2012年，當(dāng)3D打印被美國(guó)人捧上神壇開(kāi)始風(fēng)靡全球時(shí)，華南理工大學(xué)楊永強(qiáng)教授憶起當(dāng)時(shí)在人民大會(huì)堂參加的一次工程院的研討會(huì)，目的即是為了討論3D打印是否真如美國(guó)人所說(shuō)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(dāng)年美國(guó)和蘇聯(lián)進(jìn)行軍備競(jìng)賽那樣，實(shí)為一種欺騙性的戰(zhàn)略。

“當(dāng)時(shí)國(guó)家層面有這樣的疑慮，3D打印整個(gè)行業(yè)并不大，產(chǎn)值也不高，然而美國(guó)將其提到國(guó)家戰(zhàn)略的高度，我們?cè)撊绾螒?yīng)對(duì)？”楊永強(qiáng)教授談到，最后得出的結(jié)論是：3D打印的確是一項(xiàng)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(guò)兩年的精心準(zhǔn)備，工信部發(fā)布了《國(guó)家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃（2015-2016年）》、《國(guó)家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃（2017-2020年）》正式將3D打印納入國(guó)家戰(zhàn)略，國(guó)務(wù)院頒發(fā)的《中國(guó)制造2025》多次強(qiáng)調(diào)3D打印技術(shù)，近日，科技部也發(fā)布重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)指南對(duì)增材制造給予支持。

然而，3D打印對(duì)于目前的制造業(yè)來(lái)說(shuō)依舊顯得太過(guò)前沿，產(chǎn)業(yè)化的道路才剛剛開(kāi)始……

本期，《3D打印世界》與我國(guó)金屬3D打印領(lǐng)域重要的專(zhuān)家、學(xué)者楊永強(qiáng)教授一道探討金屬3D打印產(chǎn)業(yè)化初期的機(jī)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、華科大幾大院校可以說(shuō)是我國(guó)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(kāi)發(fā)出國(guó)產(chǎn)化設(shè)備的應(yīng)當(dāng)為華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院的楊永強(qiáng)教授所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)。時(shí)至今日，楊教授不僅親歷著整個(gè)SLM金屬3D打印技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程，也在為推動(dòng)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化而不斷努力。

2002年開(kāi)始，楊教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)開(kāi)始研究當(dāng)時(shí)被成為金屬快速成型的技術(shù)，2004年便與北京隆源合作開(kāi)發(fā)出國(guó)內(nèi)第一臺(tái)選區(qū)激光熔化快速成型機(jī)。然而，在當(dāng)時(shí)不管是國(guó)外還是國(guó)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(jī)器打印出來(lái)精度和尺寸都不是很好，那時(shí)候只能打印方塊或者其他規(guī)則形狀的東西，但在當(dāng)時(shí)已經(jīng)算很好了?！币?yàn)楫?dāng)時(shí)國(guó)外的進(jìn)口設(shè)備一臺(tái)就需要花費(fèi)四、五百萬(wàn)，基本沒(méi)有高校做這一塊的研究。

2005年后，國(guó)外解決了光纖機(jī)器的反射問(wèn)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(fèi)支持，購(gòu)買(mǎi)了當(dāng)時(shí)售價(jià)40多萬(wàn)的200W光纖激光器，開(kāi)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(tuán)隊(duì)在關(guān)鍵性的鋪粉結(jié)構(gòu)上擁有十多項(xiàng)專(zhuān)利技術(shù)，與設(shè)備相關(guān)的專(zhuān)利申請(qǐng)接近200件，不僅是國(guó)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(jiǎn)稱(chēng)“廣州雷佳”），專(zhuān)業(yè)從事金屬3D打印設(shè)備研發(fā)、制造、銷(xiāo)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。

然而技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，國(guó)產(chǎn)3D打印設(shè)備上的這些關(guān)鍵元器件仍然依賴(lài)于進(jìn)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(jī)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(jìn)口元件。以楊教授自己開(kāi)發(fā)的設(shè)備為例，光纖激光器主要來(lái)源于IPG或SPI，掃描振鏡來(lái)源于德國(guó)SCANLAB或美國(guó)CTI。國(guó)產(chǎn)的激光器和振鏡這兩年在激光打標(biāo)領(lǐng)域的應(yīng)用卓有成效，然而在3D打印設(shè)備上還沒(méi)有完全國(guó)有化；

