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    对话卢秉恒院士:制造业“上天”不再是一个梦想

    2020-05-15来源:3D打印世界

      5月11日9时许,一场视频会议在佛山国家高新区三水园举行。三水区委常委、乐平镇委书记何小玲远程连线中国工程院院士卢秉恒和西安交通大学机械学院教授李涤尘、田小永。在国内首次太空3D打印成功后,佛山国家高新区三水园与卢秉恒院士团队商榷合作再加码。

      5月5日18时整,长征五号B运载火箭成功将搭载的新一代载人飞船试验船送入预定轨道,飞船上还搭载了一件完全由西安交大科研团队与航天科技五院529厂自主研发的新型装备——“连续纤维增强复合材料太空3D打印装备”,顺利完成我国首次实验,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。

      在卢秉恒院士的支持下,李涤尘教授和田小永教授在2014年就创新性地提出了基于连续纤维增强复合材料的3D打印技术,是国内最早从事连续纤维增强复合材料3D打印技术的研发团队。视频会议上,何小玲首先向上述三位科研工作者请教了太空3D打印的技术特点和民用前景,随后双方深入探讨了3D打印技术与佛山制造业深度融合的实现路径。

      何小玲与卢秉恒院士的友谊始于2018年。在双方的积极推动下,国家增材制造创新中心佛山分中心作为国家增材制造创新中心全国首批分中心,在2019年7月1日正式落户佛山国家高新区三水园。过去大半年,国家增材制造创新中心依托佛山分中心,已经把增减材复合制造、电解质等离子抛光以及陶瓷3D打印等首批技术过渡到佛山。

      “今后将会有更多技术成果通过佛山分中心,在佛山乃至粤港澳大湾区推广应用,促进地方经济发展。”卢秉恒说,他在2016年提出“太空制造”的概念,此后西安交大的科研团队也一直往这一目标努力探索,他希望未来能够依托国家增材制造创新中心佛山分中心,在粤港澳大湾区充分开展太空3D打印等主题的国际交流,并以建设国家实验室为目标开展相关工作。

      目前乐平镇、佛山国家高新区三水园正在高标准打造佛高区万亩核心园,其中约2000亩地计划专门用于发展高端装备制造。增材制造技术可以与制造业深度融合,促进高端装备制造业的发展,这为佛山国家高新区三水园与国家增材制造创新中心进行更深层次合作提供了新空间。

      何小玲表示,目前国家增材制造创新中心佛山分中心已引入多个高水平项目团队,中心建设初步取得成效,接下来,乐平镇、佛山国家高新区三水园将会全力支持国家增材制造创新中心佛山分中心进行科研成果转化,携手向打造国家重点实验室的目标迈进。

      ■对话

      制造业“上天”不再是一个梦想

      5月11日,三水区委常委、乐平镇委书记何小玲远程连线中国工程院院士卢秉恒和西安交通大学机械学院教授李涤尘、田小永,以下为四人对话:

      3年科研攻关换来3D打印一朝上天

      何小玲:通过“连续纤维增强复合材料太空3D打印装备”,我国完成了首次实验,请问这项技术的意义是什么?

      卢秉恒:3D打印也叫增材制造,是近年发展起来的先进制造技术,它主要应用于产品快速开发和复杂产品的小批量制造。3D打印技术对推动制造业创新发展有非常大的促进作用,甚至可以带来某些颠覆性的变化,在航空航天高端装备研制等方面有特殊重要意义。

      此次实验可以说是非常成功。我们通过观看设备工作状态录像,看到这台3D打印机成功打印出了两个对象:一个是蜂窝结构(代表航天器轻量化结构),另外一个是CASC(中国航天科技集团有限公司)标志。

      这项工作的意义,一是显示出我们人类今后有能力在太空进行制造,未来一旦有太空设备出现故障损坏,如果能够现场维修处理是最优选择,3D打印是实现这一目标的最好技术,因为它的工序流程非常简单,一台设备就能完成零件的更换;二是未来人类进入远太空,航天器需要考虑在月球乃至其他星球上发射,运用3D打印技术进行太空制造,可以降低未来航天器的制造和发射成本。

      此次太空3D打印主要针对纤维复合材料制造,纤维复合材料对于航空航天、轨道交通等高速运转设备有非常大的提升作用,能够极大减轻设备重量,提高设备有效载重。此次实验也有望进一步推动纤维复合材料增材制造在工业领域的应用。

      何小玲:请问我国这项技术在国际上处于什么水平?

