沈真：3D打印的產(chǎn)業(yè)化之路——碳纖維的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程

2018增材制造全球創(chuàng)新大賽發(fā)布會(huì)8月8日在北京汽車博物館新聞發(fā)布廳舉行，主辦方希望通過(guò)此次大賽的發(fā)布，傳遞并展示3D打印增材制造這項(xiàng)具有前沿突破性技術(shù)的發(fā)展以及為行業(yè)帶來(lái)的改變與變革，并且以此為契機(jī)，邀請(qǐng)行業(yè)的專家來(lái)解碼這項(xiàng)技術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用以及所帶來(lái)的改變和更長(zhǎng)遠(yuǎn)的影響，并由此激發(fā)不斷的對(duì)話與融合。

來(lái)到現(xiàn)場(chǎng)的多位專家都是在推動(dòng)創(chuàng)新技術(shù)發(fā)展方面的領(lǐng)軍人物。

沈真先生
沈真先生曾在英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院德國(guó)宇航研究院、意大利都靈工業(yè)大學(xué)等國(guó)外知名院所從事復(fù)合材料力學(xué)研究工作，在40多年的科研工作當(dāng)中曾擔(dān)任國(guó)防重點(diǎn)預(yù)研課題的負(fù)責(zé)人，參與了迄今為止幾乎所有的飛機(jī)復(fù)合材料的研制；

鄭誠(chéng)功先生
鄭誠(chéng)功先生北京航空航天大學(xué)教授，曾任臺(tái)灣（楊林）大學(xué)人工關(guān)節(jié)研發(fā)中心主任、楊林大學(xué)研究發(fā)展處研發(fā)長(zhǎng)，擔(dān)任臺(tái)灣骨科研究學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)、世界生物力學(xué)學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)、世界華人生物工程學(xué)會(huì)常務(wù)理事等職，在骨科、生物力學(xué)、骨科植入領(lǐng)域有著近30多年的研究經(jīng)歷，其研究成果具有開(kāi)創(chuàng)性和奠基性，在國(guó)際上具有極大的影響力。

蔡波先生
蔡波先生現(xiàn)負(fù)責(zé)西門子工業(yè)軟件開(kāi)發(fā)，在此之前，他在CAD、CAM、PL行業(yè)從業(yè)近24年，在不斷的專業(yè)深耕當(dāng)中積累了大量制造業(yè)的技能和經(jīng)驗(yàn)，為制造業(yè)今天的數(shù)字化轉(zhuǎn)型付出了辛勤的努力。））

在發(fā)布會(huì)上，三位專家也都從不同的方面代表了今天我們所說(shuō)的3D打印增材制造這個(gè)技術(shù)的要素構(gòu)成，包括了材料、應(yīng)用以及軟件和設(shè)計(jì)，接下來(lái)他們將從各自所致力和研究的領(lǐng)域出發(fā)，就這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)、應(yīng)用前景、前沿研究和成果以及為各個(gè)領(lǐng)域的轉(zhuǎn)型升級(jí)所帶來(lái)的創(chuàng)新動(dòng)力做主題發(fā)言。

中國(guó)復(fù)合材料學(xué)會(huì)榮譽(yù)理事、SAMPE北京分會(huì)副主席、江蘇恒神股份有限公司高級(jí)顧問(wèn)沈真先生，他將從碳纖維的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程來(lái)講述3D打印的產(chǎn)業(yè)化之路。

下面是沈真先生的演講速記：

我對(duì)3D打印僅僅是個(gè)旁觀者，沒(méi)有從事過(guò)，對(duì)3D打印只是感覺(jué)到它很有前途，但是我確實(shí)不是這方面的專家，我可以在碳纖維應(yīng)用方面懂一點(diǎn)，只能從碳纖維的應(yīng)用發(fā)展來(lái)談?wù)勼w會(huì)，對(duì)3D打印這樣一個(gè)新技術(shù)在將來(lái)的發(fā)展看看能不能有點(diǎn)啟發(fā)，談?wù)勛约旱母邢搿?br />
因?yàn)?D打印現(xiàn)在大家都很關(guān)心，發(fā)展的也很快，但是也有很大的問(wèn)題是，大家都覺(jué)得3D打印很貴很貴，給人這樣一個(gè)感覺(jué)，是不是能夠大量的應(yīng)用？當(dāng)然有很多我不一定很清楚，但是在航空航天應(yīng)用的我聽(tīng)說(shuō)過(guò)一些，他們說(shuō)航空航天能應(yīng)用，特別是軍機(jī)的研發(fā)能接受但是非常貴，所以能不能變成一個(gè)對(duì)國(guó)家整個(gè)工業(yè)發(fā)展起很大推動(dòng)作用的這樣一個(gè)技術(shù)，我覺(jué)得可能還有很長(zhǎng)一段路要走。今天讓我來(lái)做這個(gè)報(bào)告，我只能談?wù)勌祭w維整個(gè)產(chǎn)業(yè)化的過(guò)程，來(lái)看看3D打印將來(lái)會(huì)怎么走。


