中國3D打印第一人——顏永年

 

　　清華大學(xué)教授、江蘇永年激光董事長顏永年被譽(yù)為“中國3D打印第一人”，七十多高齡尚堅(jiān)守在技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用第一線。日前，顏教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的《3.6萬噸黑色金屬垂直擠壓機(jī)成套裝備與工藝技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化》項(xiàng)目喜獲國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

 

　　上世紀(jì)八十年代初，太平洋西岸一個(gè)叫Chunk Hull的美國人在一個(gè)偶然的機(jī)遇下發(fā)明了3D打印技術(shù)，到八十年代末，一位來自中國清華大學(xué)的科學(xué)家踏上了那片土地，將這種具有開拓意義的技術(shù)帶回了中國。他以此為起點(diǎn)開創(chuàng)了國內(nèi)多個(gè)第一，并為國內(nèi)科研界注入了一種全新的成形理念，他在推動(dòng)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(xué)家正是被業(yè)內(nèi)稱為“中國3D打印第一人”的顏永年。

 

　　“我對(duì)3D打印相當(dāng)于是一見鐘情，”顏永年談起27年前在美國初識(shí)3D打印時(shí)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(shí)年49歲，已經(jīng)有了深厚的鍛壓、鍛造專業(yè)背景的他來到美國加州大學(xué)洛杉磯分校做訪問學(xué)者，原本是去學(xué)習(xí)工程陶瓷，然而在偶然看到一個(gè)展會(huì)關(guān)于一種被稱為RP的快速成形技術(shù)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(shí)質(zhì)上是一種成形技術(shù)，但只有從事成形科學(xué)和材料成形的人才容易看到它的本質(zhì)和價(jià)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(fā)是一個(gè)非常漫長的過程，如果取消了模具設(shè)計(jì)這個(gè)環(huán)節(jié)，整個(gè)制造周期會(huì)大大縮短，那這就是一個(gè)很了不起的技術(shù)了，而3D打印正是這樣一種技術(shù)，它一點(diǎn)一點(diǎn)堆積材料，最后形成一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)，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(xiàng)快速成形技術(shù)得到了學(xué)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(shí)候我就相當(dāng)于有兵了。”就這樣顏永年在清華大學(xué)成立了國內(nèi)首個(gè)快速成形實(shí)驗(yàn)室，還建立了清華大學(xué)激光快速成形中心，顏永年帶領(lǐng)著自己的“兵”進(jìn)行快速成形方面的研究，最后這個(gè)團(tuán)隊(duì)甚至發(fā)展到50多人，是當(dāng)時(shí)清華最大的科研團(tuán)隊(duì)，取得了非常多令人矚目的成就。期間，顏永年通過香港殷發(fā)公司引進(jìn)了美國3D Systems一臺(tái)名為SLA-250的快速成形設(shè)備，這是國內(nèi)第一臺(tái)真正的3D打印機(jī)。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(shù)有限公司，這便是如今國內(nèi)首屈一指并享譽(yù)國際的3D打印公司“太爾時(shí)代”的前身，“太爾時(shí)代”現(xiàn)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(lǐng)著清華團(tuán)隊(duì)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(duì)用戶開放的RPM(快速成形與快速制造)研究與開發(fā)平臺(tái)。隨后又推出了我國擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的世界上唯一擁有兩種快速成形工藝的系統(tǒng)——“M-RPMS型多功能快速原型制造系統(tǒng)”，接著繼續(xù)完善技術(shù)，又推出改進(jìn)型M-RPMS-II，順利完成產(chǎn)業(yè)化，還在世界上首次完成了無木模鑄型制造工藝。當(dāng)時(shí)清華的這些成就引來了華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)等高校的參觀學(xué)習(xí)，上個(gè)世紀(jì)90年代3D打印在國內(nèi)形成了清華、華科大、西安交大三足鼎立的局面。

 

　　當(dāng)然，顏永年的開創(chuàng)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(xué)科概念和框架，并研發(fā)了多臺(tái)生物材料快速成形機(jī)，如今清華大學(xué)生物3D打印技術(shù)在國內(nèi)已經(jīng)處于執(zhí)牛耳的地位。當(dāng)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(chǔ)上發(fā)展起來的，顏老表示：“我認(rèn)為是的，他們還是承認(rèn)我是清華大學(xué)生命科學(xué)及醫(yī)學(xué)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(fù)興我們會(huì)不會(huì)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(gè)世紀(jì)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(zhuǎn)向其他的領(lǐng)域的研究。正是這段時(shí)期處于“襁褓”中的中國3D打印因?yàn)?ldquo;糧源”不足一直沒能長大，而美國卻順利地完成了產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。

 

　　關(guān)于轉(zhuǎn)變研究方向的原因，顏永年給出了一個(gè)很現(xiàn)實(shí)的答案：“因?yàn)?D打印在當(dāng)時(shí)賺不到錢，也拿不到大課題。”要養(yǎng)活一個(gè)50多人的團(tuán)隊(duì)，支撐實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)轉(zhuǎn)，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(jì)我們第一個(gè)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(rèn)為我們是老二，但我們的問題在于融資太困難。”顏永年有點(diǎn)自豪但更加可惜。

 

