3D打印：“炒出佳肴”须打通全链条

　　“以前，有些飞机发动机构件用传统工艺生产可能需要10多道工序，但3D打印技术一步就可完成，既节省时间，还加快整个发动机功能的发展。”近日，吴鑫华在接受《中国科学报》记者采访时说。

　　吴鑫华是澳大利亚技术科学与工程院院士、蒙纳什大学增材制造中心主任。作为一名女科学家，她的研究成果在全球制造业领域以男性为主导的世界里毫不逊色。今年2月，由她带领的研究团队完成了全球首款利用3D打印技术制造的喷气式飞机引擎，相关成果在澳大利亚墨尔本国际航空展亮相后，吸引了美国波音、欧洲空客等航空公司和全球170家媒体的广泛关注。

　　我国在3D打印领域已经取得一些成绩，但同样存在瓶颈和制约因素。“现在国内的3D打印科研和应用，各家都是单打独斗，没有形成产业链，而且国家在尖端科研等方面缺乏战略上的统一布局。”同时也是一名华人企业家的吴鑫华颇为感慨。

　　 尖端制造，压缩设计与制造时间

　　当下，3D打印正在悄然改变着航空领域的制造业格局。“3D打印在航空航天领域是创新最集中的领域，因为航空航天是最高附加值的领域。”吴鑫华说。比如大部分飞机引擎结构复杂，3D打印的优势在于，能够将其设计与制造时间缩短3~4倍。一个发动机从设计到成型一般最少需要10~15年，生产每一个构件需要6~24个月，现在三年左右就可以生产出一款新发动机型号。

　　“越复杂的构件，就越适合3D打印。”吴鑫华给记者举了一个发动机燃油喷嘴的例子：该构件虽然“身材”很小，却是航空发动机燃烧室的主要部件之一。其雾化特性的测量对喷嘴设计、质量控制与改进要求相当高，结构也非常复杂。然而，利用3D打印却可以把原来的十几道工序仅压缩成一步。

　　与过去的熔化、浇铸和雕刻等工序有很大不同，各种3D打印技术——如喷粉和粉末床激光融化技术、电子束熔炼、热等静压净成型等——可以快速地进行原型设计，并在此基础上批量生产，让目标用户迅速得到成品，尤其是可以制造出传统制造技术无法完成的定制部件。而且，作为一种增材制造方法，它还在很大程度上减少了材料的浪费，使99%~100%的金属粉末被用在最终的产品上。

　　同时，3D打印能够制造出传统方法无法加工的非常规结构特征，这种工艺对于实现零部件轻量化、优化性能有极其重要的意义。例如，3D打印将为有“空中巨无霸”之称的宽体客机空客A380带来全新的环保理念。“3D打印可以把零件内部设计为网状结构，替代传统的实心结构，这不仅可以减少制造时的材料使用量及制造时间，还可以实现产品轻量化，降低能源消耗。”吴鑫华说。

　　 产业应用，亟须着眼全局打通链条

　　“3D打印为什么重要？除了技术本身优势外，如果你不这么做，而你的竞争对手在做，你就会被淘汰。”吴鑫华一针见血地指出。她表示，当前发达国家对3D打印的应用相对超前，其相关研究不仅是通过产品和市场来驱动，还会从国家战略来考虑，进行整体战略规划。而相较之下，中国相关产业则多依靠政策驱动，没有形成产业链。

　　她认为，中国应该从产业链出发制定严格的战略规划目标和政策，而不是“想做什么就做什么，想要钱就去做什么”。

　　2012年，吴鑫华应科技部邀请，由江苏省科技厅协助，回国在江苏无锡创办飞而康公司和3D打印基地。目前，该公司已建立了覆盖3D打印原材料、产品以及产品性能检测的一条龙式3D打印生产线。

　　以钛粉为例，该公司目前每年可生产60多吨全球最优质的航空原材料，约占全球1/3的相关原料市场。“现在，国外主要是加拿大和德国进行同样的钛粉生产，有国外企业希望把我们的公司收购过去，垄断全球3D打印的钛粉原材料。”吴鑫华说，“中国到目前为止还未认识到这一重要性：达到国际适航标准的高质量粉末是3D打印民用飞机和发动机构件的必要元素之一。没有它，就没有高性能的3D产品。”

　　同时，在她看来，国内还应该从战略上考虑打通产业链。在国外是由用户在考虑市场方向，比如打印机翼，波音公司会安排好各个任务，然后向国家申请经费支持；而中国则缺少市场牵引和战略主导。

　　此外，国内3D打印和用户没有挂上钩，使相关技术优势难以施展出来。她认为，应该促进全民对3D打印技术的了解，这样才能把技术扩展到整个社会。

　　 面向未来，“炒出佳肴”须打造可靠产品

　　在吴鑫华看来，3D打印就像一口“炒锅”。而要用3D打印“炒”出“佳肴”不仅需要好的材料，还需要建立产品标准、进行质量认证、建立可靠的供应链等。

　　首先，专业和非专业的最大差别就在于材料学。吴鑫华认为，尽管当前国内材料学研究位居全球前沿，但在3D打印领域仍存在塑料打印泛滥的现象。“实际上，塑料打印不能代替金属打印，就像塑料构件不能替代金属构件，不应该混淆金属等其他材料的发展。”在材料方面还应精益求精，优化相关参数，更好地把握材料的特性，这就要把握好运用材料进行3D打印的最佳工艺窗，才能提高成品的质量以达到产品使用性能要求。

　　其次，相关标准——材料标准和产品标准——的建立越快越好。“无论在制造业，还是在医疗行业，标准是真正把高科技推到商业前景立面的一个交集点，所以保证质量的一次性、重复性、可靠性、稳定性非常重要。”吴鑫华说。

　　事实上，建立相关标准需要依靠很多研究和实验数据作为支撑，并无偿地拿出来进行共享，但因为它不是创新，只是规范，往往很难拿到经费支持，导致在产业化应用中经常被该问题拖后腿。此外，建立标准的队伍如果没有很深的技术知识，建立起的标准会不科学和不实际。她表示，在很多地方是国家、材料技术专家和用户的联合体来建立这个数据，这可以作为中国未来发展的参照。

　　谈起研究团队关于3D打印发动机的后续工作，吴鑫华表示，该研究共涉及20多个构件，计划在今年年底全部完成，未来两年内达到精度和性能要求，对发动机进行实况测试。“航空发动机的重量一般从几十到几百公斤不等，如果我们可以减重10%，对于发动机来说就已经是很大的数字了。”她补充说。