打印一个新世界

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不久前,湖南华曙高科技有限公司创始人许小曙发现自己汽车的电动摇窗尼龙轴承坏了:这只是一个不影响内部结构的小破损,但却直接影响车窗的使用。他到4S 店咨询是否可以换一个新的,4S店的解决方案是换掉整套车窗升降系统,理由是没有单独的轴承销售,而为此许小曙要支付500 多元的配件和维修费。许小曙放弃了这个“昂贵”的方案,他回到公司,扫瞄了一个该轴承的三维模型,随即用华曙制造的激光烧结3D 打印机“打印”了一个新的轴承装上了汽车。
“对于激光烧结3D 打印的制造技术来说,在两小时内制造一个汽车轴承是再轻松不过的事情。”许小曙说。在他的打印样品展示间里,随处可见各种结构精密复杂的展示品:一个类似中国古代象牙雕刻的9 层镂空套球特别引人注目。这种用手工镂空雕刻的技艺已经失传,但对于激光烧结3D 打印机来说,制造这样一个结构复杂的镂空球与“打印”一个相同大小的实心球的难度没有任何区别。“从成本上来说,实心球还更昂贵,因为耗材更多。”
3D 打印是对“添加法制造技术”的一种形象化的描述,即在原来二维打印的基础上,通过逐层叠加的方式打印出三维的物体。在许小曙看来,广义3D 打印是下一代数字化制造的核心技术。“信息化技术普及后,人们利用计算机将设计理念反映出来,但在制造时又回到了传统机械加工的方式,广义3D 打印将信息技术的虚拟构想直接变为了现实构件。”
“只要能设计出来,就能打印出来。”华中科技大学快速制造中心史玉升教授对3D 打印技术如此诠释,史玉升的另一重身份是专门从事3D 打印设备及其成形材料开发与销售的武汉滨湖机电技术产业有限公司(以下简称“滨湖机电”)的董事长,而成立于1996 年的滨湖机电是中国最早进入3D 打印领域的产业化公司之一。
3D 打印技术的出现的确给人们的生活带来不少惊喜。2011 年,英国科学家利用3D 打印技术打印了一辆可以骑行的自行车,这辆尼龙材料打印的自行车重量只有普通钢铝自行车的1/3,但坚固度却毫不逊色;同年底,英国南安普顿大学打印了一架翼展6.5 英尺、最高时速可达100 英里/ 小时的无人驾驶小飞机;今年,美国一家时尚工作室打印出了无须缝制的比基尼泳衣,这套泳衣几何图案美观、结实、防水,并已经开始在网上销售。
今年58 岁的许小曙,从1998 年加入全球最大的3D 打印设备制造商3D 系统公司(3D Systems)担任技术总监以来,一直从事3D 打印中的选择性激光烧结(Selective Laser Sintering)技术的研究和产品开发。选择性激光烧结技术被公认为3D 打印应用于工业制造领域的最佳技术途径,无论是3D 打印自行车还是3D 打印飞机都是通过选择性激光烧结技术制造出来的。而在国际选择性激光烧结技术领域,许小曙更被视为这一领域的技术泰斗,他带领3D 系统公司研发出4 代激光烧结3D 打印机,在业内,激光烧结3D 打印机甚至被称为“Xu’s Machine”(许氏机器)。
“3D 打印是一个多学科交叉的技术领域,它包含了机械、材料、软件、控制、光学、热学多领域的学科知识。”许小曙说。许小曙的多学科背景恰恰非常符合进入这一领域。出生于湖南的他在湘潭大学完成了研究生的课程,其专业跨越机械、数学和计算机。在大学执教3 年后,他到美国科罗拉多矿业大学攻读数学博士学位,但兴趣所驱,他选择了与数学毫不相关的材料学作为副修。在取得数学博士学位同时,许小曙拿到了材料学的硕士。离开学校后,许小曙进入美国海军焊接研究所从事焊接机器人研究长达7 年,其研究成果被国际金属手册(AMS Handbook)指定为智能弧焊机器人系统的世界标准,这为他之后从事选择性激光烧结技术的研究奠定了基础。“选择性激光烧结实际上也是激光微焊接技术的一种应用。”许小曙说。
