4、3D列印+機器人領域

很多的工業機器人可以用來做3D列印，不需要開發專門的設備，利用機器人的柔性可以很快實現周圍的3D列印。同時，用3D列印也可以來製造機器人的本體，這樣適應各種不同形狀的需求，做得快、開發得又快。

5、3D列印+再製造領域

尤其是用於飛機葉片的修復、礦山機械、冶金機械的修復。

6、3D列印+精準醫療

人體的器官非常的個性化，骨科要做手術，一個是骨頭的替代物，需要三類的許可證，還有二類的用做骨科手術的刀板、牙齒的修復可以用3D列印，每周換一個，形成很好的治療方案。在這方面全國醫學界現在都如火如荼推動發展。我注意到湖南省在這方面的政策非常好。在推動一二類的醫療許可證，納入醫保方面也做了大量工作。也成立了一家公司專門做3D列印精準醫療的工作，希望在這方面能夠形成一個為全球服務的公司。可以把數據送到這個公司來，公司和醫生在網上溝通、設計，確定設計之後，在全國各地的3D列印服務商來下訂單，當地交貨，形成一個快捷、準確的服務。

7、3D列印+生物醫療3D列印技術持續突破

用於做組織工程，交大在十幾年前承擔了國家自然科學基金的課題，發現組織液裡面有生長因子可以長出自己的骨細胞。

8、3D列印+汽車開發

也可以做大量的工作，汽車的輕量化車身，包括纖維複合材料的，包括汽車的零部件，以及一體化的製造。新能源汽車它的複合材料，可以用快速經濟的模具來製造，直接可以用3D列印來做。

9、3D列印+塑料模具

也可以用3D列印的特點列印出隨形的流道，這樣提高質量，加快注塑的效率。

10、3D列印+建築列印

可以列印很多裝飾型的東西，包括建築。

11、3D列印+數字創意產業

個性化首飾、家具設計，文物修復、複製。我們在北京做了編鐘的修復，在古墓裡發現了編鐘，不是系列的，發現了四個，用3D列印再設計、配成套，做得非常精美。

四、3D列印產業發展現狀

我在今年9月份的報告上提出可以走向三分天下，怎樣走向三分天下？整個全球的3D列印規模才到100多億美金，中國才到100多億人民幣，如果能走向三分之一，中國製造業的三分之一那就是10萬億，100多億到10萬億這中間的空間是非常巨大的。怎麼去做還有一個很長期的過程。在座有很多同志在3D列印產業、服務業的，我們做製造業不是按照定義，非要把所有的東西都變成3D列印，這樣會產生誤導。前天中德3D列印的專題討論會，德國專家提出，我們不要在這方面誤導大眾。無論是等材還是減材都有它的優勢。我們要發揮各種製造技術本身的優勢，不一定都要分散。

增材可以用在哪方面呢？可以用在佔空比，空的比較多，但是實際材料比較少，這一類的零件，還有複雜技術，包括曲面的特徵，曲面的變化，複雜的適合3D列印來做。還有需要複合製造，3D列印和等材、減材複合，增減材一體化，3D列印出來一個毛坯，再用模具輕鍛一下。這樣有什麼好處呢？可以各自發揮優勢，因為一個大型的件全部鍛出來，我們國家最大的8萬噸的壓機那個壓力還不夠，我們把3D列印的毛坯打出來，用模具來保證它的尺寸、表面精度，各個發揮自己的優勢，形成複合製造的方法。製造業我們要選擇合適的方法。

零件的特徵，首先是尺寸的柔度。一個生產設備可以做大的、可以做小的。大的缸可以把很多小的零件做成一缸來製造。而其他的等材模具一套就一套，一個零件稍微一變化就沒有辦法用了，就是柔性不好。需要企業製造零件的柔性比較大，今天做這個零件，明天做那個零件，那就適合3D列印來做。還有複雜程度的柔性，有時候簡單、有時候覆雜，有時候長的、有時候圓的、有時候短的，還是3D列印來做。如果形狀單一還是選擇等材或者減材來做。

還有材料的柔性，像鍛壓不同的材料可鍛性不一樣，模具也不一樣，材料的流動不一樣，同樣一個模具壓不同的材料可能會壓裂了。但是對3D列印這個材料的適應性是比較強的，只不過把粉缸換一個，就可以換材料。

增材製造方面有很多的主流工藝，到底是用鋪粉的、噴粉的還是絲材的，根據各種不同的特點，我這裡畫了一個雷達圖，根據零件的大小、材料、後處理的要求、機械性能，各方面的要求，不同的工藝方法有不同的特點。我們增材製造的工程師是個新的行業，你要充分了解各種工藝的特點，來選擇不同的工藝方法。

