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(yīng)該都聽過《神筆馬良》的故事”，受邀在深圳大學(xué)“名師進(jìn)中學(xué)”活動中針對3D打印技術(shù)進(jìn)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(shù)的理解能夠更加的具象化。“也許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(biāo)——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(jié)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(shù)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(fù)雜的結(jié)構(gòu)成型。有人用它打印出火箭的關(guān)鍵部件，使其比傳統(tǒng)制造的零部件更小，并在60天內(nèi)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(xué)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(shù)用在核聚變領(lǐng)域，通過對聚變堆核心部件——產(chǎn)氚陶瓷單元結(jié)構(gòu)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(xué)的他目前擔(dān)任深圳大學(xué)增材制造研究所執(zhí)行所長，帶領(lǐng)著團(tuán)隊在3D打印的創(chuàng)新型應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行更加深遠(yuǎn)的探索。

3D打印與核聚變的奇妙“碰撞”
實際上，國際相關(guān)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(yīng)用在航空工業(yè)中“第一個吃螃蟹”的公司，采用3D打印技術(shù)制造飛機發(fā)動機的燃油噴嘴，結(jié)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(fù)雜結(jié)構(gòu)件的一體化設(shè)計與成型，突破傳統(tǒng)制造工藝無法實現(xiàn)的精密復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(xué)攻讀碩士期間就已經(jīng)結(jié)下。2010年，陳張偉前往英國帝國理工大學(xué)從事陶瓷材料相關(guān)專業(yè)的博士及博士后深造，他打算進(jìn)一步嘗試將陶瓷與3D打印技術(shù)進(jìn)行結(jié)合。

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

陶瓷材料種類繁多，應(yīng)用領(lǐng)域也較廣，經(jīng)過高溫?zé)�結(jié)或反應(yīng)燒結(jié)等處理后，可形成結(jié)構(gòu)件、功能件、結(jié)構(gòu)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(xué)增材制造研究所勞長石所長的支持下，研究所團(tuán)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(yīng)用新思路——應(yīng)用于核聚變領(lǐng)域的核心產(chǎn)氚裝置。

上世紀(jì)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(dāng)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(fēng)險。為了規(guī)避這一問題，科學(xué)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(shù)日漸成熟，可控核聚變反應(yīng)堆或?qū)�為人類源源不斷地提供清潔能源�?br />
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(yīng)，并釋放大量熱能導(dǎo)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(guān)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(yīng)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(yīng)，這考驗科學(xué)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(jié)構(gòu)，讓氦氣通過球床結(jié)構(gòu)時發(fā)生反應(yīng)。但球床接觸容易造成應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致微球開裂和破損，影響球床結(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)，限制了產(chǎn)氚效率的調(diào)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(jié)構(gòu)，其團(tuán)隊設(shè)計出蜂窩和點陣的結(jié)構(gòu)可以大范圍調(diào)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(yīng)。此外，一體化的結(jié)構(gòu)也使得其力學(xué)性能得到大幅提升。

目前，陳張偉團(tuán)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(lǐng)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(jié)構(gòu)，團(tuán)隊也基于此發(fā)表了高水平學(xué)術(shù)論文，成果更是獲得了國內(nèi)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(xiàn)，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(yīng)用領(lǐng)域的探索決心。

“對于3D打印，我認(rèn)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(rèn)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(jìn)行傳統(tǒng)方法無法完成的制造任務(wù)，從而進(jìn)行更多的創(chuàng)新應(yīng)用。

2016年，陳張偉加入深圳大學(xué)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(biāo)之一，就包括了3D打印的創(chuàng)新型應(yīng)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(yīng)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(xué)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(jié)構(gòu)件、功能件及結(jié)構(gòu)功能一體化的部件。陳張偉團(tuán)隊看到了其在醫(yī)療、航空航天、機械電子、能源環(huán)保等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價值。

