報告嘉賓：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(hui) 主任、中國高端醫療器械標準技術委員會(hui) 副主任盧秉恒院士

報告主題：中國3D打印現狀與(yu) 未來

報告來源：中國(長沙)增材製造產(chan) 業(ye) 發展與(yu) 技術應用分論壇

我今天以3D打印+來給大家作個(ge) 交流：

一、3D打印技術的迅猛發展

現在金屬打印越來越成為(wei) 3D打印研究和應用的熱點。現在發展出來的技術主要有這麽(me) 幾種：有的是粉末材料的，有的是絲(si) 材做材料的。粉末做材料的有兩(liang) 種：一種是鋪粉的，一種是噴粉的。鋪粉是一層一層的鋪設，在表麵進行熔化。噴粉是在粉末噴出的過程中被激光熔化。絲(si) 材用激光電子束或者離子束熔化。這幾種各有各的優(you) 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(yu) 裝備的能力限製，一般集中在小件，因為(wei) 它製造效率比較低。激光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(si) 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打印來鑄造。我們(men) 可以看到一台設備可以製造多種的材料。

我們(men) 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(you) 於(yu) 鑄件。3D打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裏呢？怎樣能夠更加高效、低成本、高精度地製造？當然有各方麵的問題：一是驅動的能源，是激光器還是電子束、離子束，需要核心的器件，例如送粉器等等。能源電子束、激光，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。在精度和尺寸方麵是存在一定的矛盾，包括我們(men) 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製，容易產(chan) 生哪些問題呢？除了一般製造中的精度、表麵粗糙之外，還有它的缺陷，粉末打印為(wei) 一個(ge) 三維的物體(ti) 時，可能會(hui) 夾雜一些氣體(ti) 、雜物氧化這些問題，會(hui) 影響材料的性能，怎樣去避免缺陷的產(chan) 生很重要。

除此之外，在非金屬材料和其他材料也產(chan) 生了一些高效的技術，這幾年有高度的發展。像以前傳(chuan) 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(liang) 個(ge) 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(ge) 零件，可以形成功能梯度結構的零件。包括微納的3D打印，可以製造電路、芯片。

一些應用型的複合材料用於(yu) 戰車的裝甲，也可以做成仿生，像貝殼那種結構，借鑒仿生的原理，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(chan) 生裂紋，裂紋在一定的條件下很快擴展，就使我們(men) 整個(ge) 構建失效，而複合材料就沒有這個(ge) 問題。我們(men) 應用的金屬複合材料做了一個(ge) 小型打印機，發射在太空，在太空進行了工作，工作了幾天後返回到地麵，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。

這是微納的打印，精度可以達到100納米，有很多芯片可以直接打印。

3D打印現在擴展到4D打印，4D打印是智能的材料，打印時和後來在一定的條件下，它的形狀可以是不一樣的。例如打印時它的溫度是一定的，打印過後是另外一種溫度，在人體(ti) 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(ti) ，到人體(ti) 心髒以後發生變化，可以形成血管支架。因為(wei) 它隨著時間會(hui) 發生形狀的變化，所以叫4D打印。

用於(yu) 生物製造又稱5G打印，再創人體(ti) 的器官，可以看到一些消息，人工肺、人工心髒、皮膚、神經都在進行探索中。因為(wei) 這種材料打印後，可以在人體(ti) 內(nei) 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(wei) 5D打印。最後就可以非常理想地形成人體(ti) 器官的再創，這樣組織修複的時候，不再是一個(ge) 沒有生命的材料，而是最後長成一個(ge) 器官，這裏麵有非常多的問題需要研究。例如怎樣使裏麵毛細血管長出來和人體(ti) 的循環係統能夠連通，還有神經怎樣受到中樞神經的指揮，來接受正確的行為(wei) 命令。

