深大教授的3D打印創(chuàng)新探索：用于人體骨骼和核聚變？

來源：新材料在線

“大家應該都聽過《神筆馬良》的故事”，受邀在深圳大學“名師進中學”活動中針對3D打印技術進行科普講座的陳張偉教授常常用這個聽眾耳熟能詳?shù)墓适伦鳛殚_場，從而使聽眾對3D打印技術的理解能夠更加的具象化�！耙苍S神筆馬良故事中的所畫即所得，比如畫一只馬就能得到一只活馬，正是我們3D打印研究的終極目標——所打即所得”。講座的末了，陳張偉總會以一句“以夢為馬，3D打印助（祝）你夢想成真！”作為結束語憧憬3D打印并為在場的聽眾送去美好的祝福。

3D打印技術可以用來干什么？
有人用它打印桌面的玩具，讓玩具更加個性化，并實現(xiàn)了復雜的結構成型。有人用它打印出火箭的關鍵部件，使其比傳統(tǒng)制造的零部件更小，并在60天內讓火箭完成從“一堆原材料”到“登上發(fā)射臺”的變身。

深圳大學85后教授陳張偉則有著“不一樣”的想法，他和同事們一起把3D打印技術用在核聚變領域，通過對聚變堆核心部件——產(chǎn)氚陶瓷單元結構的改變，使其能夠具有更加優(yōu)異的性能，從而更有利于核聚變所需的重要元素氚的獲取。

△增材制造研究所成員集體照

不僅如此，他將“不一樣”的想法付諸更多的研究，畢業(yè)于英國帝國理工大學的他目前擔任深圳大學增材制造研究所執(zhí)行所長，帶領著團隊在3D打印的創(chuàng)新型應用領域進行更加深遠的探索。

3D打印與核聚變的奇妙“碰撞”
實際上，國際相關公司在3D打印的創(chuàng)新型探索也給了陳張偉一定的啟發(fā)。

美國GE公司，作為3D打印應用在航空工業(yè)中“第一個吃螃蟹”的公司，采用3D打印技術制造飛機發(fā)動機的燃油噴嘴，結果將傳統(tǒng)工藝的20多個零件變成了3D打印的1個零件，不但大大降低了噴嘴的制造周期和成本，其燃燒效率也得到大幅提升。

“3D打印最大的優(yōu)勢是可以實現(xiàn)復雜結構件的一體化設計與成型，突破傳統(tǒng)制造工藝無法實現(xiàn)的精密復雜結構制造的限制。”

陳張偉與3D打印的不解之緣，從2007年開始在西安交通大學攻讀碩士期間就已經(jīng)結下。2010年，陳張偉前往英國帝國理工大學從事陶瓷材料相關專業(yè)的博士及博士后深造，他打算進一步嘗試將陶瓷與3D打印技術進行結合。

△陳張偉在日本沖繩環(huán)太平洋陶瓷大會上與陶瓷權威Colombo院士合影

陶瓷材料種類繁多，應用領域也較廣，經(jīng)過高溫燒結或反應燒結等處理后，可形成結構件、功能件、結構功能一體化件等部件，這些屬性給了陳張偉研究陶瓷3D打印更多的靈感。

在深圳大學增材制造研究所勞長石所長的支持下，研究所團隊聯(lián)合中核工業(yè)西南物理研究院的聚變堆專家，開辟了一條陶瓷3D打印的應用新思路——應用于核聚變領域的核心產(chǎn)氚裝置。

上世紀50年代開始，為解決能源危機，人類發(fā)展并建立了核電站。

眾所周知，核裂變是當前核電站發(fā)電的主要選擇，但核裂變發(fā)電需要的核燃料資源有限，而且會產(chǎn)生放射性核燃料廢物，存在一定的安全風險。為了規(guī)避這一問題，科學家們將目光投向核聚變，核聚變發(fā)電不產(chǎn)生放射性廢物，而且獲得的能量更大。但由于人類至今無法控制核聚變的整個過程，核聚變也因此一直未能實現(xiàn)商業(yè)化。

不過，隨著核技術日漸成熟，可控核聚變反應堆或將為人類源源不斷地提供清潔能源。

核聚變發(fā)電的原理是通過氫的同位素氘和氚在高溫高壓條件下產(chǎn)生聚變反應，并釋放大量熱能導入水中，通過水蒸氣推動渦輪機發(fā)電。如此看來，在核聚變堆中，產(chǎn)氚材料作為一種重要的功能材料，在聚變氚燃料循環(huán)中起著極其關鍵的作用。

據(jù)陳張偉介紹，氘可以通過對海水的處理獲得，但氚在自然界中并不直接存在，只能通過人為制備，采用鋰陶瓷等與氦氣發(fā)生催化反應制得。但如何讓兩者盡可能充分地接觸，從而產(chǎn)生更加高效的反應，這考驗科學家的智慧。