      卢秉恒:在太空中实现连续纤维复合材料3D打印,我国是全世界首个取得如此突破的国家。纤维复合材料在增材制造的发展中是一个热点和潮流。

      何小玲:连续纤维复合材料3D打印如何突破极端环境限制?

      李涤尘:连续纤维复合材料3D打印是一项通用技术,太空、航空、船舶都可以应用该技术,这项技术在2014年已经申请国家发明专利。

      此次连续纤维增强复合材料项目实际上是航天五院找到我们一起合作。最初我们对实际的研究应用情况并不了解,于是我们就向航天五院的科学家们请教,太空到底是怎样的情况,后来发现能源约束条件极其严苛,温度范围变化也比较大,另外还有一个因素是失重。

      根据上述条件变量,我们与航天五院进行了多种方案论证,最后选用连续纤维增强复合材料进行3D打印,这一材料可以克服设备颤动、温度波动范围大等恶劣环境。而为了应对低重力环境,田小永教授进行了多方位的3D打印对比实验,最终验证重力对连续纤维增强复合材料3D打印的影响会比较小。

      实际上,我们一共用了3年左右的时间完成以上的基础研究,研究结果提供给航天五院作为参考。航天五院在这个基础上制造出工程样机,再加载到太空环境下进行实验验证。今天看到的成功只是表面的一瞬间,其实需要大量积累,包括工作原理、工艺选择、装备稳定性、材料稳定性等各方面都要进行细致研究。科学技术的进步并不是一蹴而就,需要深入持久耐心研究,最重要是结合工程实际的挑战去研究。

      何小玲:连续纤维复合材料3D打印技术经历了怎样的发展历程?

      田小永:在2013底2014年初的时候,我们开始有初步的想法。当时3D打印只能打印普通的树脂,但树脂材料性能不佳。传统的复合材料性能很好,但因为涉及一系列的模具和设备,它的成型难度较大,成本也非常高。我们当时就想,能不能把复合材料的成型和制备集成在一起。也就是通过3D打印,制造出具有复杂结构的高性能复合材料产品。

      很有幸,后来做了一些探索,先后得到了一些项目支持,尤其是能够参与到我们国家航天载人项目当中。看到我们研发的技术用到重大工程当中,并且和国家航天部门的主力军组成研发团队,对提升我们的研究水平是很大的促进作用。希望未来与国家航空航天部门继续进行深入合作,提升研究水平,为国家重大工程提供服务。

      立足粤港澳大湾区探索”太空制造“

      何小玲:2019年7月1日,国家增材制造创新中心佛山分中心在佛山市三水区乐平镇、佛山国家高新区三水园正式成立,该中心成立不到一年就有多项合作成果。请问3D打印技术是否能与佛山制造业特别是高端制造业有更多深入的融合?

      卢秉恒:感谢佛山各级党委和政府的大力支持,国家增材制造创新中心在佛山成功设立广东唯一一个分中心。过去大半年来,我们调研了佛山乃至广东制造业的现状和优势,并根据增材技术的需求来开展研究,主要开展了以下三方面工作:一是推动精密零部件增减材复合制造装备研发及产业化探索;二是结合佛山的传统优势陶瓷产业,重点与三水的陶瓷卫浴企业合作,将光固化树脂和陶瓷粉结合在一起,开发了陶瓷3D打印的设备,能够应用在陶瓷卫浴产品快速开发的场景中;三是引入了一项增材制造后处理技术——金属表面电解质等离子抛光项目,可以将3D打印产品的粗糙度减少到原来的十分之一,这项技术与佛山制造业有很高的契合度。

      何小玲:目前乐平镇、佛山国家高新区三水园正在打造佛高区万亩核心园,其中有约2000亩地计划用于发展高端装备制造业。请问国家增材制造创新中心的工作怎样与佛高区万亩核心园的建设以及高端装备制造业在园区的发展更好地融合?