“它在電子通信行業(yè)上有很大的體量�！笨春锰沾刹牧显谕ㄓ嵎矫姘l(fā)展前景的陳張偉，正帶領(lǐng)團(tuán)隊與某知名通信公司合作研發(fā)具有高度復(fù)雜結(jié)構(gòu)的先進(jìn)天線組件。

在能源環(huán)保方面，他正設(shè)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(nèi)部結(jié)構(gòu)單一的，而采用3D打印可制造出具有更優(yōu)異性能的復(fù)雜結(jié)構(gòu)管道�！霸谠O(shè)計階段，就可以先進(jìn)行結(jié)構(gòu)和性能仿真，根據(jù)仿真的結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，設(shè)置孔洞結(jié)構(gòu)的大小和排布密度，有助于提高催化效率和結(jié)構(gòu)使用性能，這就是3D打印在這個領(lǐng)域可以創(chuàng)新的地方。”

同時，其團(tuán)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(yīng)用。特別是針對跨尺度結(jié)構(gòu)3D打印獨有的自由調(diào)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(nèi)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(xué)課題組就開始用3D打印的方法做骨科領(lǐng)域的細(xì)胞培養(yǎng)和植入。

此外，目前深圳大學(xué)增材制造研究所團(tuán)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(biāo)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(guān)心的是盡可能在短時間內(nèi)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(shù)方面做更加基礎(chǔ)性的和前沿性的創(chuàng)新研究�！坝袝r候不見得短期內(nèi)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(dāng)然，有時候也會受到社會環(huán)境的影響，需要去面對和適應(yīng)。”

在對某一領(lǐng)域進(jìn)行陶瓷3D打印的創(chuàng)新型應(yīng)用研究之前，陳張偉通常會列出5個問題進(jìn)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(shù)的引入使得其在結(jié)構(gòu)的調(diào)控、設(shè)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(yīng)用的評估條件。

“沒有核心技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化意義不大”
二十多年前，中國就邁入3D打印領(lǐng)域，發(fā)展速度極快。相關(guān)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(xué)、機械、計算機甚至光學(xué)等多學(xué)科的交叉。作為國內(nèi)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(nèi)知名3D打印學(xué)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(yīng)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。“學(xué)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(xué)或者化學(xué)的基礎(chǔ)理論知識�！�

在英國留學(xué)期間，陳張偉也開始進(jìn)一步思考3D打印與陶瓷材料制造的結(jié)合與應(yīng)用的更多可能，從材料的制備，到裝備的搭建再到應(yīng)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(rèn)識。

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

以設(shè)備為例，盡管眼下國內(nèi)3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度較快，但國產(chǎn)高端打印設(shè)備的核心部件還是擺脫不了進(jìn)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(shè)備價格較高，但其技術(shù)集成度和成熟度方面有比較明顯的優(yōu)勢；國產(chǎn)設(shè)備的特點則是價格相對較低、售后反應(yīng)較靈活、二次開發(fā)和擴展性較高。在經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下，人們傾向于采購進(jìn)口設(shè)備。

“總體而言，國產(chǎn)設(shè)備的大部分核心技術(shù)，即陶瓷SL或DLP成型原理大都沿用國外專利，或在此基礎(chǔ)上做部分改進(jìn)。因此對于國內(nèi)廠商來說，從跟跑到領(lǐng)跑，實現(xiàn)核心技術(shù)原創(chuàng)性自主研發(fā)和跨越式競爭任重道遠(yuǎn)。”陳張偉在其最新發(fā)表的一篇關(guān)于陶瓷光固化3D打印技術(shù)的論文中如是寫道。

“在高端裝備與應(yīng)用領(lǐng)域，如果沒有核心技術(shù)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(rèn)為，如同打印設(shè)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(shù)，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(tuán)隊正在做的更多的是前沿領(lǐng)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(tuán)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(lǐng)域，從材料、設(shè)備的核心部件，到創(chuàng)新應(yīng)用等等，多管齊下共同來努力推進(jìn)。以夢為馬，總有夢想成真的一天。”