“大家應該都聽過《神筆馬良》的故事”，受邀在深圳大學“名師進中學”活動中針對3D打印技術進行科普講座的陳張偉(wei) 教授常常用這個(ge) 聽眾(zhong) 耳熟能詳的故事作為(wei) 開場，從(cong) 而使聽眾(zhong) 對3D打印技術的理解能夠更加的具象化。

“也許神筆馬良故事中的所畫即所得，比如畫一隻馬就能得到一隻活馬，正是我們(men) 3D打印研究的終極目標——所打即所得”。講座的末了，陳張偉(wei) 總會(hui) 以一句“以夢為(wei) 馬，3D打印助（祝）你夢想成真！”作為(wei) 結束語憧憬3D打印並為(wei) 在場的聽眾(zhong) 送去美好的祝福。

3D打印技術可以用來幹什麽(me) ？

有人用它打印桌麵的玩具，讓玩具更加個(ge) 性化，並實現了複雜的結構成型。

有人用它打印出火箭的關(guan) 鍵部件，使其比傳(chuan) 統製造的零部件更小，並在60天內(nei) 讓火箭完成從(cong) “一堆原材料”到“登上發射台”的變身。

深圳大學85後教授陳張偉(wei) 則有著“不一樣”的想法，他和同事們(men) 一起把3D打印技術用在核聚變領域，通過對聚變堆核心部件——產(chan) 氚陶瓷單元結構的改變，使其能夠具有更加優(you) 異的性能，從(cong) 而更有利於(yu) 核聚變所需的重要元素氚的獲取。

增材製造研究所成員集體(ti) 照

不僅(jin) 如此，他將“不一樣”的想法付諸更多的研究，畢業(ye) 於(yu) 英國帝國理工大學的他目前擔任深圳大學增材製造研究所執行所長，帶領著團隊在3D打印的創新型應用領域進行更加深遠的探索。

3D打印與(yu) 核聚變的奇妙“碰撞”

實際上，國際相關(guan) 公司在3D打印的創新型探索也給了陳張偉(wei) 一定的啟發。

美國GE公司，作為(wei) 3D打印應用在航空工業(ye) 中“第一個(ge) 吃螃蟹”的公司，采用3D打印技術製造飛機發動機的燃油噴嘴，結果將傳(chuan) 統工藝的20多個(ge) 零件變成了3D打印的1個(ge) 零件，不但大大降低了噴嘴的製造周期和成本，其燃燒效率也得到大幅提升。

“3D打印最大的優(you) 勢是可以實現複雜結構件的一體(ti) 化設計與(yu) 成型，突破傳(chuan) 統製造工藝無法實現的精密複雜結構製造的限製。”

陳張偉(wei) 與(yu) 3D打印的不解之緣，從(cong) 2007年開始在西安交通大學攻讀碩士期間就已經結下。2010年，陳張偉(wei) 前往英國帝國理工大學從(cong) 事陶瓷材料相關(guan) 專(zhuan) 業(ye) 的博士及博士後深造，他打算進一步嚐試將陶瓷與(yu) 3D打印技術進行結合。

陳張偉(wei) 在日本衝(chong) 繩環太平洋陶瓷大會(hui) 上與(yu) 陶瓷權威Colombo院士合影

陶瓷材料種類繁多，應用領域也較廣，經過高溫燒結或反應燒結等處理後，可形成結構件、功能件、結構功能一體(ti) 化件等部件，這些屬性給了陳張偉(wei) 研究陶瓷3D打印更多的靈感。

在深圳大學增材製造研究所勞長石所長的支持下，研究所團隊聯合中核工業(ye) 西南物理研究院的聚變堆專(zhuan) 家，開辟了一條陶瓷3D打印的應用新思路——應用於(yu) 核聚變領域的核心產(chan) 氚裝置。

