國內3D打印界的五大科研力量“五足鼎立”
時間：2016-07-11 20:51 來源：材料人 作者：中國3D打印網 閱讀：次
3D打作為高端制造技術的指引者備受業界重視，為了避免重蹈光伏行業的覆轍，國家也出臺相關政策，客觀科學地規劃布局，引領技術合理發展。
目前，3D打印依然處在研究階段，距離大規模產業化應用還有很長的路要走。作為3D打印科研界最早的五大派系，在這江湖風云已起之際，看誰又能技壓群雄，獨領風騷？下面就隨南極熊深度聚焦國內3D打印界的五大科研力量：
顏永年教授被譽為“中國3D打印第一人”，現為清華大學機械工程系機械電子研究所的所長，中國機械工程學會快速成形技術委員會主任。由他領導的激光快速成形中心率先在國內進行了快速原型制造—RPM (Rapid Prototyping Manufacturing) 技術的研究，并完成多種功能先進的RP設備以及有關的軟硬件的開發與研究，在世界RP領域上占有一定的地位，還進行了大量由RP向快速工具RT (Rapid Tooling) 制造技術轉化的研究。
學術成果簡介與業績
截至到現在，顏永年團隊承擔并完成了多項國家自然科學重點基金、國家863計劃及與企業的橫向合作任務。曾經顏永年教授作為總設計師，完成了5套世界級的我國重裝行業和國防上急需的重型液壓機，通過轉讓技術幫助企業生產數千臺一萬噸以下的各類液壓機，創產值高達數拾億。
在多功能快速成形制造系統、組織工程材料的大段骨快速成形制造等方面取得了國際領先水平的科研成果。獲國家科技進步二、三等獎3項，省、部級獎5項，擁有發明專利10項等。
2012年，顏永年教授在昆山成立了昆山永年先進制造技術有限公司，并出任董事長，之后又聯合海源機械參與建立了"3D打印制造實驗室"，形成了3D打印產學研相結合的鏈條。
學術研究的特點為：
顏永年教授在70年代初從事金屬材料鍛壓成形工藝和設備，特別是預應力結構的重型模鍛設備與工藝方面的研究。沿著材料成形加工這條主線，從89年開始進行快速成形方面的研究；98年從事生物材料的快速成形從而進入生物制造領域。至今，已形成生物制造、快速成形和重型機器三個方向，均取得很好的成績。注重學科交叉和學科前沿重視實驗和工程應用主要學術成果和業績如下：
1、首次提出了3D打印最為經典的“離散-堆積”成形原理，并與其它學科交叉形成新的前沿生長點：
（1）它是繼“去除成形”（如切削加工等）和“受迫成形”（如鑄、鍛等）后的新型成形原理與方法。
（2）據此提出離散-堆積平臺（軟、硬件系統）構想，完成可實現多種RP、RM工藝的多功能快速成形系統（實驗設備）在此基礎上完成單功能和多功能快速成形商品化設備，獲國家科技成果二等獎。
（3）離散-堆積成形原理與熱致相分離方法相結合可制造具有分級孔隙率的三維結構，用于人體器官修復的組織工程支架之制造。
（4）離散-堆積成形原理與細胞-材料單元的觸發固化技術相結合，可按預設計將細胞受控組裝成三維結構，通過體外-體內培養，而形成人體器官。
2、生物制造學術研究
顏永年教授將制造科學引入到生命科學領域提出了“生物制造工程”（Organism Manufacturing Eng.）學科概念和框架體系，為制造科學發展提出了一個新方向。將細胞或細胞-材料視作受控組裝的微滴，根據離散-堆積成形原理，組裝成三維結構，用以探索活體組織、人體器官的修復與制造以及仿生產品的制造。在國家863，清華985和清華學科交叉基金支持下，2000年完成MedForm設備，2001年完成生物材料快速成形機，2002年完成TissForm設備、2004年完成細胞直寫系統和細胞打印機（Cell Printing），建立了具有國際先進水平的生物制造工程實驗室。