第二，雖然元器件可以依賴(lài)進(jìn)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(kāi)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(guó)內(nèi)大部分的廠(chǎng)商在這一塊做得并不夠好，這也是國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口設(shè)備的差距所在。

但是，楊教授表示，不管是國(guó)外還是國(guó)內(nèi)都還存在許多問(wèn)題，需要進(jìn)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(guò)程中需要持續(xù)投入的成本，進(jìn)口材料價(jià)格之高另人望而生卻。近年來(lái)越來(lái)越多做熱噴涂、粉末冶金的科研院所和材料商進(jìn)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(fǎng)中，楊教授否認(rèn)了“國(guó)產(chǎn)金屬粉末技術(shù)不行”這樣的觀(guān)點(diǎn)，他談到曾經(jīng)有一個(gè)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(diǎn)也不輸國(guó)外。而問(wèn)題在于，需要用到100公斤的時(shí)候，粉末質(zhì)量就完全不過(guò)關(guān)了，這是什么原因？

楊教授認(rèn)為，主要的問(wèn)題在于3D打印對(duì)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(dá)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(shí)，制粉環(huán)境就達(dá)不到要求了。

但金屬3D打印的前端應(yīng)用市場(chǎng)還沒(méi)有起來(lái)，對(duì)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(gè)市場(chǎng)，因此我國(guó)目前還沒(méi)有一家規(guī)模非常大的專(zhuān)門(mén)做金屬3D打印粉末的廠(chǎng)商。 

而隨著市場(chǎng)需求的不足，給企業(yè)帶來(lái)的另一個(gè)問(wèn)題是，賣(mài)得粉末越多虧損反而越大。楊教授舉了一個(gè)非常實(shí)際的例子，比方說(shuō)他買(mǎi)了某企業(yè)10公斤的鈦合金粉末，每公斤售價(jià)約2000元，而第二次購(gòu)買(mǎi)50公斤粉末時(shí)，該企業(yè)就將價(jià)格提到了3000元一公斤，而且提高售價(jià)后對(duì)方還是虧損的。因?yàn)槭袌?chǎng)的需求量不足以支撐企業(yè)的設(shè)備和人力運(yùn)營(yíng)成本，從而出現(xiàn)了這種違背市場(chǎng)規(guī)律的現(xiàn)象。

生物醫(yī)學(xué)或?yàn)橥黄瓶冢S可證獲批路漫長(zhǎng)

那么金屬3D打印的市場(chǎng)到底在哪里？楊教授表示，目前公認(rèn)的兩個(gè)有潛力的市場(chǎng)是生物醫(yī)學(xué)和航空航天。生物醫(yī)學(xué)中的個(gè)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(diǎn)。

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

楊教授的團(tuán)隊(duì)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域耕耘頗深，早在2007年，楊教授就開(kāi)始研究金屬3D打印在口腔方面的應(yīng)用，2011年拿到了國(guó)內(nèi)首個(gè)3D打印醫(yī)療器械——個(gè)性化舌側(cè)正畸托槽的產(chǎn)品認(rèn)證，同時(shí)獲得了美國(guó)、德國(guó)的專(zhuān)利授權(quán)。

近年來(lái)，不僅針對(duì)醫(yī)學(xué)產(chǎn)品的個(gè)性化、高精密度、生物相容性等要求開(kāi)發(fā)出面向醫(yī)學(xué)應(yīng)用的專(zhuān)用金屬3D打印機(jī)，還開(kāi)辟了兩大醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，包括：

齒科領(lǐng)域：開(kāi)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(kāi)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(shí)際應(yīng)用方面頗有成就：

產(chǎn)業(yè)化方面，就“個(gè)性化舌側(cè)正畸托槽”項(xiàng)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(xiàng)目與北京大學(xué)第三醫(yī)院合作擬成立一家公司。

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(pán)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(gè)問(wèn)題還是需要取得認(rèn)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(guò)去，在做胯骨的粉碎性骨折手術(shù)時(shí)需要用到五、六塊接骨板，用3D打印就可以設(shè)計(jì)出一個(gè)完整的接骨板直接連接起來(lái)，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(gè)臨床病例。雖然很多患者慕名前來(lái)想做這樣的手術(shù)，但是因?yàn)闆](méi)有許可證，醫(yī)院不肯多做。

