國內(nèi)3D打印界的五大科研力量“五足鼎立”

3D打作為高端制造技術(shù)的指引者備受業(yè)界重視，為了避免重蹈光伏行業(yè)的覆轍，國家也出臺相關(guān)政策，客觀科學地規(guī)劃布局，引領(lǐng)技術(shù)合理發(fā)展。
目前，3D打印依然處在研究階段，距離大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應用還有很長的路要走。作為3D打印科研界最早的五大派系，在這江湖風云已起之際，看誰又能技壓群雄，獨領(lǐng)風騷？下面就隨南極熊深度聚焦國內(nèi)3D打印界的五大科研力量：

一、清華大學顏永年團隊
顏永年教授被譽為“中國3D打印第一人”，現(xiàn)為清華大學機械工程系機械電子研究所的所長，中國機械工程學會快速成形技術(shù)委員會主任。由他領(lǐng)導的激光快速成形中心率先在國內(nèi)進行了快速原型制造—RPM (Rapid Prototyping Manufacturing) 技術(shù)的研究，并完成多種功能先進的RP設備以及有關(guān)的軟硬件的開發(fā)與研究，在世界RP領(lǐng)域上占有一定的地位，還進行了大量由RP向快速工具RT (Rapid Tooling) 制造技術(shù)轉(zhuǎn)化的研究。

學術(shù)成果簡介與業(yè)績

截至到現(xiàn)在，顏永年團隊承擔并完成了多項國家自然科學重點基金、國家863計劃及與企業(yè)的橫向合作任務。曾經(jīng)顏永年教授作為總設計師，完成了5套世界級的我國重裝行業(yè)和國防上急需的重型液壓機，通過轉(zhuǎn)讓技術(shù)幫助企業(yè)生產(chǎn)數(shù)千臺一萬噸以下的各類液壓機，創(chuàng)產(chǎn)值高達數(shù)拾億。

在多功能快速成形制造系統(tǒng)、組織工程材料的大段骨快速成形制造等方面取得了國際領(lǐng)先水平的科研成果。獲國家科技進步二、三等獎3項，省、部級獎5項，擁有發(fā)明專利10項等。
2012年，顏永年教授在昆山成立了昆山永年先進制造技術(shù)有限公司，并出任董事長，之后又聯(lián)合海源機械參與建立了"3D打印制造實驗室"，形成了3D打印產(chǎn)學研相結(jié)合的鏈條。

學術(shù)研究的特點為：
顏永年教授在70年代初從事金屬材料鍛壓成形工藝和設備，特別是預應力結(jié)構(gòu)的重型模鍛設備與工藝方面的研究。沿著材料成形加工這條主線，從89年開始進行快速成形方面的研究；98年從事生物材料的快速成形從而進入生物制造領(lǐng)域。至今，已形成生物制造、快速成形和重型機器三個方向，均取得很好的成績。注重學科交叉和學科前沿重視實驗和工程應用主要學術(shù)成果和業(yè)績?nèi)缦拢?br />
1、首次提出了3D打印最為經(jīng)典的“離散-堆積”成形原理，并與其它學科交叉形成新的前沿生長點：
（1）它是繼“去除成形”（如切削加工等）和“受迫成形”（如鑄、鍛等）后的新型成形原理與方法。
（2）據(jù)此提出離散-堆積平臺（軟、硬件系統(tǒng)）構(gòu)想，完成可實現(xiàn)多種RP、RM工藝的多功能快速成形系統(tǒng)（實驗設備）在此基礎上完成單功能和多功能快速成形商品化設備，獲國家科技成果二等獎。
（3）離散-堆積成形原理與熱致相分離方法相結(jié)合可制造具有分級孔隙率的三維結(jié)構(gòu)，用于人體器官修復的組織工程支架之制造。
（4）離散-堆積成形原理與細胞-材料單元的觸發(fā)固化技術(shù)相結(jié)合，可按預設計將細胞受控組裝成三維結(jié)構(gòu)，通過體外-體內(nèi)培養(yǎng)，而形成人體器官。