3D列印還是一個補鏈技術，無論是疫情還是美國斷鏈，跟我們脫鉤，使製造業發生了很多困擾。如果3D列印的技術、材料柔性比較大，真正缺一個零件，不能生產了，趕快用3D列印是個很好的補鏈的技術。儘管增材製造製造的比較少，但是它的價值比較高。總的價值經過一二十年的時間或者更長的時間走向三分天下。從100多億達到10萬億、幾十萬億，空間是非常大的。

五、國家增材製造創新中心

2016年開始建設，2020年元月份經過了能力的驗收，可以提供面向各行業產品開發的解決方案，同時進行了關鍵器件和軟體平臺的研發。我們完成了三個能力的平臺：研發中試的平臺、公共測試的平臺、工程技術服務的平臺。

我們有國內外主流的工藝技術裝備，各大公司的都全了，所以我們進行各種的服務。可以看到工藝部門是非常多的，航空航天、汽車、泵業都有。

開展了重大裝備的開發，開發了八款新的增材製造裝備，我們開發的裝備是國內外以前沒有的，我們要做創新的工作。開發了一些新的工藝，開發了一些核心的零部件，開發了一些新的材料和軟體平臺。

在元器件開發上我們做了微噴頭列印，可以用於彩色列印、金屬的列印。還做了送粉器，提高噴粉燒結的效率和精度，還做了一個長壽命的電子槍，現在我們從48小時提高到200小時的壽命。

提供整體的軟體解決方案，中國製造業非常卡脖子的問題是工業軟體，3D列印有了自己的軟體平臺，這個軟體平臺可以支持9種工藝，分別在國家研究院進行了驗證，不同的支撐方法、切片方法、路徑、掃描，一直到生成。

在新材料方面，開發了噴墨列印的材料，還有納米的材料，把石墨烯混入金屬粉中，提高了強度和韌性。還做了高透波的陶瓷原料，用於飛彈的製造。新的高分子材料用於學生用的可攜式的3D列印，沒有氣味。

開發了射頻等離子球化，制粉的裝備。

這是我們制粉的裝備，這是第三類制粉裝備，前面兩種空心球比較多，衛星球比較多，還有很多的粘連的現象。射頻等離子的全部是實心球，而且球形非常好。

還做了增減材一體化的列印裝備，很多零件3D列印出來，表面很粗糙，尺寸精度很差，把增減材合在一起來做。據國外工具機界的專家預測，20年後可能我們的工具機40%都是增材一體化的。

這是我們用於微型發動機的製造，研發周期縮短了85%，我們在一年中開發了6款微型發動機，可以用於無人機。

這是高性能的陶瓷材料，既能夠耐高溫又有一定的韌性，顯著的特徵是高透波性，用於飛彈，信號來回傳輸不受衰減可以提高打擊的精度。

這是後處理，3%的列印一般表面粗糙度比較差。我們用了一種等離子電化隔離技術，放進去幾分鐘，粗糙度大為改善。

這是針對航空航天的大件的需要，做的熔絲式增減材一體化的設備。最大的做到了直徑5米，高度5米。

這是增減材製造一體化的，雷射五軸增減材加上，做了系列的裝備。

在提高效率方面，鋪粉方法做了環形鋪粉和連續掃描，這樣鋪粉和掃描的時間是重合在一起，效率比兩個方缸裡提高50%。

這是我們做的大型的，具有精細的特徵，這是1.5×1.5的鋪粉設備，四個電子束槍，同時進行工作，效率大為提升。

這是複合材料的設備，最大做了4.5米長、3米寬、1.5米高，可以做整體汽車外殼的列印。還做了在線檢測的裝置，來保證沒有缺陷的製造，如果有缺陷可以切掉，再進行增材。

這是微型噴墨列印頭，可以用於鑄造、鑄型的製造。

人才培養方面從職工的業餘培養，到本科生，也招收3D列印的精英班，還有工程的碩士班。教育部給我們「1+X」計劃，幫助我們職業院校培訓3D列印的人才，可以發證的。

我們這些年這些成果可以孵化一些產業，規劃了20幾個企業，現在正在一個一個的進行孵化，目前正在進行孵化的有4、5家。

謝謝聽完我的報告！

△盧秉恆院士在中德增材製造研討會的交流視頻

2021第五屆中國（西安）國際3D列印博覽會暨高峰論壇正式啟動

論壇：2021IAME中國（西安）國際3D列印博覽會暨高峰論壇

時間：2021年9月23-25日

地點：西安國際會展中心（滻灞）

△2020年12月2日中國嫦娥五號成功降落到月球，並順利挖土取樣。分享一個技術思路：3D列印月球基地。

全國3D列印活動預告