為國產大飛機C919制造中央翼緣條，是黃衛東團隊利用金屬3D打印技術在航空領域應用的典型。黃衛東教授介紹，作為機翼的關鍵部件，以我國現有制造能力無法滿足需求，如果向國外采購，勢必影響大飛機的國產化率。西工大與中航商飛合作，應用激光立體成形技術解決了C919飛機鈦合金結構件的制造問題。目前，激光立體成形制造成本與國外鍛壓制造成本差不多，最重要的是形成了具有自主知識產權的特色新技術。目前，這項技術在航空航天發動機等關鍵部件的制造上也得到了運用，并為多家航空航天企業提供了達到國際先進水平的制造裝備。
研究領域：
1. 凝固與晶體生長理論：重點從基本原理的角度揭示凝固與晶體生長過程顯微組織形成規律及其與傳輸過程和界面反應的關系，目標是對凝固與晶體生長行為進行精確定量的描述和預測。
2. 激光加工技術：包括激光表面改性，激光焊接和激光成形，重點發展致密金屬零件的快速無模自由成形技術。
3. 鑄造技術：主要針對高性能大型復雜薄壁鑄件的精密成形發展調壓鑄造工程化設備和技術。
4. 先進材料開發：高質量低成本鎂合金，有機非線性光學晶體生長，鋰釩系鋰離子電池正極材料。
黃衛東團隊經過二十年的潛心科研，將激光立體成形相關理論編輯成金屬3D打印領域唯一代表性的著作《激光立體成形》，并由西北工業大學大學出版社出版。書中的很多科研理論都是屬于開創性理論成果，對科學研究具有很高的指導意義。比如書中第一次提出并詳細闡述了金屬在3D打印過程中存在的CET轉變現象，工藝參數對金屬成形特性的影響等多種經典理論模型等，下面會配有圖示注解。
科研方向：
IC制造裝備及納米制造、激光快速成型制造、制造業信息化
為了發展我國的先進制造技術，國家在西安交通大學成立了快速制造國家工程研究中心（NERC-RM），依托西安交通大學的人才與技術優勢建立的國家級先進制造技術創新平臺。而西安瑞特快速制造工程研究有限公司則是工程中心的產業化應用的依托公司，由盧秉恒院士出任董事長。另外，為了實現3D打印的產業化應用，西安交通大學盧秉恒院士聯合西北工業大學黃衛東教授在陜西省政府的支持下，強強聯合，在渭南成立了3D打印創新研究中，目的就是致力于推動3D打印的產業化。
2016年，王華明當選為中國工程院院士。
研究方向：
1.提出“激光熔覆多元多相過渡金屬硅化物高溫耐磨耐蝕多功能涂層”研究新方向，研究出Cr3Si/Cr2Ni3Si等耐磨性能優異并同時具有“反常磨損-載荷特性”、“反常磨損-溫度特性”、“不粘金屬特性”等性質的過渡金屬硅化物多功能涂層材料新體系10余個，系列研究論文被《Advanced Coatings & Surface Technology》國際期刊“專題報道”；
2.在對高推重比航空發動機關鍵摩擦副零部件高溫高速“超常”摩擦學行為深入研究基礎上，研究出含碳量高達9～12%的“激光熔覆超高碳Cr-Ni-C高溫自潤滑特種耐磨涂層新材料”，在我國某新型航空發動機關鍵熱端高溫耐磨運動副零部件上得到成功應用，獲“國防科學技術獎”二等獎；
3.在對鈦合金非接觸激光熔化冶金晶體擇優生長特性深入實驗與理論研究的基礎上，發明“定向生長柱晶鈦合金激光區域約束熔鑄冶金材料制備與發動機葉片等復雜零件激光直接成形新技術”，鈦合金高溫持久壽命提高10倍以上；
4.突破飛機鈦合金等高性能金屬結構件激光快速成形關鍵技術及關鍵工藝裝備技術，激光快速成形BT20鈦合金機身關鍵結構件通過裝機試飛前構件全部地面考核并已通過裝機評審即將完成實際裝機應用；將“合金超純凈精煉”、“定向凝固”、“快速凝固”等三大先進高溫合金制備技術與“激光快速成形技術”有機融合為一體，提出“超純凈徑向微細柱晶梯度組織高性能高溫合金渦輪盤”新思路及其近終形零件激光直接成形制造新技術，成功制造出直徑達450mm的超純凈徑向微細柱晶梯度組織高性能高溫合金渦輪盤件；