上世紀50年代開始，為(wei) 解決(jue) 能源危機，人類發展並建立了核電站。

眾(zhong) 所周知，核裂變是當前核電站發電的主要選擇，但核裂變發電需要的核燃料資源有限，而且會(hui) 產(chan) 生放射性核燃料廢物，存在一定的安全風險。為(wei) 了規避這一問題，科學家們(men) 將目光投向核聚變，核聚變發電不產(chan) 生放射性廢物，而且獲得的能量更大。但由於(yu) 人類至今無法控製核聚變的整個(ge) 過程，核聚變也因此一直未能實現商業(ye) 化。

不過，隨著核技術日漸成熟，可控核聚變反應堆或將為(wei) 人類源源不斷地提供清潔能源。

核聚變發電的原理是通過氫的同位素氘和氚在高溫高壓條件下產(chan) 生聚變反應，並釋放大量熱能導入水中，通過水蒸氣推動渦輪機發電。如此看來，在核聚變堆中，產(chan) 氚材料作為(wei) 一種重要的功能材料，在聚變氚燃料循環中起著極其關(guan) 鍵的作用。

據陳張偉(wei) 介紹，氘可以通過對海水的處理獲得，但氚在自然界中並不直接存在，隻能通過人為(wei) 製備，采用鋰陶瓷等與(yu) 氦氣發生催化反應製得。但如何讓兩(liang) 者盡可能充分地接觸，從(cong) 而產(chan) 生更加高效的反應，這考驗科學家的智慧。

傳(chuan) 統的辦法是將正矽酸鋰等鋰陶瓷製造成一毫米左右的微球，在特定的高溫高壓條件下通過堆疊在一起形成球床結構，讓氦氣通過球床結構時發生反應。但球床接觸容易造成應力集中，從(cong) 而導致微球開裂和破損，影響球床結構的壽命。此外球體(ti) 的堆積體(ti) 積占比存在物理極限，使得實體(ti) 與(yu) 孔的比例無法自由調節，限製了產(chan) 氚效率的調控與(yu) 提升。

他們(men) 發現這一問題後，嚐試采用3D打印正矽酸鋰的方式來製造更加合理的結構，其團隊設計出蜂窩和點陣的結構可以大範圍調整孔洞的比例和大小，從(cong) 而使得氦氣得以通過這些孔洞時充分反應。此外，一體(ti) 化的結構也使得其力學性能得到大幅提升。

目前，陳張偉(wei) 團隊采用光固化3D打印出產(chan) 氚陶瓷單元樣品正在做核聚變領域的測試。這是全球首例采用3D打印的方法製造的這種新型產(chan) 氚結構，團隊也基於(yu) 此發表了高水平學術論文，成果更是獲得了國內(nei) 外媒體(ti) 的報道。

研究成果獲得媒體(ti) 報道

“雖然它在整個(ge) 核聚變係統工程中隻是一丁點的貢獻，但核聚變本身對國計民生而言具有很重要的意義(yi) ，從(cong) 這個(ge) 角度而言，3D打印產(chan) 氚陶瓷也顯得意義(yi) 非凡。”

聚焦創新型研究

產(chan) 氚陶瓷的一體(ti) 化3D打印製造具有重要的意義(yi) 和價(jia) 值，這也更加堅定了他們(men) 在陶瓷3D打印創新型應用領域的探索決(jue) 心。

“對於(yu) 3D打印，我認為(wei) 與(yu) 其說它是對傳(chuan) 統製造的顛覆，不如說更多的是對傳(chuan) 統製造的補充。”陳張偉(wei) 認為(wei) ，3D打印的出現目前來說還沒有辦法完全取代傳(chuan) 統製造，而是可以通過充分利用其優(you) 勢來進行傳(chuan) 統方法無法完成的製造任務，從(cong) 而進行更多的創新應用。

2016年，陳張偉(wei) 加入深圳大學增材製造研究所，並於(yu) 2018年成為(wei) 該所的執行所長，該研究所目前由5名老師、7名博士後和50多名碩士組成，這支年輕隊伍的共同研究目標之一，就包括了3D打印的創新型應用。“一是思考已有的零部件能否用3D打印的方式去實現製造，從(cong) 而獲得更高性能；亦或針對某些新型應用，考慮直接采用3D打印製造新型零部件。後者從(cong) 無到有難度更大。”