2、生物制造學術(shù)研究
顏永年教授將制造科學引入到生命科學領(lǐng)域提出了“生物制造工程”（Organism Manufacturing Eng.）學科概念和框架體系，為制造科學發(fā)展提出了一個新方向。將細胞或細胞-材料視作受控組裝的微滴，根據(jù)離散-堆積成形原理，組裝成三維結(jié)構(gòu)，用以探索活體組織、人體器官的修復與制造以及仿生產(chǎn)品的制造。在國家863，清華985和清華學科交叉基金支持下，2000年完成MedForm設備，2001年完成生物材料快速成形機，2002年完成TissForm設備、2004年完成細胞直寫系統(tǒng)和細胞打印機（Cell Printing），建立了具有國際先進水平的生物制造工程實驗室。

二、西北工業(yè)大學黃衛(wèi)東團隊

黃衛(wèi)東教授是國內(nèi)最早從事金屬3D打印科學研究的學者。1995年，黃衛(wèi)東教授產(chǎn)生了一個關(guān)于快速成型技術(shù)的新構(gòu)思：把3D打印技術(shù)和同步送粉激光熔覆相結(jié)合，形成一種新技術(shù)，用于直接制造可以承載高強度力學載荷的致密金屬零件。2001年，黃衛(wèi)東團隊申請了中國第一批關(guān)于激光立體成型的源頭創(chuàng)新專利。至今已獲授權(quán)激光立體成形的材料、工藝和裝備相關(guān)的國家發(fā)明和實用新型專利12項。

為國產(chǎn)大飛機C919制造中央翼緣條，是黃衛(wèi)東團隊利用金屬3D打印技術(shù)在航空領(lǐng)域應用的典型。黃衛(wèi)東教授介紹，作為機翼的關(guān)鍵部件，以我國現(xiàn)有制造能力無法滿足需求，如果向國外采購，勢必影響大飛機的國產(chǎn)化率。西工大與中航商飛合作，應用激光立體成形技術(shù)解決了C919飛機鈦合金結(jié)構(gòu)件的制造問題。目前，激光立體成形制造成本與國外鍛壓制造成本差不多，最重要的是形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的特色新技術(shù)。目前，這項技術(shù)在航空航天發(fā)動機等關(guān)鍵部件的制造上也得到了運用，并為多家航空航天企業(yè)提供了達到國際先進水平的制造裝備。

研究領(lǐng)域：
1. 凝固與晶體生長理論：重點從基本原理的角度揭示凝固與晶體生長過程顯微組織形成規(guī)律及其與傳輸過程和界面反應的關(guān)系，目標是對凝固與晶體生長行為進行精確定量的描述和預測。
2. 激光加工技術(shù)：包括激光表面改性，激光焊接和激光成形，重點發(fā)展致密金屬零件的快速無模自由成形技術(shù)。
3. 鑄造技術(shù)：主要針對高性能大型復雜薄壁鑄件的精密成形發(fā)展調(diào)壓鑄造工程化設備和技術(shù)。
4. 先進材料開發(fā)：高質(zhì)量低成本鎂合金，有機非線性光學晶體生長，鋰釩系鋰離子電池正極材料。

黃衛(wèi)東團隊經(jīng)過二十年的潛心科研，將激光立體成形相關(guān)理論編輯成金屬3D打印領(lǐng)域唯一代表性的著作《激光立體成形》，并由西北工業(yè)大學大學出版社出版。書中的很多科研理論都是屬于開創(chuàng)性理論成果，對科學研究具有很高的指導意義。比如書中第一次提出并詳細闡述了金屬在3D打印過程中存在的CET轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，工藝參數(shù)對金屬成形特性的影響等多種經(jīng)典理論模型等，下面會配有圖示注解。

三、西安交通大學盧秉恒團隊

盧秉恒是我國3D打印領(lǐng)域的第一個院士，盧院士從1993年在國內(nèi)率先開拓光固化快速成形制造系統(tǒng)研究，開發(fā)出具有國際首創(chuàng)的紫外光快速成型機及有國際先進水平的機、光、電一體化快速制造設備和專用材料，形成了一套國內(nèi)領(lǐng)先的產(chǎn)品快速開發(fā)系統(tǒng)，其中5種設備，3類材料已形成產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，對提高我國制造業(yè)競爭能力及迎接入關(guān)挑戰(zhàn)起到重要作用。