5.發明了“水冷銅模激光熔煉爐”及難熔、難加工、高活性金屬材料激光熔鑄材料制備與零件直接成形新工藝”，成功實現W等難熔合金及W/W5Si3等難熔金屬增強超高溫“原位”復合材料及其零件的激光熔鑄冶金制備與成形制造，為難熔難加工高性能合金材料的制備與復雜零件成形制造找到了一條新的途徑；
6.發現“高Jackson因子小面晶體”光滑液-固界面及臺階生長機制對凝固冷卻速度及界面過冷度的高度不敏感性，對在經典凝固理論中被廣泛接受的“隨凝固冷卻速度或界面過冷度的增加、小面晶體液/固界面結構將由原子尺度光滑向原子尺度粗糙轉變、生長機制由側向生長向連續生長機制轉變”經典凝固理論“著名推論”的適用范圍進行了合理補充。
科研成果：
近年來，在國家863和自然科學基金等項目的資助下，圍繞粉末成形（包括選擇性激光燒結快速成形、選擇性激光熔化快速成形、激光/等靜壓復合近凈成形）、生態農業滴灌節水產品快速開發等領域的關鍵技術和基礎理論開展了系統的研究。建立了選擇性激光燒結快速成形技術的成套學術體系與系統，在國內外得到廣泛應用，取得了顯著的經濟和社會效益；繼德國后，在國內率先研制成功了采用半導體泵浦和光纖激光器的商品化SLM裝備，為復雜精細金屬零件/模具的直接快速成形提供了新的制造模式和手段；提出了將激光粉末快速成形與等靜壓技術復合起來近凈成形制造高性能復雜結構零件的新思想；提出了隨形冷卻水道精密注塑模數字化設計制造的新原理；開創了節水產品低成本快速開發理論與方法，并得到廣泛應用，經濟效益明顯，社會效益尤為顯著。 部分理論成果在14種國外著名期刊和42種國內核心和重要期刊，以及一些重要的國際學術會議上發表，其中SCI收錄25篇，EI收錄60篇，ISTP收錄7篇，特邀報告和講座10次，他引200余篇次；研究成果還被各種專著和教材大量采用，并被拍成科教片，在中央電視臺科技頻道播放，在社會上引起了很大的反響，得到了國內外學術同行的高度評價和認同；獲發明專利4項，受理發明專利25項。對相關學科的發展起到了重要推動作用，在學術上達到了該研究領域的國際先進水平，部分具有國際領先水平。
上述五大科研團隊，每一個科研團隊都有各自的重心，但又有所差異。相比于其他方向，金屬3D打印技術被看做難度系數最高的打印技術，其應用范圍最廣，潛力最大。上述5個團隊中也僅有2個專注于金屬領域的3D打印，結合傳統的理論知識模型，我們對金屬3D打印中存在的CET轉變及工藝參數對材料成形特性的影響做一次成果分享，具體如下：
（1）金屬3D打印經典CET轉變理論
金屬在打印過程中，具有點狀熔池的特點。熔池底部溫度梯度最大，隨著熔池高度的增加，熔池溫度梯度逐漸遞減。故在熔池底部成形具有外延生長的柱狀晶。在熔池表層存在空氣對流，熔池向各方向散熱速率相平衡，易形成等軸晶。由于不同合金的物理特性不同，不同合金的吸熱和散熱速率不同，形成的的等軸晶區域也不同。
（2）工藝參數對成形特性的影響
下圖是金屬3D打印不同工藝參數對金屬成形性的影響，其中P是激光功率，V是掃描速度，d是光斑直徑，H為單層厚度。
目前，3D打印依然處在研究階段，距離大規模產業化應用還有很長的路要走。作為3D打印科研界最早的五大派系，在這江湖風云已起之際，看誰又能技壓群雄，獨領風騷？下面就隨南極熊深度聚焦國內3D打印界的五大科研力量：
顏永年教授被譽為“中國3D打印第一人”，現為清華大學機械工程系機械電子研究所的所長，中國機械工程學會快速成形技術委員會主任。由他領導的激光快速成形中心率先在國內進行了快速原型制造—RPM (Rapid Prototyping Manufacturing) 技術的研究，并完成多種功能先進的RP設備以及有關的軟硬件的開發與研究，在世界RP領域上占有一定的地位，還進行了大量由RP向快速工具RT (Rapid Tooling) 制造技術轉化的研究。