深圳大學增材製造研究所實驗室一角

陶瓷材料具有高強度、高硬度、高耐磨、耐氧化等獨特屬性，如同3D打印產(chan) 氚陶瓷一般，陶瓷材料可以打印成結構件、功能件及結構功能一體(ti) 化的部件。陳張偉(wei) 團隊看到了其在醫療、航空航天、機械電子、能源環保等領域的潛在應用價(jia) 值。

“它在電子通信行業(ye) 上有很大的體(ti) 量。”看好陶瓷材料在通訊方麵發展前景的陳張偉(wei) ，正帶領團隊與(yu) 某知名通信公司合作研發具有高度複雜結構的先進天線組件。

在能源環保方麵，他正設想將3D打印用於(yu) 製造汽車尾氣淨化器。該器件傳(chuan) 統的製造方法是模具加工，其擠出管道多為(wei) 平行無交叉、內(nei) 部結構單一的，而采用3D打印可製造出具有更優(you) 異性能的複雜結構管道。“在設計階段，就可以先進行結構和性能仿真，根據仿真的結果進行結構優(you) 化設計，設置孔洞結構的大小和排布密度，有助於(yu) 提高催化效率和結構使用性能，這就是3D打印在這個(ge) 領域可以創新的地方。”

同時，其團隊也在探索噴墨打印和擠出直寫(xie) 等3D打印工藝在新能源器件宏微觀組件製造方麵的應用。特別是針對跨尺度結構3D打印獨有的自由調控優(you) 勢則能夠為(wei) 實現器件性能的大幅提升提供必要條件。

在生物醫療方麵，由於(yu) 陶瓷材料在人體(ti) 內(nei) 具有類人骨和可降解的優(you) 勢，早在10多年前，陳張偉(wei) 所在的西安交通大學課題組就開始用3D打印的方法做骨科領域的細胞培養(yang) 和植入。

此外，目前深圳大學增材製造研究所團隊在航空航天方麵也正在開展基於(yu) 陶瓷3D打印的微波屏蔽裝置、微型燃燒室等部件的研發工作。

德國Fraunhofer激光研究所所長Poprawe院士到訪增材製造所

對於(yu) 陳張偉(wei) 而言，高校和企業(ye) 在科研產(chan) 出和目標上有交集但更多的還是較大差異。目前來說，大部分企業(ye) 更關(guan) 心的是盡可能在短時間內(nei) 滿足市場需求的產(chan) 品研發與(yu) 上市並獲得利潤創收，而高校科研一般更多的是希望能夠在理論與(yu) 技術方麵做更加基礎性的和前沿性的創新研究。“有時候不見得短期內(nei) 就有效果，所以需要耐得住寂寞甘坐冷板凳，希望做一些對人類社會(hui) 有深層價(jia) 值和影響的研究。當然，有時候也會(hui) 受到社會(hui) 環境的影響，需要去麵對和適應。”

在對某一領域進行陶瓷3D打印的創新型應用研究之前，陳張偉(wei) 通常會(hui) 列出5個(ge) 問題進行評估：能不能用3D打印做？用3D打印做具有什麽(me) 優(you) 勢？3D打印工藝能夠彌補什麽(me) 不足？3D打印製造的效果如何？采用3D打印是否會(hui) 比傳(chuan) 統工藝更好？

如產(chan) 氚陶瓷、催化劑載體(ti) 等產(chan) 品，3D打印技術的引入使得其在結構的調控、設計製造周期和性能等方麵都表現出較大的優(you) 勢，這便符合陳張偉(wei) 對於(yu) 3D打印的創新型應用的評估條件。

“沒有核心技術的產(chan) 業(ye) 化意義(yi) 不大”