科研方向：
IC制造裝備及納米制造、激光快速成型制造、制造業(yè)信息化
為了發(fā)展我國的先進制造技術(shù)，國家在西安交通大學成立了快速制造國家工程研究中心（NERC-RM），依托西安交通大學的人才與技術(shù)優(yōu)勢建立的國家級先進制造技術(shù)創(chuàng)新平臺。而西安瑞特快速制造工程研究有限公司則是工程中心的產(chǎn)業(yè)化應用的依托公司，由盧秉恒院士出任董事長。另外，為了實現(xiàn)3D打印的產(chǎn)業(yè)化應用，西安交通大學盧秉恒院士聯(lián)合西北工業(yè)大學黃衛(wèi)東教授在陜西省政府的支持下，強強聯(lián)合，在渭南成立了3D打印創(chuàng)新研究中，目的就是致力于推動3D打印的產(chǎn)業(yè)化。

四、北京航空航天大學王華明團隊

王華明團隊是國內(nèi)專注金屬3D打印的科研團隊之一，由于背景的特殊性，主要圍繞大飛機等國家重大專項及重大裝備制造業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略需求，研制出代表著先進制造技術(shù)發(fā)展方向、在重大裝備制造中具有重大應用價值的“高性能難加工大型復雜整體關(guān)鍵構(gòu)件激光直接制造技術(shù)”，使我國成為目前世界上唯一突破飛機鈦合金大型主承力結(jié)構(gòu)件激光快速成形技術(shù)，并實現(xiàn)裝機應用的國家。
2016年，王華明當選為中國工程院院士。

研究方向：
1.提出“激光熔覆多元多相過渡金屬硅化物高溫耐磨耐蝕多功能涂層”研究新方向，研究出Cr3Si/Cr2Ni3Si等耐磨性能優(yōu)異并同時具有“反常磨損-載荷特性”、“反常磨損-溫度特性”、“不粘金屬特性”等性質(zhì)的過渡金屬硅化物多功能涂層材料新體系10余個，系列研究論文被《Advanced Coatings & Surface Technology》國際期刊“專題報道”；
2.在對高推重比航空發(fā)動機關(guān)鍵摩擦副零部件高溫高速“超�！蹦Σ翆W行為深入研究基礎上，研究出含碳量高達9～12%的“激光熔覆超高碳Cr-Ni-C高溫自潤滑特種耐磨涂層新材料”，在我國某新型航空發(fā)動機關(guān)鍵熱端高溫耐磨運動副零部件上得到成功應用，獲“國防科學技術(shù)獎”二等獎；
3.在對鈦合金非接觸激光熔化冶金晶體擇優(yōu)生長特性深入實驗與理論研究的基礎上，發(fā)明“定向生長柱晶鈦合金激光區(qū)域約束熔鑄冶金材料制備與發(fā)動機葉片等復雜零件激光直接成形新技術(shù)”，鈦合金高溫持久壽命提高10倍以上；
4.突破飛機鈦合金等高性能金屬結(jié)構(gòu)件激光快速成形關(guān)鍵技術(shù)及關(guān)鍵工藝裝備技術(shù)，激光快速成形BT20鈦合金機身關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件通過裝機試飛前構(gòu)件全部地面考核并已通過裝機評審即將完成實際裝機應用；將“合金超純凈精煉”、“定向凝固”、“快速凝固”等三大先進高溫合金制備技術(shù)與“激光快速成形技術(shù)”有機融合為一體，提出“超純凈徑向微細柱晶梯度組織高性能高溫合金渦輪盤”新思路及其近終形零件激光直接成形制造新技術(shù)，成功制造出直徑達450mm的超純凈徑向微細柱晶梯度組織高性能高溫合金渦輪盤件；
5.發(fā)明了“水冷銅模激光熔煉爐”及難熔、難加工、高活性金屬材料激光熔鑄材料制備與零件直接成形新工藝”，成功實現(xiàn)W等難熔合金及W/W5Si3等難熔金屬增強超高溫“原位”復合材料及其零件的激光熔鑄冶金制備與成形制造，為難熔難加工高性能合金材料的制備與復雜零件成形制造找到了一條新的途徑；
6.發(fā)現(xiàn)“高Jackson因子小面晶體”光滑液-固界面及臺階生長機制對凝固冷卻速度及界面過冷度的高度不敏感性，對在經(jīng)典凝固理論中被廣泛接受的“隨凝固冷卻速度或界面過冷度的增加、小面晶體液/固界面結(jié)構(gòu)將由原子尺度光滑向原子尺度粗糙轉(zhuǎn)變、生長機制由側(cè)向生長向連續(xù)生長機制轉(zhuǎn)變”經(jīng)典凝固理論“著名推論”的適用范圍進行了合理補充。

