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金屬3D打印領(lǐng)域重要的專家、學(xué)者楊永強教授:金屬3D打印產(chǎn)業(yè)化初期的機遇與挑戰(zhàn) 

2017-12-06 08:34
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2012年,當3D打印被美國人捧上神壇開始風(fēng)靡全球時,華南理工大學(xué)楊永強教授憶起當時在人民大會堂參加的一次工程院的研討會,目的即是為了討論3D打印是否真如美國人所說的那樣是一種將引領(lǐng)第三次工業(yè)革命的顛覆性技術(shù),亦或是像當年美國和蘇聯(lián)進行軍備競賽那樣,實為一種欺騙性的戰(zhàn)略。

“當時國家層面有這樣的疑慮,3D打印整個行業(yè)并不大,產(chǎn)值也不高,然而美國將其提到國家戰(zhàn)略的高度,我們該如何應(yīng)對?”楊永強教授談到,最后得出的結(jié)論是:3D打印的確是一項非常重要的工藝,有著很好的發(fā)展前景,我們應(yīng)該發(fā)展它。

隨后,經(jīng)過兩年的精心準備,工信部發(fā)布了《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃(2015-2016年)》、《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃(2017-2020年)》正式將3D打印納入國家戰(zhàn)略,國務(wù)院頒發(fā)的《中國制造2025》多次強調(diào)3D打印技術(shù),近日,科技部也發(fā)布重點專項指南對增材制造給予支持。
然而,3D打印對于目前的制造業(yè)來說依舊顯得太過前沿,產(chǎn)業(yè)化的道路才剛剛開始……
本期,我們與金屬3D打印領(lǐng)域重要的專家、學(xué)者楊永強教授一道探討金屬3D打印產(chǎn)業(yè)化初期的機遇與挑戰(zhàn)。

金屬3D打印設(shè)備的兩大技術(shù)難題
清華、北航、西交大、西工大、華科大幾大院??梢哉f是我國3D打印技術(shù)的源頭,然而最早研究SLM金屬3D打印技術(shù)且成功開發(fā)出國產(chǎn)化設(shè)備的應(yīng)當為華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院的楊永強教授所帶領(lǐng)的團隊。時至今日,楊教授不僅親歷著整個SLM金屬3D打印技術(shù)的發(fā)展進程,也在為推動技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化而不斷努力。

2002年開始,楊教授帶領(lǐng)的團隊開始研究當時被成為金屬快速成型的技術(shù),2004年便與北京隆源合作開發(fā)出國內(nèi)第一臺選區(qū)激光熔化快速成型機。然而,在當時不管是國外還是國內(nèi)都是以CO2激光器做為光源,掃描軟件也不成熟,楊教授回憶道:“我們做出的第一代機器打印出來精度和尺寸都不是很好,那時候只能打印方塊或者其他規(guī)則形狀的東西,但在當時已經(jīng)算很好了。”因為當時國外的進口設(shè)備一臺就需要花費四、五百萬,基本沒有高校做這一塊的研究。

2005年后,國外解決了光纖機器的反射問題,終于將光纖激光應(yīng)用到了3D打印設(shè)備上,楊教授也獲得了學(xué)校學(xué)科建設(shè)的經(jīng)費支持,購買了當時售價40多萬的200W光纖激光器,開發(fā)出了以光纖激光為光源的金屬3D打印設(shè)備。

目前,楊教授的團隊在關(guān)鍵性的鋪粉結(jié)構(gòu)上擁有十多項專利技術(shù),與設(shè)備相關(guān)的專利申請接近200件,不僅是國內(nèi)好幾家3D打印企業(yè)的技術(shù)源頭,今年1月,還在廣州荔灣區(qū)的3D打印產(chǎn)業(yè)園成立了一家公司——廣州雷佳增材科技有限公司(以下簡稱“廣州雷佳”),專業(yè)從事金屬3D打印設(shè)備研發(fā)、制造、銷售以及提供金屬3D打印服務(wù),擁有的金屬3D打印設(shè)備包括DiMetal-50、DiMetal-100、DiMetal-280、DiMetal-500系列。
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Laseradd DiMetal-50
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Laseradd DiMetal-100
然而技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在,國產(chǎn)3D打印設(shè)備上的這些關(guān)鍵元器件仍然依賴于進口,據(jù)楊教授介紹,目前金屬3D打印還主要存在兩大技術(shù)難題:

第一,3D打印機上的光纖激光器、掃描振鏡、控制元件這些核心器件依舊使用的是進口元件。以楊教授自己開發(fā)的設(shè)備為例,光纖激光器主要來源于IPG或SPI,掃描振鏡來源于德國SCANLAB或美國CTI。國產(chǎn)的激光器和振鏡這兩年在激光打標領(lǐng)域的應(yīng)用卓有成效,然而在3D打印設(shè)備上還沒有完全國有化;