二十多年前，中國就邁入3D打印領域，發展速度極快。相關(guan) 數據顯示，2015-2017年這3年間，中國3D打印產(chan) 業(ye) 規模實現了翻倍增長，年均增速超過25%。

數字看似亮眼，但陳張偉(wei) 對中國3D打印產(chan) 業(ye) 的發展卻有另外的理解。

實際上，3D打印並不是一個(ge) 單純的製造過程，它是材料、物理、化學、機械、計算機甚至光學等多學科的交叉。作為(wei) 國內(nei) 率先開展陶瓷3D打印研究的人員之一，陳張偉(wei) 從(cong) 2007年在西安交大讀研開始，就跟隨國內(nei) 知名3D打印學者李滌塵教授從(cong) 事陶瓷光固化3D打印的研究，並且與(yu) 波音公司開展了陶瓷鑄型的3D打印與(yu) 應用探索。隨著研究過程的深入，陳張偉(wei) 發現已有的知識儲(chu) 備顯得捉襟見肘。“學科交叉很明顯，那個(ge) 時候作為(wei) 機械專(zhuan) 業(ye) 碩士生的我，經常需要去鑽研材料學或者化學的基礎理論知識。”

在英國留學期間，陳張偉(wei) 也開始進一步思考3D打印與(yu) 陶瓷材料製造的結合與(yu) 應用的更多可能，從(cong) 材料的製備，到裝備的搭建再到應用研究，多年摸索讓他對3D打印的全鏈條研發有了更深刻的認識。

時至今日，他更加確信，要想做好3D打印，必須要對材料、結構、設備、工藝等各個(ge) 環節都顧及到。

以設備為(wei) 例，盡管眼下國內(nei) 3D打印產(chan) 業(ye) 發展速度較快，但國產(chan) 高端打印設備的核心部件還是擺脫不了進口的命運。例如在陶瓷光固化3D打印行業(ye) ，目前普遍使用的麵曝光DLP光固化陶瓷打印機多被美國德州儀(yi) 器TI公司開發的DMD芯片壟斷。

相對而言，國外部分知名廠商出品的打印設備價(jia) 格較高，但其技術集成度和成熟度方麵有比較明顯的優(you) 勢；國產(chan) 設備的特點則是價(jia) 格相對較低、售後反應較靈活、二次開發和擴展性較高。在經濟條件允許的情況下，人們(men) 傾(qing) 向於(yu) 采購進口設備。

“總體(ti) 而言，國產(chan) 設備的大部分核心技術，即陶瓷SL或DLP成型原理大都沿用國外專(zhuan) 利，或在此基礎上做部分改進。因此對於(yu) 國內(nei) 廠商來說，從(cong) 跟跑到領跑，實現核心技術原創性自主研發和跨越式競爭(zheng) 任重道遠。”陳張偉(wei) 在其最新發表的一篇關(guan) 於(yu) 陶瓷光固化3D打印技術的論文中如是寫(xie) 道。

“在高端裝備與(yu) 應用領域，如果沒有核心技術掌握在自己手裏，誰都能做，就沒有什麽(me) 產(chan) 業(ye) 化的意義(yi) 了。” 陳張偉(wei) 認為(wei) ，如同打印設備的激烈競爭(zheng) 局麵一樣，簡單的3D打印產(chan) 品雖然容易產(chan) 業(ye) 化，但做的人也多，如果不掌握核心技術，具備特色競爭(zheng) 力，那麽(me) 很快就會(hui) 在行業(ye) 洗牌中被淘汰。

現在其團隊正在做的更多的是前沿領域的科研探索。雖然一些成果距離產(chan) 業(ye) 化仍有一定距離，但陳張偉(wei) 仍信心滿滿。目前他的團隊仍在招兵買(mai) 馬，“要做強3D打印產(chan) 業(ye) ，需要更多的人才加入到3D打印領域，從(cong) 材料、設備的核心部件，到創新應用等等，多管齊下共同來努力推進。以夢為(wei) 馬，總有夢想成真的一天。”