學術成果簡介與業績
截至到現在，顏永年團隊承擔并完成了多項國家自然科學重點基金、國家863計劃及與企業的橫向合作任務。曾經顏永年教授作為總設計師，完成了5套世界級的我國重裝行業和國防上急需的重型液壓機，通過轉讓技術幫助企業生產數千臺一萬噸以下的各類液壓機，創產值高達數拾億。
在多功能快速成形制造系統、組織工程材料的大段骨快速成形制造等方面取得了國際領先水平的科研成果。獲國家科技進步二、三等獎3項，省、部級獎5項，擁有發明專利10項等。
2012年，顏永年教授在昆山成立了昆山永年先進制造技術有限公司，并出任董事長，之后又聯合海源機械參與建立了"3D打印制造實驗室"，形成了3D打印產學研相結合的鏈條。
學術研究的特點為：
顏永年教授在70年代初從事金屬材料鍛壓成形工藝和設備，特別是預應力結構的重型模鍛設備與工藝方面的研究。沿著材料成形加工這條主線，從89年開始進行快速成形方面的研究；98年從事生物材料的快速成形從而進入生物制造領域。至今，已形成生物制造、快速成形和重型機器三個方向，均取得很好的成績。注重學科交叉和學科前沿重視實驗和工程應用主要學術成果和業績如下：
1、首次提出了3D打印最為經典的“離散-堆積”成形原理，并與其它學科交叉形成新的前沿生長點：
（1）它是繼“去除成形”（如切削加工等）和“受迫成形”（如鑄、鍛等）后的新型成形原理與方法。
（2）據此提出離散-堆積平臺（軟、硬件系統）構想，完成可實現多種RP、RM工藝的多功能快速成形系統（實驗設備）在此基礎上完成單功能和多功能快速成形商品化設備，獲國家科技成果二等獎。
（3）離散-堆積成形原理與熱致相分離方法相結合可制造具有分級孔隙率的三維結構，用于人體器官修復的組織工程支架之制造。
（4）離散-堆積成形原理與細胞-材料單元的觸發固化技術相結合，可按預設計將細胞受控組裝成三維結構，通過體外-體內培養，而形成人體器官。
2、生物制造學術研究
顏永年教授將制造科學引入到生命科學領域提出了“生物制造工程”（Organism Manufacturing Eng.）學科概念和框架體系，為制造科學發展提出了一個新方向。將細胞或細胞-材料視作受控組裝的微滴，根據離散-堆積成形原理，組裝成三維結構，用以探索活體組織、人體器官的修復與制造以及仿生產品的制造。在國家863，清華985和清華學科交叉基金支持下，2000年完成MedForm設備，2001年完成生物材料快速成形機，2002年完成TissForm設備、2004年完成細胞直寫系統和細胞打印機（Cell Printing），建立了具有國際先進水平的生物制造工程實驗室。
二、西北工業大學黃衛東團隊
黃衛東教授是國內最早從事金屬3D打印科學研究的學者。1995年，黃衛東教授產生了一個關于快速成型技術的新構思：把3D打印技術和同步送粉激光熔覆相結合，形成一種新技術，用于直接制造可以承載高強度力學載荷的致密金屬零件。2001年，黃衛東團隊申請了中國第一批關于激光立體成型的源頭創新專利。至今已獲授權激光立體成形的材料、工藝和裝備相關的國家發明和實用新型專利12項。為國產大飛機C919制造中央翼緣條，是黃衛東團隊利用金屬3D打印技術在航空領域應用的典型。黃衛東教授介紹，作為機翼的關鍵部件，以我國現有制造能力無法滿足需求，如果向國外采購，勢必影響大飛機的國產化率。西工大與中航商飛合作，應用激光立體成形技術解決了C919飛機鈦合金結構件的制造問題。目前，激光立體成形制造成本與國外鍛壓制造成本差不多，最重要的是形成了具有自主知識產權的特色新技術。目前，這項技術在航空航天發動機等關鍵部件的制造上也得到了運用，并為多家航空航天企業提供了達到國際先進水平的制造裝備。
研究領域：
