李涤尘:3D打印技术的发展需要共享数据

点击量:337 发布时间:2017-02-14 作者:状迈(上海)增材制造技术有限公司
差不多20年前,刚过而立之年的李涤尘刚刚从西安交通大学获得博士学位,本科学习材料、之后转攻机械的他受卢秉恒教授之邀,参加到一种被称为快速成型技术的研究中。这种技术能根据设定好的程序将微小材料单元逐层累积,这与传统机械制造业中经常可见的铸造、切削等工艺完全不同。李涤尘当时就意识到,这种技术在未来应该有很大的发展空间。
 
这也使李涤尘成为国内最早涉足这一领域的研究者之一。在国际上,他也没落后同行们多少。整个20世纪90年代,这个领域的专利总数一直增长缓慢。那之后接近20年,美国总统奥巴马才在演讲中将这种技术命名为“3D打印”。但正是这次命名,让3D打印彻底为世人所知。
 
这中间的10多年,李涤尘一直在寻找空间去应用这项技术,西安成为了首选。考虑到工业积累和文化底蕴,中国恐怕没有几座城市能比西安更合适作为前沿机械技术的试验场。中国惟一的卫星测试中心和飞机试飞研究院在这座城市,神舟飞船上接近八成的零部件由这里的企业生产,其军工企业和科研院所的数量在中国仅次于北京和上海,这里还有一个与中关村和苏州高科技园区齐名的高新技术产业开发区,一切都再完美不过了。
 
李涤尘不可能错过这样的舞台。过去十几年,他一直在与各种机构沟通,希望能为3D打印找到潜在的市场,也希望能借助大家的智慧解决3D打印技术演进过程中遇到的诸多难题。这种想法,在他称为西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室主任后就更强列了。
 
从西安市中心的城墙遗址公园向东南方向走上10公里,就到了李涤尘所在的实验室。在这个拥有400名研究生和100名教师的庞大机构里,很多有意思的研究都在开展。他们研究了人造骨骼、人工器官、飞机发动机叶片,洁净实验室中几乎永不停息地在进行各种实验。他们还在研究可以从自然腔道——例如口腔进入人体进行手术的手术机器人,机器人上面的智能材料能感受到人体内的变化,这样就能在几乎没有外伤的情况下完成手术。
 
这也符合这个国家重点实验室的定位。按照最出色的设想,这个在1995年依靠世界银行的贷款建立起来的实验室,其建设目标就是将现代信息技术、管理工程与制造技术相结合,充分利用计算机、通信、自动化和管理工程等领域的新成果发展制造业的新工艺和新技术。
 
就在《环球财经》记者见到李涤尘之前,他领导的团队完成的“个性化颅颌面骨替代物设计制造技术及应用”刚刚获得国家技术发明奖二等奖,颅骨修复手术的效率因此提高了超过80%,这对我国每年因创伤、病变、车祸造成的300多万颅颌面骨缺损患者而言是个不小的福音。
 
“我们与绝大多数机械类实验室不同,我们这里的交叉学科知识更多。”在西安这样的古城,李涤尘依然可以让你感受到创新的强烈冲击。他语速很快,对现实略有理性的认识,但对未来怀有感性的期望。他知道创新难处所在,因此愿意极尽所能地尝试一些充满理想主义色彩的想法。在几个小时的交谈中,他经常提到思想的保守会对创新造成怎样的桎梏,他希望可以打破这些束缚思想的东西,让学生能够用发散的思维在前沿领域寻找机械技术应用的舞台,这当然不会轻松,但“只把螺母做好不应该成为当代中国大学生承担的时代责任”。
 
在这个年届知天命的西安人身边,你处处能看到历史教训和现实思考留下的印记。李涤尘主讲的课程《机械系统》没有固定的课本,他反而要求学生分点时间时间学习经济和管理,他还要求学生广泛阅读科学杂志——不只学术期刊,还包括科普读物,“传统机械实验室解决的是技术难题,思考的是如何与传统机械产业进行融合。我希望我们专注前沿研究,在事关未来的领域寻找机械研究的定位。机械行业的发展依靠的也是智慧,这些可以启迪智慧。”
 
3D打印当然是李涤尘最早开始关注的领域。早在2000年时,他就已经开始呼吁国家加强对增材制造的关注、研究和支持。转折点直到奥巴马号召美国以3D打印为主要内容之一实现再工业化才到来。而这时,距离李涤尘初次呼吁加强这类研究已经过去了超过10年。我们和李涤尘教授的对话,也就从这段快被遗忘的历史展开。
 
中国不缺少专业人才,但缺少制定创新战略的人才
 
《环球财经》:您的经历,经典诠释了什么是“十年寒窗无人问,一朝成名天下知”。早在2000年,您就开始建议发展增材制造,那时候这个概念还不叫“3D打印”,直到美国总统奥巴马在演讲中的一句话让这个技术获得了广泛关注后,我国才开始用很大精力去推动3D打印技术的发展。现在回头看看3D打印这些年走过的路,您是怎样的心情?
 