　　相對(duì)于中國，美國3D打印在起步之初就獲得了那些強(qiáng)大的風(fēng)險(xiǎn)投資基金和發(fā)達(dá)的金融支持的幫助。例如全球3D打印巨頭Stratasys成立之初，創(chuàng)始人便向風(fēng)險(xiǎn)資本出售35%的公司股權(quán)，獲得了120萬美元的風(fēng)險(xiǎn)投資，這筆資金對(duì)初創(chuàng)企業(yè)至關(guān)重要。除此之外，全美制造工程師學(xué)會(huì)在20世紀(jì)80年代中期創(chuàng)立了快速技術(shù)和增材制造團(tuán)體，開始積極推動(dòng)美國3D打印技術(shù)的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化。當(dāng)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(shí)比不上發(fā)達(dá)國家，但3D打印不會(huì)再像十幾年前那樣沉寂下去，因?yàn)閲翌I(lǐng)導(dǎo)人開始重視這間事情，整個(gè)社會(huì)對(duì)產(chǎn)業(yè)化的認(rèn)識(shí)也在不斷提高。對(duì)于我國該如何發(fā)展3D打印，他建議：第一，政府需大力倡導(dǎo);第二，成立一些真真實(shí)實(shí)的行業(yè)協(xié)會(huì);第三，最重要的是開發(fā)應(yīng)用市場。

 

　　對(duì)于應(yīng)用市場的開發(fā)，顏永年有自己的看法，他認(rèn)為“金屬3D打印進(jìn)入航空航天、軍工等高端市場是一個(gè)捷徑”，然而“肥水不流外人田”是這些高端市場的現(xiàn)狀，顏永年希望這些領(lǐng)域能更加開放。他舉了個(gè)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(yè)大學(xué)，但在90年代的時(shí)候清華和華中的實(shí)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出這兩家，然而中航集團(tuán)卻將資金投給了他們，顏永年認(rèn)為當(dāng)初如果投到清華和華中，研發(fā)速度會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出現(xiàn)在。“當(dāng)然現(xiàn)在發(fā)展起來了也是國之幸事”，顏永年補(bǔ)充到。

 

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

 

　　顏永年指出當(dāng)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(yè)命根子，但問題是明顯的，液態(tài)合金在鑄型中凝固以后，難以保證不發(fā)生偏析，偏析就是鑄件各個(gè)部位的成分不均勻，通常使用的方法就是將固態(tài)鑄件不停地揉壓，使它各個(gè)部位的成分達(dá)到均勻的狀態(tài)，這是重型裝備制造的一個(gè)難點(diǎn)。但是用3D打印就不會(huì)發(fā)生偏析這種情況，它一點(diǎn)一點(diǎn)堆積并達(dá)到冶金結(jié)合，完全可以做出一個(gè)非常均勻的的金屬結(jié)構(gòu)件，當(dāng)然重型3D打印做出的還是“精化毛坯”，它還需要用一點(diǎn)傳統(tǒng)的精加工。顏永年設(shè)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(gè)袋子去裝工業(yè)粉末。重型3D打印金屬技術(shù)瞄準(zhǔn)核電站、航母的大型件一定是非常有前途的。”當(dāng)然這還需要一個(gè)發(fā)展的過程。目前，美國用電子束在真空環(huán)境下熔覆已經(jīng)達(dá)到6×1.2×1.2M，這些3D打印的設(shè)備達(dá)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(bǔ)充找準(zhǔn)3D打印的應(yīng)用應(yīng)該抓住三個(gè)點(diǎn)：熱機(jī)和有熱交換部件的內(nèi)流道、一體化成形和新材料。

 

　　74歲創(chuàng)業(yè)緊跟時(shí)代步伐

 

　　2012年，3D打印的風(fēng)潮迅速從美國刮到全球，74歲的顏永年敏銳地嗅到這個(gè)重要的機(jī)會(huì)，當(dāng)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(jìn)行3D打印產(chǎn)業(yè)化的工作。

 

　　這一次顏永年把重點(diǎn)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(chǎn)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(huán)，而不是靠大批的救濟(jì)資金”。

 

　　經(jīng)過三年的發(fā)展，永年激光已經(jīng)擁有了3600㎡的辦公及研發(fā)場地，員工40人，過半的學(xué)歷在碩士以上，并擁有4000W大功率激光器、庫卡工業(yè)機(jī)器人、激光3D光刻成形機(jī)、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(shè)備、盤類/軸類激光熔敷修復(fù)設(shè)備以及功能先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟硬件平臺(tái)和數(shù)據(jù)庫，并與清華大學(xué)老科技工作者協(xié)會(huì)簽訂產(chǎn)學(xué)研合作協(xié)議，與清華大學(xué)國家CIMS工程技術(shù)研究中心吳澄院士建立了企業(yè)院士工作站。還與美國強(qiáng)生、四川長虹集團(tuán)和上海航天設(shè)備制造總廠等國內(nèi)外知名企業(yè)開展3D打印技術(shù)應(yīng)用和服務(wù)的戰(zhàn)略合作。

 

　　談到3D打印的未來，一心牽掛著國家工業(yè)發(fā)展的顏永年說得很實(shí)在，他說最想看到的是3D打印與傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合，讓重型3D打印得到蓬勃發(fā)展，未來航空航天大部分的重型關(guān)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(gè)成熟的標(biāo)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(shù)控技術(shù)和電腦，被廣泛用于工業(yè)和日常生活。