同样在1998 年,从事了多年机械自动化研究的史玉升加入武汉华中科技大学,负责基于粉末床的3D 打印设备及其成形材料的研发“快速制造中心是由中国著名的机械工程专家、华中科技大学原校长黄树槐(1930-2007)教授于1991 年创立的,此前主要研究纸质材料的3D 打印技术,我加入后的主要任务是负责研发基于粉末材料的3D 打印技术,也就是选择激光烧结技术和选择性激光融化(SelectiveLaser Melting)技术。”史玉升介绍。
在3D 打印领域,中国走出了一条与国际公司几乎同步、但不同轨的道路。史玉升加入快速制造中心的研究工作后,首要的任务是研发激光烧结3D 打印机及其合适的粉末材料。“国外多以尼龙粉末材料做为激光烧结材料,相比于其他高分子材料,尼龙材料的确有强度高等诸多优点,然而这种材料为国外厂商垄断,售价高达每公斤上千元,是中国企业难以企及的,”史玉升说,“而当时国内企业对3D 打印技术的需求集中于辅助新产品的开发,主要用于打印产品模型和铸造用蜡模。”
经过调研和实验研究,史玉升最终找到了以聚苯乙烯作为基材的激光烧结3D打印机的首选耗材。“这种材料的价格仅仅是尼龙材料的几分之一。”史玉升说。在突破耗材瓶颈后,1999 年史玉升团队研发出了工作台面达0.4 米×0.4 米的激光烧结3D 打印机,2002 年工作台面达0.5 米×0.5 米,超过了当时全球领先的美国3D 系统公司;2008 年,史玉升团队再次研发出工作台面达1 米×1 米的激光烧结3D 打印机,并且全面进入市场销售。2010 年,开发出1.2 米×1.2 米的全球最大的激光烧结3D 打印机。
2006 年,上海的民营企业凯泉泵业就引进了滨湖机电的激光烧结3D打印机。后来,激光烧结3D 打印机为这家处于快速发展期的民营企业争夺一个核泵项目立下了汗马功劳。当时竞争十分激烈,而对于凯泉泵业来说,核泵无疑是属于小批量、个性化设计的产品,如果用传统的方式设计、开模,那么一方面研发周期很长,另一方面投资也相当巨大—开一个模的费用可能就要上百万。
“凯泉泵业的产品开发负责人非常喜欢我们的3D 打印机,当即决定购买一台,结果这台3D 打印机帮助他们拿到了此前从未进入过的核泵领域的项目订单。” 史玉升透露说。凯泉泵业现在是全球前十大泵业厂商,而他们已经累计购买了5 台滨湖机电研制的3D 打印机。
长期在美国从事3D 打印技术研究的许小曙走的是另一条道路:工业化高端应用。许小曙追求的目标很简单:打印出工业上能够直接使用的零部件。“对于制造业来说,3D 打印目前最适合小批量、个性化的产品生产,这在航空、医疗器械、军事等领域有着旺盛的需求。”许小曙说。
与汽车厂商每年几十万辆的大规模生产不同,一般来说飞机制造公司一年的产能仅为几十架次。每架飞机有几十万个零部件组成,如果开模生产,那将是一笔庞大的投入,而且效率低下。所以,激光烧结3D 打印机一出来就得到了飞机制造公司的欢迎。“美国波音公司的指定生产商拥有近百台激光烧结3D 打印设备;洛克希德· 马丁公司的F18、F22、F31 飞机的很多配件,包括几乎所有的风管都是用激光烧结3D 打印机打印出来的;欧洲空中客车公司A380 豪华客机头等舱中的部件和装饰有1/3 也是用激光烧结3D 打印制造的,因为飞机制造商是为各国航空公司定制飞机,各国对飞机内饰的要求大相径庭。”许小曙解释说。高端医疗器械厂商的需求与飞机制造公司类似,他们的零件需求同样符合小批量的特点。