      卢秉恒:我在中国工程院负责我国高端装备制造业发展战略的论证咨询工作,目前已连续做了四期,今年将开展第五期论证咨询工作,我们将高端装备制造业划分成三大方面:第一类是空天海战略装备,第二类是智能装备,第三类是民生装备。未来佛山的高端装备制造业发展规划可以中国工程院的相关工作作为参考。

      广东是我国制造业发达地区,近年广东也在大力推动高端装备制造业的发展。增材制造是发展高端装备制造的一个技术途径,是一个非常好的工具。同时,增材制造装备本身就属于高端装备,像刚才我提到增减材一体化装备,目前国外已经充分认识到它的重要性。山崎马扎克公司(MAZAK)是一家全球知名的机床生产制造商,这家企业曾预计,到2030年后,增减材一体化设备的装机量将占到机床装备总装机量的40%,这是一个非常大的量。

      与此同时,未来广东可能会在航空航天航海等领域对装备制造业有新的发展规划,增材制造可以在这些领域进行大量应用实践。广东的核电产业也非常有名,由于核电装备会使用到很多高性能材料,一般模具成型、切削加工等生产工艺越来越难以满足这些设备的制造要求,增材制造是很好的替代性生产方法。

      总体来说,我相信增材制造在广东省大有用武之地,这也是国家增材制造创新中心在广东设立分中心的出发点。

      经过3年建设,国家增材制造创新中心形成了一批创新成果,研发出一批创新装备。依托佛山分中心,国家增材制造创新中心将会推动更多项目团队和科研成果在佛山落地,包括李涤尘、田小永两位教授目前正在从事的纤维复合材料增材制造技术。正如我在前面所说的,纤维复合材料3D打印是增材制造技术中最新的、也是最重要的一个发展方向。

      另外,我们也愿意参与到乐平镇、佛山国家高新区三水园2000亩高端装备产业的规划中去,看看哪些产业能够促进我们的技术进一步发展。

      何小玲:对于未来“太空制造”有怎样的设想?

      卢秉恒:我在2016年西安交大110周年校庆之际提出“太空制造”。把制造业搬到太空中去,能在太空制造出方便人类生产、生活的各种装备和产品,然后把它们降落到地球上来。这样就能把地球上很多土地面积腾出来,留给人们生活所用,也避免了大量污染,同时太空的太阳能也是无穷无尽的。

      提出这个设想之后,西安交大一直在向这方面努力,也做了很多工作。去年12月,我们在东莞召开了研讨会讨论太空3D打印等议题。此前的2019年10月,我们还在德国柏林召开了第二届太空3D打印中德研讨会。未来,我希望利用粤港澳大湾区这个区域平台,充分开展国际交流,在太空3D打印方面做出更多有益的探索。如果有可能,我愿意奔着国家实验室的目标去做,也希望得到地方政府的支持。

      有很多地方政府对我们的技术非常感兴趣,但觉得太空3D打印离生活太远,那都是国家的目标,不是地方政府的目标,实际上不是这回事。比如连续纤维复合材料的3D打印技术,相信以后不但在飞机上能用,在火箭上能用,在高铁上也能用,在汽车上也有非常多的用途。领先的太空研究,能对制造技术的发展起到非常好的带动作用。同时,太空制造也会创造非常大的GDP。在去年的研讨会上,有航天专家提出,太空制造可能会在未来10年内形成几十万亿元产值的产业规模。这是我的畅想,要靠年轻人去实现。

      何小玲:我代表乐平镇委、镇政府,愿意尽我们所能支持这个项目,并且携手向打造国家重点实验室的目标迈进。

      ■纵深

      探营国家增材制造创新中心佛山分中心

      引领“佛山制造”与

      3D打印技术融合发展

      5月11日,在国家增材制造创新中心佛山分中心一楼展厅,工作人员一边向记者展示一个航空发动机机匣,一边介绍:“这个航发机匣先通过3D打印29.5小时,然后进行切削加工65小时成型,整个制造周期相对传统工序缩短60%以上。”