把3D打印發展到太空中去，人類有很多的太空之夢，我們(men) 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(yu) 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。但一台3D打印機器就可以完成全部的製造，對太空製造來說，3D打印是非常理想的手段。我們(men) 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(you) 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(men) 很多的3D打印需要在真空下，那裏就不需要擔心，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、核能在月球上冶煉金屬、製造其他的材料，來完成製造。如果從(cong) 月球出發去到太空中探索，代價(jia) 遠比在地球上便宜得多，可能要降低兩(liang) 個(ge) 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打印帶來的設計創新

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打印可以優(you) 化設計，也可以用不同的材料做成一個(ge) 零件，可以大大減輕重量。還可以把很多的零件集成一個(ge) 零件，有人進行探索，用3D打印做整體(ti) 的飛機、汽車，有可能把幾萬(wan) 個(ge) 零件變成幾十個(ge) 零件，使飛機的重量減輕60%，這樣飛機的有效載荷大大提升。

可以用多材料打印同樣一個(ge) 零件，這樣可以把表麵做得耐腐蝕、耐磨損，內(nei) 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(liang) 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(men) 和核動力研究院研究，這個(ge) 方法有可能使換熱的結構減小為(wei) 原來的六分之一，但是換熱的效率沒有減弱。

用3D打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(ge) 冶煉過程，這個(ge) 過程代價(jia) 很高、周期很長。3D打印用一個(ge) 粉狀就可以解決(jue) 下麵的問題，得到很好的驗證。設計出來用3D打印驗證，這樣可以很快發現多種合金。

多品種、小批量生產(chan) 模式，可以用來修複再製造。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，恢複它原來的精度，用很少的代價(jia) 就可以把貴重的設備全部修複，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(ge) 零件損壞了，沒有供應商了，用3D打印可以直接來修複。

三、3D打印+

3D打印有什麽(me) 作用？有很多人說3D打印成本很高，質量還有一些問題，費用很高，到底有哪些用途？實際上3D打印可以為(wei) 製造業(ye) 、社會(hui) 生活的各個(ge) 方麵帶來很大的益處。

1-3D打印+航空航天
這是世界公認的，因為(wei) 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，但占的體(ti) 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打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打印來製造整體(ti) 的火箭。3D打印製造一個(ge) 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。

我們(men) 開發的微型發動機，原來幾十個(ge) 零件，現在變成了三個(ge) 零件。3D打印整體(ti) 打印的飛機發動機的模型。這個(ge) 模型還可以轉動，來驗證我們(men) 的設計。在航空發動機的修複方麵有非常多的用處。在這方麵以後有非常大的變化，像GE公司今年用3D打印做了很多發動機的零件，上萬(wan) 個(ge) 。今後他號稱要三分之一飛機的零件用3D打印技術去製造，顛覆了傳(chuan) 統的生產(chan) 過程。

像這個(ge) 噴嘴大大提高了燃油的效率，很多一體(ti) 化的零件大大減輕了重量。

2-3D打印+船舶海工領域
大型船用鎳鋁青銅螺旋槳，精度很高，不會(hui) 有噪音。曾經潛艇的噪音就是一個(ge) 非常大的問題。現在用3D打印可以解決(jue) 這個(ge) 問題。

3-3D打印+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(ge) 電錐來推動汽車。壓縮機製造完全可以用3D打印來製造，它實際上是一個(ge) 小型的渦輪壓縮機。
在核電方麵可以用高效的換熱，複雜的流道，有兩(liang) 萬(wan) 多個(ge) 管道，上下兩(liang) 片，如果做了有問題，燃料棒在裏麵會(hui) 發生損壞，或者損壞程度不一樣，會(hui) 影響整個(ge) 核電的質量。用3D打印可以很好保證質量。

4-3D打印+機器人領域
很多的工業(ye) 機器人可以用來做3D打印，不需要開發專(zhuan) 門的設備，利用機器人的柔性可以很快實現周圍的3D打印。同時，用3D打印也可以來製造機器人的本體(ti) ，這樣適應各種不同形狀的需求，做得快、開發得又快。