碳纖維的優(yōu)勢(shì)不用說(shuō)了，因?yàn)榇蠹叶贾�道，而�?D打印，現(xiàn)在實(shí)際上碳纖維復(fù)合材料也是3D打印所用的材料之一，但是對(duì)于短纖維的有點(diǎn)進(jìn)步了，但是（連續(xù)纖維），連續(xù)纖維3D打印到底應(yīng)用怎么樣，在我的想象中很難，但是我也看到了一些報(bào)道，碳纖維的復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)，不用多說(shuō)了，因?yàn)檫@是一個(gè)戰(zhàn)略性的新材料，而且現(xiàn)在芯片問(wèn)題是比較重視的，第二個(gè)問(wèn)題我就介紹碳纖維的應(yīng)用，因?yàn)樘祭w維將來(lái)也會(huì)是卡脖子的環(huán)節(jié)，國(guó)產(chǎn)發(fā)展的道路很艱辛，從六七十年代開(kāi)始做，但是到20世紀(jì)初，軍用飛機(jī)想用碳纖維還沒(méi)有，這十幾年我們才引起了重視，開(kāi)使用了，但是碳纖維大家也可以看到報(bào)道，碳纖維的應(yīng)用將來(lái)肯定是，特別是在軌道交通和汽車領(lǐng)域?qū)��?lái)會(huì)大量應(yīng)用。


如果國(guó)產(chǎn)碳纖維不能解決，目前來(lái)說(shuō)跟芯片一樣，開(kāi)始階段我們是差不多的，搞了幾十年以后，國(guó)外碳纖維已經(jīng)大量用了，而且用的非常多，國(guó)內(nèi)買不到國(guó)外的，國(guó)內(nèi)碳纖維一直沒(méi)有發(fā)展起來(lái)，好在本世紀(jì)初的時(shí)候已經(jīng)給了我們一點(diǎn)兒教訓(xùn)了，軍用飛機(jī)用的碳纖維買不著了，我們國(guó)內(nèi)著急了就開(kāi)始發(fā)展，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)可以做到軍用飛機(jī)的碳纖維自給自足了，但是將來(lái)像在軌道交通和汽車大量用的時(shí)候，因?yàn)檫@是從國(guó)外可以買到的，不去搞國(guó)內(nèi)的話，將來(lái)到了一定的程度，要大量用的時(shí)候，都從國(guó)外買，什么時(shí)候卡你一下，就成了中興的芯片之痛，再來(lái)第二遍。所以國(guó)產(chǎn)碳纖維怎么樣變的產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用，現(xiàn)在在這方面探討比較多。


它的優(yōu)勢(shì)不用說(shuō)了，一個(gè)是抵抗度高，輕量化的首選材料，材料設(shè)計(jì)，抗疲勞抗腐蝕非常好。優(yōu)勢(shì)不用說(shuō)了。但是這樣一個(gè)材料，國(guó)外特別是在民用飛機(jī)上應(yīng)用也經(jīng)過(guò)了很多的過(guò)程，因?yàn)樵谲娪蔑w機(jī)上不講成本，開(kāi)始是可以的，軍用飛機(jī)用的很快，比如整個(gè)飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)占50%都用了碳纖維，軍用飛機(jī)可以做到，因?yàn)椴恢v成本，但是民用飛機(jī)要用碳纖維必須要講成本，講成本這個(gè)路就比較長(zhǎng)了，所以在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，從70年開(kāi)使用，一直到30年，只用了10%，用到50%太難了，機(jī)翼、機(jī)身用碳纖維最大的問(wèn)題是太貴了，就不可以用。這個(gè)過(guò)程經(jīng)過(guò)了美國(guó)國(guó)家搞了或多計(jì)劃，他們把這一個(gè)階段一個(gè)階段的，用到機(jī)翼機(jī)身走了40年，怎么樣把它低成本化這段路走了很長(zhǎng)的一段路。美國(guó)是每十年一個(gè)計(jì)劃有好幾個(gè)，這些計(jì)劃有三層，信心、技術(shù)、成本。這個(gè)計(jì)劃的核心都是用買得起的復(fù)合材料，Affordability，這個(gè)詞貫穿了碳纖維的核心。我講這個(gè)，增材3D打印能不能產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，我和鄭教授探討了一下，對(duì)3D打印的產(chǎn)業(yè)化還是這三個(gè)詞。


2009年12月15號(hào)，波音-787飛機(jī)，突出的一點(diǎn)是基本看得到的地方全是碳纖維，結(jié)構(gòu)重量的50%是碳纖維復(fù)合材料，當(dāng)然里面的起落架是金屬的，但是看得到的部分基本上都是碳纖維，做到這一步經(jīng)過(guò)了40年，我在78年到英國(guó)去看的時(shí)候，英國(guó)的軍用飛機(jī)整個(gè)機(jī)身都是碳纖維的，它可以用。但是如果到民用飛機(jī)上就不行，經(jīng)過(guò)了40年，這個(gè)優(yōu)勢(shì)成本就不說(shuō)了。