1. 凝固與晶體生長理論：重點從基本原理的角度揭示凝固與晶體生長過程顯微組織形成規律及其與傳輸過程和界面反應的關系，目標是對凝固與晶體生長行為進行精確定量的描述和預測。
2. 激光加工技術：包括激光表面改性，激光焊接和激光成形，重點發展致密金屬零件的快速無模自由成形技術。
3. 鑄造技術：主要針對高性能大型復雜薄壁鑄件的精密成形發展調壓鑄造工程化設備和技術。
4. 先進材料開發：高質量低成本鎂合金，有機非線性光學晶體生長，鋰釩系鋰離子電池正極材料。
黃衛東團隊經過二十年的潛心科研，將激光立體成形相關理論編輯成金屬3D打印領域唯一代表性的著作《激光立體成形》，并由西北工業大學大學出版社出版。書中的很多科研理論都是屬于開創性理論成果，對科學研究具有很高的指導意義。比如書中第一次提出并詳細闡述了金屬在3D打印過程中存在的CET轉變現象，工藝參數對金屬成形特性的影響等多種經典理論模型等，下面會配有圖示注解。
三、西安交通大學盧秉恒團隊
盧秉恒是我國3D打印領域的第一個院士，盧院士從1993年在國內率先開拓光固化快速成形制造系統研究，開發出具有國際首創的紫外光快速成型機及有國際先進水平的機、光、電一體化快速制造設備和專用材料，形成了一套國內領先的產品快速開發系統，其中5種設備，3類材料已形成產業化生產，對提高我國制造業競爭能力及迎接入關挑戰起到重要作用。科研方向：
IC制造裝備及納米制造、激光快速成型制造、制造業信息化
為了發展我國的先進制造技術，國家在西安交通大學成立了快速制造國家工程研究中心（NERC-RM），依托西安交通大學的人才與技術優勢建立的國家級先進制造技術創新平臺。而西安瑞特快速制造工程研究有限公司則是工程中心的產業化應用的依托公司，由盧秉恒院士出任董事長。另外，為了實現3D打印的產業化應用，西安交通大學盧秉恒院士聯合西北工業大學黃衛東教授在陜西省政府的支持下，強強聯合，在渭南成立了3D打印創新研究中，目的就是致力于推動3D打印的產業化。
四、北京航空航天大學王華明團隊
王華明團隊是國內專注金屬3D打印的科研團隊之一，由于背景的特殊性，主要圍繞大飛機等國家重大專項及重大裝備制造業發展的戰略需求，研制出代表著先進制造技術發展方向、在重大裝備制造中具有重大應用價值的“高性能難加工大型復雜整體關鍵構件激光直接制造技術”，使我國成為目前世界上唯一突破飛機鈦合金大型主承力結構件激光快速成形技術，并實現裝機應用的國家。2016年，王華明當選為中國工程院院士。
研究方向：
1.提出“激光熔覆多元多相過渡金屬硅化物高溫耐磨耐蝕多功能涂層”研究新方向，研究出Cr3Si/Cr2Ni3Si等耐磨性能優異并同時具有“反常磨損-載荷特性”、“反常磨損-溫度特性”、“不粘金屬特性”等性質的過渡金屬硅化物多功能涂層材料新體系10余個，系列研究論文被《Advanced Coatings & Surface Technology》國際期刊“專題報道”；
2.在對高推重比航空發動機關鍵摩擦副零部件高溫高速“超常”摩擦學行為深入研究基礎上，研究出含碳量高達9～12%的“激光熔覆超高碳Cr-Ni-C高溫自潤滑特種耐磨涂層新材料”，在我國某新型航空發動機關鍵熱端高溫耐磨運動副零部件上得到成功應用，獲“國防科學技術獎”二等獎；
3.在對鈦合金非接觸激光熔化冶金晶體擇優生長特性深入實驗與理論研究的基礎上，發明“定向生長柱晶鈦合金激光區域約束熔鑄冶金材料制備與發動機葉片等復雜零件激光直接成形新技術”，鈦合金高溫持久壽命提高10倍以上；
4.突破飛機鈦合金等高性能金屬結構件激光快速成形關鍵技術及關鍵工藝裝備技術，激光快速成形BT20鈦合金機身關鍵結構件通過裝機試飛前構件全部地面考核并已通過裝機評審即將完成實際裝機應用；將“合金超純凈精煉”、“定向凝固”、“快速凝固”等三大先進高溫合金制備技術與“激光快速成形技術”有機融合為一體，提出“超純凈徑向微細柱晶梯度組織高性能高溫合金渦輪盤”新思路及其近終形零件激光直接成形制造新技術，成功制造出直徑達450mm的超純凈徑向微細柱晶梯度組織高性能高溫合金渦輪盤件；