李涤尘:奥巴马讲话之前,我们确实很难申请到足够资金进行大规模研究,基本的经费来源是国家自然科学基金。但很多前沿研究就是靠着这些星星之火开展起来的。也就是因为自然科学基金,我们这些人,才没转变研究方向,国家也得以保留了研究3D打印的科学家团队。
 
这就涉及到一个问题,为什么我们总是制定一些已经经过其他国家论证因而风险很小的计划?回过头来看,我对这个问题也有些感悟,中国不缺少专业技术人才,但缺少创新,更缺少创新战略和制定创新战略的人。
 
我们都是技术人员,技术人员在展望未来的时候都有缺点。我们都是站在自己的角度,看的都是专业范围内极窄的范围,但制定创新战略需要把科技、经济和社会联系起来进行分析。引领世界发展的从来不是科技,而是人类的需要,科技只是为解决这些需求提供支撑。
 
我们在这个方面做得显然不足。我们不知道人类面临的挑战在哪里,不知道采用什么方式可以促进这些问题的解决,不知道怎样在企业和科研机构之间分配研发任务。我们应该意识到,正是战略家们在思考这些问题的过程中出现的思想火花被企业家看到,才有了原始创新,有了科技成果的产业化,才有了伟大企业的孕育。
 
共享数据有助于应对挑战
 
《环球财经》:但3D打印确实太火了,再加上最近两年出现的4D打印。大家觉得这技术太厉害了,好像传统的车间、工厂、模具都没什么存在的意义了,您觉得是这么回事吗?
 
李涤尘:3D打印确实打开了人们对制造业的想象空间。但大家可能太乐观了。在我们这个研究机械制造的圈子里,有一句话叫“3000,300,30”。我们把制造技术分成三部分:第一类是包括锻压这类在内的等材制造,从周朝的青铜器算起,这类制造已经有大概3000年的历史;第二类是包括切削在内的减材制造,从工业革命开始至今已经有大概300年的历史了;最后就是增材制造,从上世纪80年代在美国兴起至今大约只有30年的历史。
 
我们认为,这三种制造技术各有所长,彼此之间没有办法相互替代。增材制造确实让人耳目一新,但另外两种制造技术也在进步。等材制造领域的研究者们就提出了一次成型的目标,尽管这在目前还实现不了;刀具切削在现代工业中的重要作用就更是不遑多让了,高精度的制造——例如微米级别的制造还是依靠切削。
 
增材制造的优势在于另外两方面——单件小批量和复杂结构。因为不需要模具,增材制造在小批量生产、尤其是小批量生产复杂构件中的优势非常巨大,他的效率更高,平均成本也更低。但也正是因为没有使用模具,增材制造在大规模生产某些产品时的效率非常低,成本非常高。至少到目前为止,我们还看不到增材制造能在大批量生产领域替代其他两种技术。
 
《环球财经》:全社会都看好,您身在局中反而冷静,原因肯定是您看到了这项技术的短板。那3D打印的瓶颈在哪里?我们应该怎样解决这些问题,尤其是那些最棘手最迫切的问题?
 
李涤尘:3D打印的确面临很多挑战。
 
先说材料。我们实验室选用的材料是光固化材料,光固化是一种化学反应,这种材料只要被光照射就会变成固体,这是它的优点,它的缺点是非常脆。如果用金属材料,脆的问题可能会得到解决,但又会产生新的问题,传统的金属制品都是在制成后逐渐冷却的,但3D打印中的金属都是瞬态冷却的,即冷即热状况下制作的金属制品内应力很大,很容易开裂。
 
再说精度。现在的3D打印可以实现的工业化设备精度大概是50微米,所用金属粉的直径大约是30微米,材料颗粒如果再小就会发生团聚,就不适用于目前的3D打印设备了。50微米的精度在现代工业中是非常粗糙的,我们熟悉的金属切削能够达到的精度是1微米级。
 