五、華中科技大學史玉升團隊

史玉升教授是材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室副主任，中英先進材料及成型技術(shù)聯(lián)合實驗室副主任，建立了粉末材料激光快速成形技術(shù)的學術(shù)體系及集成系統(tǒng)，在國內(nèi)外200多家單位得到廣泛應用，取得了顯著的經(jīng)濟與社會效益。

科研成果：
近年來，在國家863和自然科學基金等項目的資助下，圍繞粉末成形（包括選擇性激光燒結(jié)快速成形、選擇性激光熔化快速成形、激光/等靜壓復合近凈成形）、生態(tài)農(nóng)業(yè)滴灌節(jié)水產(chǎn)品快速開發(fā)等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)和基礎理論開展了系統(tǒng)的研究。建立了選擇性激光燒結(jié)快速成形技術(shù)的成套學術(shù)體系與系統(tǒng)，在國內(nèi)外得到廣泛應用，取得了顯著的經(jīng)濟和社會效益；繼德國后，在國內(nèi)率先研制成功了采用半導體泵浦和光纖激光器的商品化SLM裝備，為復雜精細金屬零件/模具的直接快速成形提供了新的制造模式和手段；提出了將激光粉末快速成形與等靜壓技術(shù)復合起來近凈成形制造高性能復雜結(jié)構(gòu)零件的新思想；提出了隨形冷卻水道精密注塑模數(shù)字化設計制造的新原理；開創(chuàng)了節(jié)水產(chǎn)品低成本快速開發(fā)理論與方法，并得到廣泛應用，經(jīng)濟效益明顯，社會效益尤為顯著。 部分理論成果在14種國外著名期刊和42種國內(nèi)核心和重要期刊，以及一些重要的國際學術(shù)會議上發(fā)表，其中SCI收錄25篇，EI收錄60篇，ISTP收錄7篇，特邀報告和講座10次，他引200余篇次；研究成果還被各種專著和教材大量采用，并被拍成科教片，在中央電視臺科技頻道播放，在社會上引起了很大的反響，得到了國內(nèi)外學術(shù)同行的高度評價和認同；獲發(fā)明專利4項，受理發(fā)明專利25項。對相關(guān)學科的發(fā)展起到了重要推動作用，在學術(shù)上達到了該研究領(lǐng)域的國際先進水平，部分具有國際領(lǐng)先水平。


上述五大科研團隊，每一個科研團隊都有各自的重心，但又有所差異。相比于其他方向，金屬3D打印技術(shù)被看做難度系數(shù)最高的打印技術(shù)，其應用范圍最廣，潛力最大。上述5個團隊中也僅有2個專注于金屬領(lǐng)域的3D打印，結(jié)合傳統(tǒng)的理論知識模型，我們對金屬3D打印中存在的CET轉(zhuǎn)變及工藝參數(shù)對材料成形特性的影響做一次成果分享，具體如下：

（1）金屬3D打印經(jīng)典CET轉(zhuǎn)變理論

形成等軸晶，柱狀晶與成分過冷的關(guān)系

金屬在打印過程中，具有點狀熔池的特點。熔池底部溫度梯度最大，隨著熔池高度的增加，熔池溫度梯度逐漸遞減。故在熔池底部成形具有外延生長的柱狀晶。在熔池表層存在空氣對流，熔池向各方向散熱速率相平衡，易形成等軸晶。由于不同合金的物理特性不同，不同合金的吸熱和散熱速率不同，形成的的等軸晶區(qū)域也不同。

（2）工藝參數(shù)對成形特性的影響

下圖是金屬3D打印不同工藝參數(shù)對金屬成形性的影響，其中P是激光功率，V是掃描速度，d是光斑直徑，H為單層厚度。

來源：材料人
延伸閱讀：
中國國產(chǎn)金屬3D打印機大盤點