5.發明了“水冷銅模激光熔煉爐”及難熔、難加工、高活性金屬材料激光熔鑄材料制備與零件直接成形新工藝”，成功實現W等難熔合金及W/W5Si3等難熔金屬增強超高溫“原位”復合材料及其零件的激光熔鑄冶金制備與成形制造，為難熔難加工高性能合金材料的制備與復雜零件成形制造找到了一條新的途徑；
6.發現“高Jackson因子小面晶體”光滑液-固界面及臺階生長機制對凝固冷卻速度及界面過冷度的高度不敏感性，對在經典凝固理論中被廣泛接受的“隨凝固冷卻速度或界面過冷度的增加、小面晶體液/固界面結構將由原子尺度光滑向原子尺度粗糙轉變、生長機制由側向生長向連續生長機制轉變”經典凝固理論“著名推論”的適用范圍進行了合理補充。
五、華中科技大學史玉升團隊
史玉升教授是材料成形與模具技術國家重點實驗室副主任，中英先進材料及成型技術聯合實驗室副主任，建立了粉末材料激光快速成形技術的學術體系及集成系統，在國內外200多家單位得到廣泛應用，取得了顯著的經濟與社會效益。科研成果：
近年來，在國家863和自然科學基金等項目的資助下，圍繞粉末成形（包括選擇性激光燒結快速成形、選擇性激光熔化快速成形、激光/等靜壓復合近凈成形）、生態農業滴灌節水產品快速開發等領域的關鍵技術和基礎理論開展了系統的研究。建立了選擇性激光燒結快速成形技術的成套學術體系與系統，在國內外得到廣泛應用，取得了顯著的經濟和社會效益；繼德國后，在國內率先研制成功了采用半導體泵浦和光纖激光器的商品化SLM裝備，為復雜精細金屬零件/模具的直接快速成形提供了新的制造模式和手段；提出了將激光粉末快速成形與等靜壓技術復合起來近凈成形制造高性能復雜結構零件的新思想；提出了隨形冷卻水道精密注塑模數字化設計制造的新原理；開創了節水產品低成本快速開發理論與方法，并得到廣泛應用，經濟效益明顯，社會效益尤為顯著。 部分理論成果在14種國外著名期刊和42種國內核心和重要期刊，以及一些重要的國際學術會議上發表，其中SCI收錄25篇，EI收錄60篇，ISTP收錄7篇，特邀報告和講座10次，他引200余篇次；研究成果還被各種專著和教材大量采用，并被拍成科教片，在中央電視臺科技頻道播放，在社會上引起了很大的反響，得到了國內外學術同行的高度評價和認同；獲發明專利4項，受理發明專利25項。對相關學科的發展起到了重要推動作用，在學術上達到了該研究領域的國際先進水平，部分具有國際領先水平。
上述五大科研團隊，每一個科研團隊都有各自的重心，但又有所差異。相比于其他方向，金屬3D打印技術被看做難度系數最高的打印技術，其應用范圍最廣，潛力最大。上述5個團隊中也僅有2個專注于金屬領域的3D打印，結合傳統的理論知識模型，我們對金屬3D打印中存在的CET轉變及工藝參數對材料成形特性的影響做一次成果分享，具體如下：
（1）金屬3D打印經典CET轉變理論
金屬在打印過程中，具有點狀熔池的特點。熔池底部溫度梯度最大，隨著熔池高度的增加，熔池溫度梯度逐漸遞減。故在熔池底部成形具有外延生長的柱狀晶。在熔池表層存在空氣對流，熔池向各方向散熱速率相平衡，易形成等軸晶。由于不同合金的物理特性不同，不同合金的吸熱和散熱速率不同，形成的的等軸晶區域也不同。
（2）工藝參數對成形特性的影響
下圖是金屬3D打印不同工藝參數對金屬成形性的影響，其中P是激光功率，V是掃描速度，d是光斑直徑，H為單層厚度。
(責任編輯：admin)
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