2008 年,时年54 岁的许小曙便产生了自己创业的想法。“在研究了多年选择性激光烧结3D打印技术后,我希望能够拥有自己的公司,把更多对选择性激光烧结3D 打印技术有推动的想法付诸实践,”许小曙说,他把目光瞄向了中国,因为美国市场已经过于成熟,“如果再为别人打工,我的很多挑战工业化高端应用的想法会受到限制。”2010 年,在得到一笔2,500 万元的天使投资后,许小曙辞掉了美国的工作,只身回到家乡湖南,建立了华曙高科技有限责任公司。
从组建团队、培训团队,到研发出第一台华曙激光烧结3D 打印机,许小曙用了两年多时间。今年8 月,华曙生产的第一台激光烧结3D 打印机已经出口至美国。“比起国际领先的同类产品,我们的设备在温度控制方面有了显著提升,”许小曙说,“而温度控制的好坏直接关系到成品的精确度。”因为在激光烧结过程中会产生热胀冷缩,如果不能控制好温度,打印出来的物体就会产生变形。据许小曙透露,华曙激光烧结3D 打印机在使用尼龙材料制造时精度误差可以控制在0.1 毫米以内。
凭借许小曙在国际激光烧结3D打印领域的个人声誉,华曙的设备立刻得到了国际市场的认可。全球3D打印设备的领先制造商以总裁和公司高管带队,多次到湖南华曙高科技公司考察。他们用华曙还未出厂的样机打印出来100 多件样品并带回测试,每一件的性能指标都达到或超过标准。他们甚至向许小曙抛出了收购的橄榄枝,许小曙婉言拒绝。
截至今年8 月底,华曙高科已经接到了多台来自海外的3D 打印机订单。据许小曙预计,今年公司的营业收入将超过1,000 万元。在开拓国际市场的同时,许小曙把中国市场看得无比重要。“中国企业对于3D 打印领域仍然比较陌生,我们正在通过各种方式与企业合作,培育国内市场。”他们刚刚帮助山河智能打印了一个无人飞机的尾翼,今年11 月,华曙高科的团队筹划打印一个板胡,让擅长音乐的许小曙用这个特殊制造方式生产的乐器做一个公开表演。
在做激光烧结3D打印设备的同时,许小曙把材料的研发放在了至关重要的战略地位。“与传统打印行业的盈利模式类似,未来耗材可能成为支撑3D 打印行业发展的主要盈利模式。”许小曙说。目前国际上选择性激光烧结打印的90% 的材料来自德国赢创(Evonik,其前身为德固赛)的尼龙材料,全球最大的3D 打印公司EOS 和3D 系统公司所使用的粉末材料都来源于他们。由于长期处于垄断地位,这一材料售价高昂。
材料的多样性是另一重挑战。“除了高分子材料,目前陶瓷、金属等各种类型的材料都已经进入了激光烧结3D打印,但过高的成本是制约其发展的关键因素。”许小曙说。在许小曙带领下,华曙高科利用从蓖麻油中提炼出的原材料,自行研发出一种尼龙材料,不但环保,而且售价远低于赢创。“在性能上,我们的尼龙材料加工出来的零部件虽然机械强度略低于赢创,但柔韧性指标却比它们好一倍,我们的价格也非常有优势,”许小曙颇为骄傲地说,“我预计耗材价格如果降低1 倍,我们的市场将扩大10 倍,今年我们已经接到了30 吨的耗材订单,客户遍布欧美。而今年年底前我们将形成40 吨的产能规模。”
在市场销售方面,史玉升带领的滨湖机电已经取得了较好的业绩 ,累计销售200 多台各种类型的3D 打印机及其配套的成形材料。“重要的是,更多的行业开始接受3D 打印的理念,而其中很多公司是民营企业。”史玉升说。
刚刚起步的许小曙则希望用2 年时间将公司的产能增加到每年100 台。“这是个保守的估计,”许小曙说。许小曙回忆起上世纪80 年代在美国大学里第一次看到数控机床时的情景。“它被放在一个机器人的旁边,要近距离参观必须得到院长的许可,但20 多年后,仅中国每年的数控机床产量已经达到几十万台,”许小曙回忆说,“我相信数控机床的今天就是3D 打印机的明天!”
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