中國3D打印第一人——顏永年

 

　　清華大學教授、江蘇永年激光董事長顏永年被譽為“中國3D打印第一人”，七十多高齡尚堅守在技術研發和產業應用第一線。日前，顏教授帶領團隊研發的《3.6萬噸黑色金屬垂直擠壓機成套裝備與工藝技術研發及產業化》項目喜獲國家科技進步二等獎。

 

　　上世紀八十年代初，太平洋西岸一個叫Chunk Hull的美國人在一個偶然的機遇下發明了3D打印技術，到八十年代末，一位來自中國清華大學的科學家踏上了那片土地，將這種具有開拓意義的技術帶回了中國。他以此為起點開創了國內多個第一，并為國內科研界注入了一種全新的成形理念，他在推動中國形成以五大高校為主要3D打印科研力量的格局中起著舉足輕重的作用。這位科學家正是被業內稱為“中國3D打印第一人”的顏永年。

 

　　“我對3D打印相當于是一見鐘情，”顏永年談起27年前在美國初識3D打印時的情景還是難掩興奮之情，“它簡直就是太吸引人了。”

 

　　1988年，顏永年時年49歲，已經有了深厚的鍛壓、鍛造專業背景的他來到美國加州大學洛杉磯分校做訪問學者，原本是去學習工程陶瓷，然而在偶然看到一個展會關于一種被稱為RP的快速成形技術宣傳單后，顏永年徹底改變了他今后十年的研究方向。“3D打印實質上是一種成形技術，但只有從事成形科學和材料成形的人才容易看到它的本質和價值，所以中國第一批做3D打印的專家大都是做鍛壓鍛造出身的。”顏永年說道。

 

　　鍛造需要用到模具才能將零件做出來，而模具開發是一個非常漫長的過程，如果取消了模具設計這個環節，整個制造周期會大大縮短，那這就是一個很了不起的技術了，而3D打印正是這樣一種技術，它一點一點堆積材料，最后形成一個完整的結構，這樣一種全新的快速成形方法激起了顏永年極大的興趣。

 

　　1988年底回到中國后不久，顏永年一心想鉆研的這項快速成形技術得到了學校的高度重視，他也獲得了帶博士、研究生的資格，他笑稱：“那時候我就相當于有兵了。”就這樣顏永年在清華大學成立了國內首個快速成形實驗室，還建立了清華大學激光快速成形中心，顏永年帶領著自己的“兵”進行快速成形方面的研究，最后這個團隊甚至發展到50多人，是當時清華最大的科研團隊，取得了非常多令人矚目的成就。期間，顏永年通過香港殷發公司引進了美國3D Systems一臺名為SLA-250的快速成形設備，這是國內第一臺真正的3D打印機。隨后顏永年成立了中國第一家快成成形公司——北京殷華快速成形及模具技術有限公司，這便是如今國內首屈一指并享譽國際的3D打印公司“太爾時代”的前身，“太爾時代”現任CEO郭戈就是顏永年的得意門生之一。

 

　　在1990年至2000年的十年期間，顏永年帶領著清華團隊在快速成形方面取得了非常多的成就，他們1992年即完成了對用戶開放的RPM(快速成形與快速制造)研究與開發平臺。隨后又推出了我國擁有自主知識產權的世界上唯一擁有兩種快速成形工藝的系統——“M-RPMS型多功能快速原型制造系統”，接著繼續完善技術，又推出改進型M-RPMS-II，順利完成產業化，還在世界上首次完成了無木模鑄型制造工藝。當時清華的這些成就引來了華中科技大學、西安交通大學等高校的參觀學習，上個世紀90年代3D打印在國內形成了清華、華科大、西安交大三足鼎立的局面。

 

　　當然，顏永年的開創性成就還不止此，1998年，顏永年將快速制造引入“生命制造工程”學科概念和框架，并研發了多臺生物材料快速成形機，如今清華大學生物3D打印技術在國內已經處于執牛耳的地位。當提及清華如今在這方面的成就是否是基于自己研究的基礎上發展起來的，顏老表示：“我認為是的，他們還是承認我是清華大學生命科學及醫學研究院生物制造工程研究所第一任所長的嘛。”

 

　　十年沉寂又復興我們會不會重蹈覆轍？

 

　　顏永年是中國3D打印的見證者也是參與者，他親歷了上個世紀末中國3D打印的十年興盛，也親見了隨后十年的沒落。從2000年以后，顏永年不得不放棄3D打印而轉向其他的領域的研究。正是這段時期處于“襁褓”中的中國3D打印因為“糧源”不足一直沒能長大，而美國卻順利地完成了產業化的進程。

 

　　關于轉變研究方向的原因，顏永年給出了一個很現實的答案：“因為3D打印在當時賺不到錢，也拿不到大課題。”要養活一個50多人的團隊，支撐實驗室的運轉，國家撥不了那么多款，作為清華鍛壓骨干的顏永年只好用搞鍛壓的錢來支撐3D打印的研究。

 

　　“我們國家3D打印起步并不晚，我估計我們第一個專利只比美國晚5年或者4年，可能比德國和英國還要早，除了美國我認為我們是老二，但我們的問題在于融資太困難。”顏永年有點自豪但更加可惜。