最后说材质。目前的3D打印中,发展最迫切的打印材料还是金属。但因为打印工艺的问题,逐层打印可能也会留下气孔缺陷,这就会影响到产品的抗疲劳性能,进而会影响到产品的使用。尤其是在对材料要求极高的航天航空领域,这种隐患的危险程度就更高。
 
我是学材料出身的,非常清楚材料科学的进步对像3D打印这样的新兴技术的发展具有多么重要的作用。所以,从长远来看,3D打印的进一步发展需要机械领域的科学家继续努力,也需要化学家、材料科学家等多领域科学家的共同努力,这个技术只有这样才能成熟。
 
只就目前的情况进行分析,有缺陷其实也不是问题,但我们必须知道这些有缺陷的材料在什么样的载荷下能够正常使用,这样才能为3D打印找到应用空间。这需要大量细致的研究,需要一定的顶层设计。我觉得,国家可以支持研究,但也应该要求从事增材制造研究的科学家按照统一的要求和标准的格式公布自己的实验数据。这样,这些数据就可以被科研人员采集起来进行分析,我们就可以找到很多规律,整个系统的研究效率就提升了。这几年,我们做了很多对大数据时代的畅想,但没有第一手的真实数据,所有这些畅想都无从谈起。
 
《环球财经》:如果是这样,这项技术好像不值得美国政府花这么大精力去推广啊?
 
李涤尘:如果看产值,好像是这么个意思。2014年,全球3D打印的产值是40亿美元,这和陕西重卡年产值的一半差不多。按道理来说,这个技术确实不值得一个大国领袖亲自去推动。但在回答你的问题之前,我们要先思考这样一个问题:增材制造已经出现这么多年,为什么直到金融危机之后才受到美国政府的重视和推动?我想主要有两个方面的原因。
 
首先,在大批量生产领域,美国企业没法和中国的同行竞争。确实,我们的产品美国都能生产。但是美国没有广阔的市场,没有大量的产业工人,也没有极高的组织能力,他们大规模生产的成本与中国企业相比没有任何竞争力。但美国又必须重视工业和制造业,意识到这点之后,他们也提出了再工业化的主张,再工业化的核心就是提升制造业的科技含量。
 
增材制造在这里就有了用武之地。首先,增材制造在小批量生产上的效率非常显著,这可以帮助美国企业降低研发成本,更经济地提升产品科技含量;其次,增材制造有助于发展定制化生产,这可以避免出现产能过剩;最后,增材制造可以用一台机器生产整件产品,降低生产过程对经验和技术的依赖,有助于分布式制造的实现,这对美国工业的未来太重要了。
 
斯坦福产业化模式可以借鉴
 
《环球财经》:所以,您认为不是技术本身,而是社会的需要、竞争的压力、成本的考量和发展的趋势,让3D打印在今天有了用武之地?
 
李涤尘:我给你讲个故事。上世纪90年代中有一段时间,计算机集成制造系统(CIMS)是一个非常火热的概念,我们这个实验室就是以研发和推广这套系统技术而成立的。即便以今天的视角来看,这个理念也非常好,它希望把所有设备通过计算机连接起来,建设一个数字化的、无人化的工厂,从根本上革新制造业。这个想法在美国提出之后迅速在国内赢得共识,我们实验室当时做这个甚至已经做到了国内一流水平,很多老师还去工厂推广这套系统。
 
但结果怎么样?我们没有看到无人化工厂的出现,反而看到了所有采用这套系统的企业都亏损啦!这使我们意识到两点:就像科学讲求积累一样,技术的演进也都是渐进的;对企业而言,最核心的竞争力不是技术,而是利润率。上世纪90年代时,绝大多数机器都不是数控的,计算机的采购成本也非常高,机器人的采购、安装和使用成本更高,人力成本与这些相比反而非常低,因此最合适的做法就是大量使用人力而较少使用机器,做计算机集成制造这样的创新尽管好听,但在经济上非常不划算。所以,那批采用这种技术的企业都破产了。但20年过后,随着设备成本的降低和人力成本的上升,这个概念实现的时机又成熟了。
 
这件事情对我也是个教育。我对前沿技术非常有兴趣,我们实验室一直关注的也都不是传统机械制造,而是那些可能在未来发挥作用的新的制造技术和制造理念。这就对学生的综合素质提出了更高的要求,他们必须知道什么样的技术在什么条件下更有可能获得成功。
 
所以,我现在要求这些学生要学习管理和经济,要有广泛的知识面,这样他们才能对机械行业需要的创新有全面的认识。此外,我自己也研究经济的发展和社会的需要,我相信,新学科、新技术的应用领域一定与社会的发展、经济结构的演进和人们的需要密切相关。
 
《环球财经》:但中国目前的集中式生产能力已经登峰造极,3D打印的市场空间在哪里?
 