傳統(tǒng)的辦法是將正硅酸鋰等鋰陶瓷制造成一毫米左右的微球，在特定的高溫高壓條件下通過堆疊在一起形成球床結構，讓氦氣通過球床結構時發(fā)生反應。但球床接觸容易造成應力集中，從而導致微球開裂和破損，影響球床結構的壽命。此外球體的堆積體積占比存在物理極限，使得實體與孔的比例無法自由調節(jié)，限制了產(chǎn)氚效率的調控與提升。

他們發(fā)現(xiàn)這一問題后，嘗試采用3D打印正硅酸鋰的方式來制造更加合理的結構，其團隊設計出蜂窩和點陣的結構可以大范圍調整孔洞的比例和大小，從而使得氦氣得以通過這些孔洞時充分反應。此外，一體化的結構也使得其力學性能得到大幅提升。

目前，陳張偉團隊采用光固化3D打印出產(chǎn)氚陶瓷單元樣品正在做核聚變領域的測試。這是全球首例采用3D打印的方法制造的這種新型產(chǎn)氚結構，團隊也基于此發(fā)表了高水平學術論文，成果更是獲得了國內外媒體的報道。

△研究成果獲得媒體報道

“雖然它在整個核聚變系統(tǒng)工程中只是一丁點的貢獻，但核聚變本身對國計民生而言具有很重要的意義，從這個角度而言，3D打印產(chǎn)氚陶瓷也顯得意義非凡。”

聚焦創(chuàng)新型研究
產(chǎn)氚陶瓷的一體化3D打印制造具有重要的意義和價值，這也更加堅定了他們在陶瓷3D打印創(chuàng)新型應用領域的探索決心。

“對于3D打印，我認為與其說它是對傳統(tǒng)制造的顛覆，不如說更多的是對傳統(tǒng)制造的補充。”陳張偉認為，3D打印的出現(xiàn)目前來說還沒有辦法完全取代傳統(tǒng)制造，而是可以通過充分利用其優(yōu)勢來進行傳統(tǒng)方法無法完成的制造任務，從而進行更多的創(chuàng)新應用。

2016年，陳張偉加入深圳大學增材制造研究所，并于2018年成為該所的執(zhí)行所長，該研究所目前由5名老師、7名博士后和50多名碩士組成，這支年輕隊伍的共同研究目標之一，就包括了3D打印的創(chuàng)新型應用。“一是思考已有的零部件能否用3D打印的方式去實現(xiàn)制造，從而獲得更高性能；亦或針對某些新型應用，考慮直接采用3D打印制造新型零部件。后者從無到有難度更大�！�

△深圳大學增材制造研究所實驗室一角

陶瓷材料具有高強度、高硬度、高耐磨、耐氧化等獨特屬性，如同3D打印產(chǎn)氚陶瓷一般，陶瓷材料可以打印成結構件、功能件及結構功能一體化的部件。陳張偉團隊看到了其在醫(yī)療、航空航天、機械電子、能源環(huán)保等領域的潛在應用價值。

“它在電子通信行業(yè)上有很大的體量。”看好陶瓷材料在通訊方面發(fā)展前景的陳張偉，正帶領團隊與某知名通信公司合作研發(fā)具有高度復雜結構的先進天線組件。

在能源環(huán)保方面，他正設想將3D打印用于制造汽車尾氣凈化器。該器件傳統(tǒng)的制造方法是模具加工，其擠出管道多為平行無交叉、內部結構單一的，而采用3D打印可制造出具有更優(yōu)異性能的復雜結構管道。“在設計階段，就可以先進行結構和性能仿真，根據(jù)仿真的結果進行結構優(yōu)化設計，設置孔洞結構的大小和排布密度，有助于提高催化效率和結構使用性能，這就是3D打印在這個領域可以創(chuàng)新的地方。”

同時，其團隊也在探索噴墨打印和擠出直寫等3D打印工藝在新能源器件宏微觀組件制造方面的應用。特別是針對跨尺度結構3D打印獨有的自由調控優(yōu)勢則能夠為實現(xiàn)器件性能的大幅提升提供必要條件。

在生物醫(yī)療方面，由于陶瓷材料在人體內具有類人骨和可降解的優(yōu)勢，早在10多年前，陳張偉所在的西安交通大學課題組就開始用3D打印的方法做骨科領域的細胞培養(yǎng)和植入。