實(shí)際上這里面很關(guān)鍵的，當(dāng)時(shí)美國(guó)兩院專門組織了專家討論，實(shí)際上碳纖維的市場(chǎng)銷量增長(zhǎng)緩慢，因?yàn)檫@個(gè)問(wèn)題我們國(guó)內(nèi)現(xiàn)在碰到這個(gè)問(wèn)題了，國(guó)外當(dāng)初也是碰到這個(gè)問(wèn)題，往往歸因?yàn)樵�材料的高成本，因�(yàn)樘祭w維太貴，我想3D打印也有這個(gè)問(wèn)題，3D打印好不好？太貴，可能能用，但是用不用它？材料成本實(shí)際上僅占復(fù)合材料構(gòu)件總成本的8%-10%，事實(shí)上工藝制造成本是總成本中最高的單項(xiàng)成本，過(guò)去性能因素推動(dòng)著復(fù)合材料在航空航天中的應(yīng)用研究，但近年來(lái)成本則起到更大的作用，這樣開(kāi)發(fā)下一代民用運(yùn)輸機(jī)工藝的一個(gè)基本準(zhǔn)則是低成本制造的可能性。委員會(huì)相信，在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，發(fā)展趨勢(shì)是不斷開(kāi)發(fā)低成本的制造工藝。剛才那個(gè)成本分析里面顯示出了百分之七八十是制造工藝成本不是材料成本。


當(dāng)然目前主要集中在航空航天應(yīng)用，下游往工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用，工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的擴(kuò)大趨勢(shì)是隨著成本下降才能越來(lái)越多的應(yīng)用，所以現(xiàn)在航空航天基本上已經(jīng)應(yīng)用了，但是下面的軌道交通，豐臺(tái)產(chǎn)業(yè)園軌道交通也是一個(gè)重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)，我這幾年也在做軌道交通，我們做了一個(gè)地鐵車箱，19米長(zhǎng)的地鐵車箱是用碳纖維做的，當(dāng)然這個(gè)成本現(xiàn)在高一點(diǎn)，但是已經(jīng)可以做出來(lái)了。信心可以解決了，第二技術(shù)也有了，當(dāng)然還不夠。第三個(gè)成本現(xiàn)在還需要努力。當(dāng)然成本增加了，地鐵每節(jié)車廂用百八十斤的碳纖維這個(gè)前景是沒(méi)有問(wèn)題的。汽車到百分之百可能不會(huì)，但是一輛汽車上有幾十公斤的碳纖維，這個(gè)前景隨著成本降低是可以實(shí)現(xiàn)的，到那個(gè)時(shí)候，碳纖維目前全世界產(chǎn)量也就幾萬(wàn)噸，到那時(shí)候幾十萬(wàn)噸碳纖維不一定夠用，這個(gè)前景隨著它的成本降低是可以實(shí)現(xiàn)的。


所以談到這個(gè)問(wèn)題，3D打印的產(chǎn)業(yè)化之路同樣還是這個(gè)問(wèn)題，剛才跟鄭教授也談了，我聽(tīng)說(shuō)做飛機(jī)上用的鈦合金是3D打印的，3D打印以后強(qiáng)度沒(méi)有問(wèn)題，疲勞性能怎么樣？現(xiàn)在當(dāng)然還存在一些問(wèn)題，可能能做出來(lái)，但是做出來(lái)是個(gè)豆腐渣的東西行不行，所以首先需要解決安全性就是信心的問(wèn)題。第二怎么打出來(lái)需要技術(shù)；第三這個(gè)技術(shù)有了，怎么樣讓大家能夠接受。當(dāng)然不一定是跟碳纖維一樣大批量應(yīng)用，3D打印可能都是個(gè)性化的比較多，個(gè)性化的應(yīng)用也必須跟其他的，比如做一顆牙在生物上應(yīng)用—人工一個(gè)個(gè)做了，起碼得比人工便宜，不一定要大批量生產(chǎn)，但是個(gè)性化也要便宜，只有這樣才能真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。


另外連續(xù)碳纖維復(fù)合材料的3D打印，碳纖維到現(xiàn)在能夠批量應(yīng)用能否產(chǎn)業(yè)化很大程度上取決于工藝成本降低，連續(xù)纖維碳纖維，碳纖維包括纖維材料成本包括模具，碳纖維我們做了很多東西，很大一部分都在模具上，3D打印能不能解決這個(gè)問(wèn)題，能否能為國(guó)產(chǎn)碳纖維的產(chǎn)業(yè)化走出一條新路？


我就談到這里，謝謝！