 李涤尘:我记得1996年左右的时候,我们的3D打印设备刚刚研发成功。当时,除了高兴,我也头大,不知道这东西能干什么,但技术没有市场很快就会被遗弃。我当时找了很多部门,想看看这项技术的应用前景。经过这些年的思考,我想3D打印可以应用在以下几个方面。
 
首先是生物医疗。现在,我们国家的老龄化非常迅速,程度也很高,医疗需求只会不断上升。这一点可以从几个细节看出来——中国最大的学会是中华医学会,美国健康基金会每年的预算比美国自然基金会还多,美国国立卫生研究院每年的经费更是高达300亿美元。
 
所以,定制化医疗设备的需求只会不断增加。这几年,我们在实验室做了很多研究工作。例如,我们在制造人造骨骼的时候把软骨和韧带也做在一起,这样骨头就不会和软骨以及韧带分开,患者就不用经常手术了。我们还尝试把骨头里面的管道做出来,让细胞在那里面生长。此外,人造肝、人造肌肉、人造血管等研究也都有团队在做,我们要保证研究的前沿性。
 
其次是太空3D打印。我们现在看航天设备都要有很高的强度,但那是因为这些设备必须在跟随火箭发射升空的过程中承担巨大的载荷。一旦到了太空之后,这些设备受的力是非常小的,只要适当的强度就可以让其发挥作用。这样一来,复合材料和3D打印就有了用武之地。这一天已经不远,因为我们国家的空间站不久就要被送到太空。我想,这会给我们的制造业带来很多全新的理念,也会给3D打印的研究人员创造很多新的机遇。
 
所以,我这些年来也一直在尝试着和西安交大的医学院、生命学院和航空航天学院共同招收硕士生和博士生。实践几年下来,我觉得还是挺让我们大家欣慰和满意的。
 
《环球财经》:您提到了产业化。全世界都知道,中国的科技成果产业化、尤其是高校中获得的科技成果的产业化还有很大的提升空间。我们在数据统计中也看到,中国最大比例的3D打印技术都在高校和研究机构中。因此大家都对大学老师寄予厚望,您怎么看?
 
李涤尘:现在提产学研结合,好多人都提出来让大学老师创业,但我觉得这很难。之所以这么说,第一点在于产权,大学老师获得的知识产权主要掌握在学校手中,简单的经济学常识告诉我们,这样的产权结构其实很难把科技企业做大;第二点在于大学老师本身,大学老师经过几十年的学习已经形成了自己的价值观、知识体系和性格特点,这些特性中的很多都不符合市场竞争的要求,我们没有将知识产品化的经验,也没有将产品市场化的经验,更没有管理运作一家企业所必须的技能和对市场的敏感。所以,大学老师不应该成为创业主力军。
 
在这一点上,我觉得斯坦福的模式——老师占股份、学生去创业是正确的。现在的学生掌握了很多技术,他们其实已经变成了这些前沿技术的载体,而且他们有闯劲,有灵感、有成为企业家的时间和愿望。我就特别希望我的学生中能出现几个真正的企业家,我特别反对他们为了暂时多赚几百块钱就随便找个工作。在我看来,大学教育里的源头是老师,学生是水,水流到小坑里,时间长了就蔚为壮观;流到大海里,就算再厉害也显现不出来了。
 
当然,我们要帮助他们解决技术问题,要帮助他们融资和宣传。我们要让学生知道所谓创新就是先把一个产品做好,只要在市场站稳,远大的梦想就能实现。要做到这一点,我们必须要让学生意识到,科学、技术和创新并不遥远,这就是创新的文化和创新的氛围。
 
举个例子,我们实验室中用的压印技术就是哈佛大学化学系的学生发现的。在我们实验室,这种技术被用来制作光栅,成本低且效果好。很多伟大发现都不是大科学家做出来的,尽管这些大科学家因此成名,这些伟大发现最主要的源泉都是年轻人的想象力和钻研精神。
 
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