5-3D打印+再製造領域
尤其是用於(yu) 飛機葉片的修複、礦山機械、冶金機械的修複。

6-3D打印+精準醫療
人體(ti) 的器官非常的個(ge) 性化，骨科要做手術，一個(ge) 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、牙齒的修複可以用3D打印，每周換一個(ge) ，形成很好的治療方案。在這方麵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麵的政策非常好。在推動一二類的醫療許可證，納入醫保方麵也做了大量工作。也成立了一家公司專(zhuan) 門做3D打印精準醫療的工作，希望在這方麵能夠形成一個(ge) 為(wei) 全球服務的公司。可以把數據送到這個(ge) 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打印服務商來下訂單，當地交貨，形成一個(ge) 快捷、準確的服務。

7-3D打印+生物醫療3D打印技術持續突破
用於(yu) 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，發現組織液裏麵有生長因子可以長出自己的骨細胞。    

8-3D打印+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(ti) 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打印來做。

9-3D打印+塑料模具
也可以用3D打印的特點打印出隨形的流道，這樣提高質量，加快注塑的效率。

10-3D打印+建築打印
可以打印很多裝飾型的東(dong) 西，包括建築。

11-3D打印+數字創意產(chan) 業(ye)
個(ge) 性化首飾、家具設計，文物修複、複製。我們(men) 在北京做了編鍾的修複，在古墓裏發現了編鍾，不是係列的，發現了四個(ge) ，用3D打印再設計、配成套，做得非常精美。

四、3D打印產(chan) 業(ye) 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(ge) 全球的3D打印規模才到100多億(yi) 美金，中國才到100多億(yi) 人民幣，如果能走向三分之一，中國製造業(ye) 的三分之一那就是10萬(wan) 億(yi) ，100多億(yi) 到10萬(wan) 億(yi) 這中間的空間是非常巨大的。怎麽(me) 去做還有一個(ge) 很長期的過程。在座有很多同誌在3D打印產(chan) 業(ye) 、服務業(ye) 的，我們(men) 做製造業(ye) 不是按照定義(yi) ，非要把所有的東(dong) 西都變成3D打印，這樣會(hui) 產(chan) 生誤導。前天中德3D打印的專(zhuan) 題討論會(hui) ，德國專(zhuan) 家提出，我們(men) 不要在這方麵誤導大眾(zhong) 。無論是等材還是減材都有它的優(you) 勢。我們(men) 要發揮各種製造技術本身的優(you) 勢，不一定都要分散。

增材可以用在哪方麵呢？可以用在占空比，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，包括曲麵的特征，曲麵的變化，複雜的適合3D打印來做。還有需要複合製造，3D打印和等材、減材複合，增減材一體(ti) 化，3D打印出來一個(ge) 毛坯，再用模具輕鍛一下。這樣有什麽(me) 好處呢？可以各自發揮優(you) 勢，因為(wei) 一個(ge) 大型的件全部鍛出來，我們(men) 國家最大的8萬(wan) 噸的壓機那個(ge) 壓力還不夠，我們(men) 把3D打印的毛坯打出來，用模具來保證它的尺寸、表麵精度，各個(ge) 發揮自己的優(you) 勢，形成複合製造的方法。製造業(ye) 我們(men) 要選擇合適的方法。

零件的特征，首先是尺寸的柔度。一個(ge) 生產(chan) 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(ge) 零件稍微一變化就沒有辦法用了，就是柔性不好。需要企業(ye) 製造零件的柔性比較大，今天做這個(ge) 零件，明天做那個(ge) 零件，那就適合3D打印來做。還有複雜程度的柔性，有時候簡單、有時候複雜，有時候長的、有時候圓的、有時候短的，還是3D打印來做。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(ge) 模具壓不同的材料可能會(hui) 壓裂了。但是對3D打印這個(ge) 材料的適應性是比較強的，隻不過把粉缸換一個(ge) ，就可以換材料。

增材製造方麵有很多的主流工藝，到底是用鋪粉的、噴粉的還是絲(si) 材的，根據各種不同的特點，我這裏畫了一個(ge) 雷達圖，根據零件的大小、材料、後處理的要求、機械性能，各方麵的要求，不同的工藝方法有不同的特點。我們(men) 增材製造的工程師是個(ge) 新的行業(ye) ，你要充分了解各種工藝的特點，來選擇不同的工藝方法。

