3D打印技术被称为制造业的后起之秀,在航空航天、精准医疗等前沿领域,具有着无可替代的应用,西安交通大学的卢秉恒院士被称为“中国3D打印之父”,从工厂一线的熟练工到大学教授,再到中国3D打印领域院士,历经20多年,他带领团队破壁前行,让3D打印技术在中国实现从无到有,并在太空中首次实现3D打印实验。
虽然已经快到耄耋之年,但卢秉恒依然奋斗不止,1987年卢秉恒博士毕业,当时他的研究方向是机械的减震问题,应用领域从一般的机械工业到汽车制造甚至是尖端的航空航天,前景广阔。1992年访美期间,卢秉恒第一次看到了3D打印技术,在汽车制造业中的应用,这让他在近50岁时改变研究领域,走上3D打印之路,支撑他的勇气,正是3D打印技术的颠覆和神奇之处。卢秉恒说道:“每逢传统技术制造起来困难的一些任务,我们用3D打印来完成,这都是我心里感到非常高兴的时刻,非常荣耀的时刻。”
这个是卢院士这两天的行程,从早到晚几乎没有空闲的时间,已经78岁高龄的他行程非常的紧凑而且忙碌,趁着他这会稍微有一点空闲的时间,我们来到国家增材制造创新中心拜访他。
这是一个蜂窝立方体,适用于航空航天、汽车制造等领域的减重结构,它类似面筋孔洞多结构复杂,如果要用传统工艺来制造的话往往需要耗时二十几天程序,要多达二十几道工序。在有了3D打印技术之后,只需要耗时十几个小时,一道工序就可以完成。
这个金丝铠甲如果使用传统工艺来制造,需要一个环一个环的编织,且小环留有接口易受力容易破裂,强度不够,有了3D打印技术一体成型就完美的解决了这些难题。
细小的零件可以打印矩形壳体也不在话下,这是一个火箭的储油罐,这些是一体成型车身。3D打印在形状上没有天花板,只有想不到,没有打不了。万事开头难,卢秉恒在起步研究3D打印技术时,面临没有经费,没有材料技术封锁等问题,但他坚信国家需要这项技术,再多的困难都能克服。“这个是我们从95年就开始研发的,得到科技部重点公关项目的支持,98年就拿到第一个订单,实际上这个遇到的技术问题还是很多的,第一个是软件也没见过,也没什么参考的。第二个,就是这个材料,材料跟激光的功率怎么样匹配,这个怎么样防止变形,非常自豪我们的能力实现了国产化,在全国普及了,而且不用国外进口的东西了。”
卢秉恒并非毕业就踏入三尺讲台,投身科研,而是进入河南三门峡中原量仪厂,工作了十多年,从车工到技术员再到厂长,手上厚厚的老茧,还积淀着那段来自基层的记忆。“干了五年半车工,整天摸着钢铁,手上就有老茧。科技部就是来考察我们能不能上这个项目,他跟我握手,当时没告诉我,这是十年后我把这事情干得很成功了,他见了我说当时别的院校也有做这个技术的,结果我们当时跟你一握手,我觉得手上有老茧,这个人能干这个实际的事,把这个科技交给我了”
2020年5月5号,长征五号b运载火箭搭载的连续纤维增强复合材料,太空3D打印装备让我国首次进行了太空3D打印实验,这也是国际上第一次在太空中开展连续纤维复合材料的3D打印实验,此次在试验船上搭载了一台我国自主研制的复合材料空间3D打印系统。科研人员将这台3D打印机安装在了试验船返回舱之中,飞行期间该系统自主完成了连续纤维增强复合材料的样件打印,并验证了微重力环境下复合材料3D打印的科学实验目标。
最重要的就是航空航天,航空航天是个技术复杂的产品,传统制造很难制造,航空航天在制造中95%以上的材料被切除掉了,变成废品了,这都是很昂贵的材料,而3D打印是哪需要材料就把材料堆积在哪里,所以在材料节约方面有独特的优势。“这个是我们为航天部门打印的一个燃料储箱,像这么一个封闭的一个罐,用传统制造是很难制造出来的,它必须把它分成两半,然后再焊接起来那么去制造,但是我们这个3D打印是整体制造的,已经完成了火箭的发射。”
“这个是下一代准备到火星上去的连接环,一个空间站的东西坏了怎么办,那我们也就必须做一个在太空中能打印的太空工作站,需要什么临时就打印了,尤其是在太空中打印吧,我们用小的设备可以打印很大的东西,没有重量了,下面不要支撑了啊,所以不像我们在地上打印这么大,环这个设备也得那么大,那在太空一个小的设备就可以打无限长的东西,所以我们开发这个小的设备,一道工序就解决问题了。”
不仅是航空航天领域,3D打印技术正在成为诸多领域科技创新的加速器,为了让3D打印家向各个制造业领域深入应用,卢秉恒经常与从各领域前来的学术专家一起探讨,在卡脖子问题上寻求突破。“因为在工程院做些这个咨询研究,接触的其他领域都很多知识的综合,多学科的交叉使自己在科学创新思维上面更宽了,这个觉得这个源泉好像更丰富了。
”如今卢秉恒在3D打印技术的基础上还正在进一步攻关,基于智能材料的4D打印和生物制造打印技术。“4D打印就是一种智能材料,这个材料在不同的环境下,不同的这个温度、不同的电磁场,这些它就会改变它的形状,形状的变化叫4D打印。5D打印,这个名词是我提出来的还有一个更重要的功能的改变,就是体现在我们这个生物制造和器官再创。制造出来是一个死的东西,但是我要植入一定的生物化学的环境,植入人体这么一个环境,它就可以生长出自己的骨细胞,成为自己的器官的活体,所以功能为这是更重要的一位,也无敌大业,你看这边这都是打印的脊椎骨,这叫假体,这是钛合金,你看这个也是一个人的这个颌面骨缺失了,根据CT做出这一个件。然后就安装在身上,这个就面部就恢复了,进一步的以后就是用这个活性细胞生长因子来进行打印,打印就做出活体的器官。现在有打印出这个能够跳动的心脏,也有打印出这个别的器官的。”
“我觉得这个人的一生,你生下来干什么,就是为社会做贡献的,能做一步就是一步啊。3D打印可以是整个制造业创新的一种源泉,是一个促进创新的一个最有力的武器,怎么样能更好地发展3D打印技术,能够把它能更好地应入到我们国家各个领域中去,这是一种责任的担当,所以也停不下来脚步。”
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