第二,雖然元器件可以依賴進口,但是金屬3D打印設(shè)備的控制系統(tǒng)和掃描軟件都得自己開發(fā),這才是真正決定3D打印件的精度與表面質(zhì)量的關(guān)鍵因素,據(jù)楊教授介紹,國內(nèi)大部分的廠商在這一塊做得并不夠好,這也是國產(chǎn)與進口設(shè)備的差距所在。
但是,楊教授表示,不管是國外還是國內(nèi)都還存在許多問題,需要進一步努力、完善金屬

材料與前端需求不足之間的矛盾
金屬材料作為3D打印過程中需要持續(xù)投入的成本,進口材料價格之高另人望而生卻。近年來越來越多做熱噴涂、粉末冶金的科研院所和材料商進入到3D打印行業(yè),出產(chǎn)的粉末質(zhì)量也有了大幅度的提高。在采訪中,楊教授否認了“國產(chǎn)金屬粉末技術(shù)不行”這樣的觀點,他談到曾經(jīng)有一個企業(yè)做了3公斤粉末給楊教授試用,粉末質(zhì)量非常好,一點也不輸國外。而問題在于,需要用到100公斤的時候,粉末質(zhì)量就完全不過關(guān)了,這是什么原因?

楊教授認為,主要的問題在于3D打印對材料的要求比較高,不僅粉末粒度要在10μm到40μm之間,在含氧量和物理化學(xué)性能方面也有要求,因此這就需要企業(yè)大手筆投入,以保證制粉環(huán)境達到要求。而上述這家企業(yè)可以用以往的制粉技術(shù)小心翼翼地做出3公斤高質(zhì)量的3D打印用金屬粉末,但是到100公斤時,制粉環(huán)境就達不到要求了。

但金屬3D打印的前端應(yīng)用市場還沒有起來,對于金屬粉末的需求量比較小,企業(yè)不愿意投入巨額資金到這個市場,因此我國目前還沒有一家規(guī)模非常大的專門做金屬3D打印粉末的廠商。

而隨著市場需求的不足,給企業(yè)帶來的另一個問題是,賣得粉末越多虧損反而越大。楊教授舉了一個非常實際的例子,比方說他買了某企業(yè)10公斤的鈦合金粉末,每公斤售價約2000元,而第二次購買50公斤粉末時,該企業(yè)就將價格提到了3000元一公斤,而且提高售價后對方還是虧損的。因為市場的需求量不足以支撐企業(yè)的設(shè)備和人力運營成本,從而出現(xiàn)了這種違背市場規(guī)律的現(xiàn)象。

生物醫(yī)學(xué)或為突破口,許可證獲批路漫長

那么金屬3D打印的市場到底在哪里?楊教授表示,目前公認的兩個有潛力的市場是生物醫(yī)學(xué)和航空航天。生物醫(yī)學(xué)中的個性化需求、航空航天中小批量的成本考量以及輕量化部件都完美地契合3D打印技術(shù)的特點。

其中航天航天這種高端應(yīng)用的需求量相對較小,生物醫(yī)學(xué)或許是目前3D打印最大的應(yīng)用市場,以牙科為例,楊教授前不久拜訪了成都一家企業(yè),僅牙科對3D打印金屬粉末的需求量一年就達幾噸。

楊教授的團隊在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域耕耘頗深,早在2007年,楊教授就開始研究金屬3D打印在口腔方面的應(yīng)用,2011年拿到了國內(nèi)首個3D打印醫(yī)療器械——個性化舌側(cè)正畸托槽的產(chǎn)品認證,同時獲得了美國、德國的專利授權(quán)。

近年來,不僅針對醫(yī)學(xué)產(chǎn)品的個性化、高精密度、生物相容性等要求開發(fā)出面向醫(yī)學(xué)應(yīng)用的專用金屬3D打印機,還開辟了兩大醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用,包括:
齒科領(lǐng)域:開發(fā)制造牙冠、固定橋、義齒支架、頜面修復(fù)體、種植牙等口腔醫(yī)療器械產(chǎn)品;
骨科領(lǐng)域:開發(fā)膝關(guān)節(jié)植入物、髖關(guān)節(jié)植入物、脊椎植入物、導(dǎo)航手術(shù)版、種植手術(shù)導(dǎo)板等。

并且楊教授在產(chǎn)業(yè)化和實際應(yīng)用方面頗有成就:

產(chǎn)業(yè)化方面,就“個性化舌側(cè)正畸托槽”項目與廣州瑞通激光科技有限公司合作成立了廣州瑞通生物科技有限公司;3D打印膝關(guān)節(jié)項目與北京大學(xué)第三醫(yī)院合作擬成立一家公司。