3D打印還是一個(ge) 補鏈技術，無論是疫情還是美國斷鏈，跟我們(men) 脫鉤，使製造業(ye) 發生了很多困擾。如果3D打印的技術、材料柔性比較大，真正缺一個(ge) 零件，不能生產(chan) 了，趕快用3D打印是個(ge) 很好的補鏈的技術。盡管增材製造製造的比較少，但是它的價(jia) 值比較高。總的價(jia) 值經過一二十年的時間或者更長的時間走向三分天下。從(cong) 100多億(yi) 達到10萬(wan) 億(yi) 、幾十萬(wan) 億(yi) ，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，可以提供麵向各行業(ye) 產(chan) 品開發的解決(jue) 方案，同時進行了關(guan) 鍵器件和軟件平台的研發。我們(men) 完成了三個(ge) 能力的平台：研發中試的平台、公共測試的平台、工程技術服務的平台。

我們(men) 有國內(nei) 外主流的工藝技術裝備，各大公司的都全了，所以我們(men) 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(ye) 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(men) 開發的裝備是國內(nei) 外以前沒有的，我們(men) 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件平台。

在元器件開發上我們(men) 做了微噴頭打印，可以用於(yu) 彩色打印、金屬的打印。還做了送粉器，提高噴粉燒結的效率和精度，還做了一個(ge) 長壽命的電子槍，現在我們(men) 從(cong) 48小時提高到200小時的壽命。  

提供整體(ti) 的軟件解決(jue) 方案，中國製造業(ye) 非常卡脖子的問題是工業(ye) 軟件，3D打印有了自己的軟件平台，這個(ge) 軟件平台可以支持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。

在新材料方麵，開發了噴墨打印的材料，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(yu) 導彈的製造。新的高分子材料用於(yu) 學生用的便攜式的3D打印，沒有氣味。
開發了射頻等離子球化，製粉的裝備。

這是我們(men) 製粉的裝備，這是第三類製粉裝備，前麵兩(liang) 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(ti) 化的打印裝備，很多零件3D打印出來，表麵很粗糙，尺寸精度很差，把增減材合在一起來做。據國外機床界的專(zhuan) 家預測，20年後可能我們(men) 的機床40%都是增材一體(ti) 化的。

這是我們(men) 用於(yu) 微型發動機的製造，研發周期縮短了85%，我們(men) 在一年中開發了6款微型發動機，可以用於(yu) 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，顯著的特征是高透波性，用於(yu) 導彈，信號來回傳(chuan) 輸不受衰減可以提高打擊的精度。

這是後處理，3%的打印一般表麵粗糙度比較差。我們(men) 用了一種等離子電化隔離技術，放進去幾分鍾，粗糙度大為(wei) 改善。

這是針對航空航天的大件的需要，做的熔絲(si) 式增減材一體(ti) 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(ti) 化的，激光五軸增減材加上，做了係列的裝備。

在提高效率方麵，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(liang) 個(ge) 方缸裏提高50%。

這是我們(men) 做的大型的，具有精細的特征，這是1.5×1.5的鋪粉設備，四個(ge) 電子束槍，同時進行工作，效率大為(wei) 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(ti) 汽車外殼的打印。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。

這是微型噴墨打印頭，可以用於(yu) 鑄造、鑄型的製造。

人才培養(yang) 方麵從(cong) 職工的業(ye) 餘(yu) 培養(yang) ，到本科生，也招收3D打印的精英班，還有工程的碩士班。教育部給我們(men) “1+X”計劃，幫助我們(men) 職業(ye) 院校培訓3D打印的人才，可以發證的。

我們(men) 這些年這些成果可以孵化一些產(chan) 業(ye) ，規劃了20幾個(ge) 企業(ye) ，現在正在一個(ge) 一個(ge) 的進行孵化，目前正在進行孵化的有4-5家。