“如果沒(méi)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(gè)環(huán)節(jié)出了問(wèn)題，醫(yī)院需要擔(dān)比較大的風(fēng)險(xiǎn)?！睏罱淌诒硎?，要拿到這個(gè)許可證就需要投入幾千萬(wàn)，目前楊教授也在尋求投資方。

據(jù)粗略估計(jì)，南方醫(yī)科大一個(gè)醫(yī)生一年要做100多個(gè)此類(lèi)病例，一個(gè)接骨板的收費(fèi)大約幾萬(wàn)塊，從全國(guó)來(lái)看也是一個(gè)比較大的市場(chǎng)。這只是生命醫(yī)學(xué)領(lǐng)域其中的一個(gè)小例子，可以窺見(jiàn)整個(gè)生物醫(yī)學(xué)市場(chǎng)的蘊(yùn)藏著多少寶藏待3D打印去發(fā)掘，而重要的敲門(mén)磚就是需要拿到許可證。

最終的機(jī)會(huì)在于工業(yè)，設(shè)計(jì)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(jìn)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(shì)，但其主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手CNC依舊像一座大山一樣不可逾越。

“金屬3D打印還未達(dá)到可以和CNC做競(jìng)爭(zhēng)的水平，它們不在一個(gè)層次上，金屬3D打印還處在一個(gè)發(fā)展的時(shí)期”。

CNC經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，是一個(gè)集合了計(jì)算機(jī)、材料、控制等技術(shù)的先進(jìn)制造方法，在工業(yè)發(fā)展進(jìn)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(jì)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(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)工業(yè)產(chǎn)品。因?yàn)樵谶^(guò)去，如果不能用減材制造的方式做出產(chǎn)品，這個(gè)設(shè)計(jì)就是不成功的，這種用幾何方法描述出來(lái)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(mǎn)足功能的需求，因此在未來(lái)，當(dāng)工業(yè)越來(lái)越多地注重輕量化、功能性的時(shí)候，CNC就會(huì)開(kāi)始走下坡路，3D打印的優(yōu)勢(shì)將凸顯出來(lái)。

但是在此前，楊教授強(qiáng)調(diào)，“如果不改變?cè)O(shè)計(jì)思維，3D打印就沒(méi)有出路，或者說(shuō)只能偏安一隅?！睘榇怂?014年寫(xiě)過(guò)一本書(shū)叫《制造改變?cè)O(shè)計(jì)》，希望從設(shè)計(jì)角度來(lái)改變大家對(duì)3D打印的認(rèn)識(shí)。

最重要是建立新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

不管是獲得醫(yī)療上的許可證還是改變工業(yè)設(shè)計(jì)思維，最終的根據(jù)還是在于新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的建立?！艾F(xiàn)在整個(gè)3D打印行業(yè)里面，很多人都在研究標(biāo)準(zhǔn)，但還沒(méi)有一個(gè)非常清晰的標(biāo)準(zhǔn)體系出來(lái)。”楊教授表示。

2017年10月12日，廣東省3D打印標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)成立大會(huì)在珠海召開(kāi)，楊永強(qiáng)教授任主任委員。而類(lèi)似的努力也在全國(guó)各地進(jìn)行中，像中國(guó)機(jī)械工程協(xié)會(huì)特種加工分會(huì)，早1988、1989年左右就已經(jīng)對(duì)快速成型制定過(guò)標(biāo)準(zhǔn)，去年中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)新成立了增材制造分會(huì)，其下也有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化專(zhuān)委會(huì)。目前，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)、各個(gè)省的標(biāo)準(zhǔn)委員也在制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，甚至一些企業(yè)也在著手定制企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。

總的來(lái)說(shuō)，我們正處于這樣的歷史轉(zhuǎn)變時(shí)期，3D打印作為一種非常重要的制造技術(shù)，將在未來(lái)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(guó)家在政策的引導(dǎo)下，我們?nèi)孕枰谠缙谶M(jìn)行積累，一旦爆發(fā)才不至于落后。