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個性化膝關(guān)節(jié)假體
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針對骨盆髖臼骨折的個性化接骨板
應(yīng)用方面,與廣州市陸軍總醫(yī)院合作研發(fā)脊椎用的椎間盤融合器,與南方醫(yī)科大學(xué)第三醫(yī)院合作髖關(guān)節(jié)和胯骨的接骨板。

但是不管是生物醫(yī)學(xué)還是航空航天,行業(yè)面臨的最大的一個問題還是需要取得認證許可。

以楊教授目前所做的髖關(guān)節(jié)和胯骨的接骨板為例。在過去,在做胯骨的粉碎性骨折手術(shù)時需要用到五、六塊接骨板,用3D打印就可以設(shè)計出一個完整的接骨板直接連接起來,南方醫(yī)科大學(xué)第三醫(yī)院應(yīng)用之后的效果非常好,目前已經(jīng)做了10個臨床病例。雖然很多患者慕名前來想做這樣的手術(shù),但是因為沒有許可證,醫(yī)院不肯多做。

“如果沒有許可證,這些器械做得再好也是所謂的假冒偽劣,一旦某個環(huán)節(jié)出了問題,醫(yī)院需要擔比較大的風(fēng)險?!睏罱淌诒硎?,要拿到這個許可證就需要投入幾千萬,目前楊教授也在尋求投資方。

據(jù)粗略估計,南方醫(yī)科大一個醫(yī)生一年要做100多個此類病例,一個接骨板的收費大約幾萬塊,從全國來看也是一個比較大的市場。這只是生命醫(yī)學(xué)領(lǐng)域其中的一個小例子,可以窺見整個生物醫(yī)學(xué)市場的蘊藏著多少寶藏待3D打印去發(fā)掘,而重要的敲門磚就是需要拿到許可證。

最終的機會在于工業(yè),設(shè)計思維需改變

但最終金屬3D打印得到廣泛的應(yīng)用應(yīng)該存在于工業(yè),用3D打印直接做出工業(yè)用元件、零部件和模具等,楊教授進一步表示,目前,3D打印在工業(yè)在模具和復(fù)雜零部件制造上擁有較大的優(yōu)勢,但其主要競爭對手CNC依舊像一座大山一樣不可逾越。

“金屬3D打印還未達到可以和CNC做競爭的水平,它們不在一個層次上,金屬3D打印還處在一個發(fā)展的時期”。

CNC經(jīng)過多年的發(fā)展,是一個集合了計算機、材料、控制等技術(shù)的先進制造方法,在工業(yè)發(fā)展進程中創(chuàng)造了一段輝煌的歷史,也固定了目前普遍的設(shè)計思維,是以減材制造這樣的加工方法而非部件的功能性為出發(fā)點來設(shè)計工業(yè)產(chǎn)品。因為在過去,如果不能用減材制造的方式做出產(chǎn)品,這個設(shè)計就是不成功的,這種用幾何方法描述出來的東西都擁有非常規(guī)則的形狀,且犧牲了一部分的功能。

但不管是在人體還是自然界的東西都是不規(guī)則的形狀,以滿足功能的需求,因此在未來,當工業(yè)越來越多地注重輕量化、功能性的時候,CNC就會開始走下坡路,3D打印的優(yōu)勢將凸顯出來。

但是在此前,楊教授強調(diào),“如果不改變設(shè)計思維,3D打印就沒有出路,或者說只能偏安一隅?!睘榇怂?014年寫過一本書叫《制造改變設(shè)計》,希望從設(shè)計角度來改變大家對3D打印的認識。

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最重要是建立新的行業(yè)標準

不管是獲得醫(yī)療上的許可證還是改變工業(yè)設(shè)計思維,最終的根據(jù)還是在于新的行業(yè)標準的建立?!艾F(xiàn)在整個3D打印行業(yè)里面,很多人都在研究標準,但還沒有一個非常清晰的標準體系出來?!睏罱淌诒硎尽?br />
2017年10月12日,廣東省3D打印標準化技術(shù)委員會成立大會在珠海召開,楊永強教授任主任委員。而類似的努力也在全國各地進行中,像中國機械工程協(xié)會特種加工分會,早1988、1989年左右就已經(jīng)對快速成型制定過標準,去年中國機械工程學(xué)會新成立了增材制造分會,其下也有一個標準化專委會。目前,國家標準委員會、各個省的標準委員也在制定相關(guān)標準,甚至一些企業(yè)也在著手定制企業(yè)的標準。

總的來說,我們正處于這樣的歷史轉(zhuǎn)變時期,3D打印作為一種非常重要的制造技術(shù),將在未來形成革命性的影響,然而在產(chǎn)業(yè)化的初期,巨額投資的回饋也許很慢,但是國家在政策的引導(dǎo)下,我們?nèi)孕枰谠缙谶M行積累,一旦爆發(fā)才不至于落后。
來源:3D打印世界



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