      自2019年7月1日成立以来,国家增材制造创新中心佛山分中心已先后引入增减材复合制造、电解质等离子抛光、陶瓷3D打印等5个项目团队。随着这些项目加快落地转化,“佛山制造”+3D打印技术有望擦出更耀眼的火花,带来一系列“创新裂变”。

      5个优质3D打印项目已落户

      在国家增材制造创新中心佛山分中心一楼展厅,一个看似平平无奇的航空发动机机匣,凝聚了增减材复合制造创业团队的智慧与心血。这是国家增材制造创新中心佛山分中心成立大半年来,引进最重磅的项目团队。

      传统的等材加工和减材加工在大批量生产上具有优势,但不适合小批量、复杂结构的加工制造;相反,增材制造在表面粗糙度和尺寸精度等一些技术指标上不如传统加工,但可加工任意复杂零部件。增减材复合制造创业团队通过整合增材制造和减材制造各自的技术优势,走上了一条精密零部件增减材复合制造装备研发及产业化探索之路。

      “此前,我们在佛山调研了广东省压铸行业协会、佛山市模具行业协会、科龙模具、文灿压铸、中南机械等十多家单位的需求,选择了在佛山有广阔市场前景的模具及大型工件修复与再制造、复杂精密难加工零部件生产领域进行技术成果转化及产业化。”增减材复合制造创业团队有关负责人说。

      包括精密零部件增减材复合制造装备研发及产业化项目在内,目前国家增材制造创新中心佛山分中心已累计引入5个项目团队落户佛山国家高新区三水园。这意味着,国家增材制造创新中心佛山分中心已完成零的突破,有望为“佛山制造”与3D打印技术融合发展带来更大的探索空间。

      “我们的指导理念是围绕3D打印上下游产业链条,瞄准个性化、小批量的制造需求引入项目团队。”国家增材制造创新中心佛山分中心有关负责人说,比如电解质等离子抛光项目的引入,就是为了解决3D打印的后处理问题,该技术可使3D打印产品的光滑度大幅提升,而且抛光技术成本低,抛光过程中产生的废水还可直接排放。

      从技术服务到设备工艺推广

      不同于一般的创业孵化器,国家增材制造创新中心佛山分中心通过对接国家增材制造创新中心,大部分引进项目均为中国工程院院士卢秉恒的相关项目团队,国家增材制造创新中心的自有项目。

      卢秉恒是中国工程院首位3D打印领域的院士。国家增材制造创新中心则是16个国家制造业创新中心之一。2019年,国家增材制造创新中心佛山分中心作为国家增材制造创新中心全国首批分中心落户佛山国家高新区三水园,卢秉恒正是关键决策者。

      卢秉恒说,国家增材制造创新中心的使命是在前沿技术上进行探索创新,形成技术成果后交由企业转化,国家增材制造创新中心佛山分中心作为国家增材制造创新中心在广东设立的唯一分中心,将致力于把创新与粤港澳大湾区制造业的实际需求结合起来,一是研制出更新的装备、更有针对性的工艺,二是带动当地的制造业发展,形成更好的效益。

      基于以上的发展思路,国家增材制造创新中心依托佛山分中心,正推动更多项目团队和科研成果在佛山落地。与此同时,国家增材制造创新中心佛山分中心也在探索更多元的成果转化和产业化模式,释放3D打印技术和“佛山制造”更强大的“耦合效应”。

      “得益于分中心的组织架构优势,我们对大部分项目的软硬件拥有完全自主知识产权,从去年开始面向佛山等地制造业企业提供3D打印应用服务和技术支持。”国家增材制造创新中心佛山分中心有关负责人说,今年起,该中心开始瞄准定制化非标机械,开始进行3D打印装备和工艺推广。

      数据显示,2019年,全球3D打印产业规模达119.56亿美元,同比增长29.9%。上述负责人说,目前国家增材制造创新中心佛山分中心仍处于起步阶段,但立足粤港澳大湾区,背靠广东制造业,该中心未来的发展前景令人期待。

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