 

　　相對于中國，美國3D打印在起步之初就獲得了那些強大的風險投資基金和發達的金融支持的幫助。例如全球3D打印巨頭Stratasys成立之初，創始人便向風險資本出售35%的公司股權，獲得了120萬美元的風險投資，這筆資金對初創企業至關重要。除此之外，全美制造工程師學會在20世紀80年代中期創立了快速技術和增材制造團體，開始積極推動美國3D打印技術的應用和產業化。當然他們也得到了美國政府的大力支持。

 

　　顏永年表示，我們的融資渠道和融資快捷性確實比不上發達國家，但3D打印不會再像十幾年前那樣沉寂下去，因為國家領導人開始重視這間事情，整個社會對產業化的認識也在不斷提高。對于我國該如何發展3D打印，他建議：第一，政府需大力倡導;第二，成立一些真真實實的行業協會;第三，最重要的是開發應用市場。

 

　　對于應用市場的開發，顏永年有自己的看法，他認為“金屬3D打印進入航空航天、軍工等高端市場是一個捷徑”，然而“肥水不流外人田”是這些高端市場的現狀，顏永年希望這些領域能更加開放。他舉了個例子，目前在航空3D打印方面最具影響力的兩家科研單位是北航和西北工業大學，但在90年代的時候清華和華中的實力遠遠超出這兩家，然而中航集團卻將資金投給了他們，顏永年認為當初如果投到清華和華中，研發速度會遠遠超出現在。“當然現在發展起來了也是國之幸事”，顏永年補充到。

 

　　針對高端市場，顏永年還在國內首次提出了“重型金屬3D打印”的概念和定義。他認為3D打印不光能做精密的小東西，更重要的是要進入我國重型制造行業，像航母、高鐵、飛機、核電站、火電站等。

 

　　顏永年指出當前我國重型制造走的是7654路線，也就是700噸精煉剛能力，600噸真空鑄錠能力，500噸鑄件能力和400噸鍛造能力。雖然7654路線是我國工業命根子，但問題是明顯的，液態合金在鑄型中凝固以后，難以保證不發生偏析，偏析就是鑄件各個部位的成分不均勻，通常使用的方法就是將固態鑄件不停地揉壓，使它各個部位的成分達到均勻的狀態，這是重型裝備制造的一個難點。但是用3D打印就不會發生偏析這種情況，它一點一點堆積并達到冶金結合，完全可以做出一個非常均勻的的金屬結構件，當然重型3D打印做出的還是“精化毛坯”，它還需要用一點傳統的精加工。顏永年設想道：“我們以后買鋼材，不再是去買鋼板、線材、鋼錠，而是帶著一個袋子去裝工業粉末。重型3D打印金屬技術瞄準核電站、航母的大型件一定是非常有前途的。”當然這還需要一個發展的過程。目前，美國用電子束在真空環境下熔覆已經達到6×1.2×1.2M，這些3D打印的設備達到了兩三層樓那么高，顏永年表示我們也要把激光熔覆做大。

 

　　最后，顏永年還補充找準3D打印的應用應該抓住三個點：熱機和有熱交換部件的內流道、一體化成形和新材料。

 

　　74歲創業緊跟時代步伐

 

　　2012年，3D打印的風潮迅速從美國刮到全球，74歲的顏永年敏銳地嗅到這個重要的機會，當年年底，顏永年便成立了江蘇永年激光成形有限公司，重新開始進行3D打印產業化的工作。

 

　　這一次顏永年把重點放在了激光熔覆和熔化(LaserCladding和Melting)成形，主攻金屬3D打印，他希望爭取做到“市場能夠接受，能夠跟國外競爭的產品，然后在競爭中得到提升，從市場獲得資金，形成良性的的循環，而不是靠大批的救濟資金”。

 

　　經過三年的發展，永年激光已經擁有了3600㎡的辦公及研發場地，員工40人，過半的學歷在碩士以上，并擁有4000W大功率激光器、庫卡工業機器人、激光3D光刻成形機、選擇性激光熔化(SLM)、多功能激光熔敷沉積成形(LCD)/焊接/切割設備、盤類/軸類激光熔敷修復設備以及功能先進的計算機軟硬件平臺和數據庫，并與清華大學老科技工作者協會簽訂產學研合作協議，與清華大學國家CIMS工程技術研究中心吳澄院士建立了企業院士工作站。還與美國強生、四川長虹集團和上海航天設備制造總廠等國內外知名企業開展3D打印技術應用和服務的戰略合作。

 

　　談到3D打印的未來，一心牽掛著國家工業發展的顏永年說得很實在，他說最想看到的是3D打印與傳統技術相結合，讓重型3D打印得到蓬勃發展，未來航空航天大部分的重型關鍵件都用3D打印來做，特別是用在核電站，他說，如果核電站能用到3D打印，那就是一個成熟的標志了;其次，就是生物3D打印能做出真正的人體器官替代品;另外就是希望3D打印普及性像數控技術和電腦，被廣泛用于工業和日常生活。