此外，目前深圳大學增材制造研究所團隊在航空航天方面也正在開展基于陶瓷3D打印的微波屏蔽裝置、微型燃燒室等部件的研發(fā)工作。

△德國Fraunhofer激光研究所所長Poprawe院士到訪增材制造所

對于陳張偉而言，高校和企業(yè)在科研產(chǎn)出和目標上有交集但更多的還是較大差異。目前來說，大部分企業(yè)更關心的是盡可能在短時間內滿足市場需求的產(chǎn)品研發(fā)與上市并獲得利潤創(chuàng)收，而高�？蒲幸话愀�多的是希望能夠在理論與技術方面做更加基礎性的和前沿性的創(chuàng)新研究�！坝袝r候不見得短期內就有效果，所以需要耐得住寂寞甘坐冷板凳，希望做一些對人類社會有深層價值和影響的研究。當然，有時候也會受到社會環(huán)境的影響，需要去面對和適應。”

在對某一領域進行陶瓷3D打印的創(chuàng)新型應用研究之前，陳張偉通常會列出5個問題進行評估：能不能用3D打印做？用3D打印做具有什么優(yōu)勢？3D打印工藝能夠彌補什么不足？3D打印制造的效果如何？采用3D打印是否會比傳統(tǒng)工藝更好？

如產(chǎn)氚陶瓷、催化劑載體等產(chǎn)品，3D打印技術的引入使得其在結構的調控、設計制造周期和性能等方面都表現(xiàn)出較大的優(yōu)勢，這便符合陳張偉對于3D打印的創(chuàng)新型應用的評估條件。

“沒有核心技術的產(chǎn)業(yè)化意義不大”
二十多年前，中國就邁入3D打印領域，發(fā)展速度極快。相關數(shù)據(jù)顯示，2015-2017年這3年間，中國3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模實現(xiàn)了翻倍增長，年均增速超過25%。

數(shù)字看似亮眼，但陳張偉對中國3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展卻有另外的理解。

實際上，3D打印并不是一個單純的制造過程，它是材料、物理、化學、機械、計算機甚至光學等多學科的交叉。作為國內率先開展陶瓷3D打印研究的人員之一，陳張偉從2007年在西安交大讀研開始，就跟隨國內知名3D打印學者李滌塵教授從事陶瓷光固化3D打印的研究，并且與波音公司開展了陶瓷鑄型的3D打印與應用探索。隨著研究過程的深入，陳張偉發(fā)現(xiàn)已有的知識儲備顯得捉襟見肘�！皩W科交叉很明顯，那個時候作為機械專業(yè)碩士生的我，經(jīng)常需要去鉆研材料學或者化學的基礎理論知識�！�

在英國留學期間，陳張偉也開始進一步思考3D打印與陶瓷材料制造的結合與應用的更多可能，從材料的制備，到裝備的搭建再到應用研究，多年摸索讓他對3D打印的全鏈條研發(fā)有了更深刻的認識。

時至今日，他更加確信，要想做好3D打印，必須要對材料、結構、設備、工藝等各個環(huán)節(jié)都顧及到。

以設備為例，盡管眼下國內3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度較快，但國產(chǎn)高端打印設備的核心部件還是擺脫不了進口的命運。例如在陶瓷光固化3D打印行業(yè)，目前普遍使用的面曝光DLP光固化陶瓷打印機多被美國德州儀器TI公司開發(fā)的DMD芯片壟斷。

相對而言，國外部分知名廠商出品的打印設備價格較高，但其技術集成度和成熟度方面有比較明顯的優(yōu)勢；國產(chǎn)設備的特點則是價格相對較低、售后反應較靈活、二次開發(fā)和擴展性較高。在經(jīng)濟條件允許的情況下，人們傾向于采購進口設備。

“總體而言，國產(chǎn)設備的大部分核心技術，即陶瓷SL或DLP成型原理大都沿用國外專利，或在此基礎上做部分改進。因此對于國內廠商來說，從跟跑到領跑，實現(xiàn)核心技術原創(chuàng)性自主研發(fā)和跨越式競爭任重道遠�！标悘垈ピ谄渥钚掳l(fā)表的一篇關于陶瓷光固化3D打印技術的論文中如是寫道。

“在高端裝備與應用領域，如果沒有核心技術掌握在自己手里，誰都能做，就沒有什么產(chǎn)業(yè)化的意義了�！� 陳張偉認為，如同打印設備的激烈競爭局面一樣，簡單的3D打印產(chǎn)品雖然容易產(chǎn)業(yè)化，但做的人也多，如果不掌握核心技術，具備特色競爭力，那么很快就會在行業(yè)洗牌中被淘汰。

現(xiàn)在其團隊正在做的更多的是前沿領域的科研探索。雖然一些成果距離產(chǎn)業(yè)化仍有一定距離，但陳張偉仍信心滿滿。目前他的團隊仍在招兵買馬，“要做強3D打印產(chǎn)業(yè)，需要更多的人才加入到3D打印領域，從材料、設備的核心部件，到創(chuàng)新應用等等，多管齊下共同來努力推進。以夢為馬，總有夢想成真的一天�！