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盧秉恒主要從事快速成形制造、微納制造、生物制造、高速切削機(jī)床等方面的研究，先后主持20余項(xiàng)國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目。曾獲國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)、“做出突出貢獻(xiàn)的中國博士學(xué)位獲得者”稱號(hào)、全國五一勞動(dòng)獎(jiǎng)?wù)碌泉?jiǎng)項(xiàng)。
顛覆性技術(shù)
“3D打印是一個(gè)嶄新的技術(shù)，還有非常大的發(fā)展空間?！北R秉恒院士介紹，增材制造是近30年才發(fā)展起來的，而我們比較熟悉的鑄、鍛、焊已經(jīng)有3000年的歷史了，切割加工也具有300多年的歷史。根據(jù)2013年麥肯錫研究報(bào)告預(yù)測，在今后影響人們生產(chǎn)組織模式和社會(huì)生活的12項(xiàng)重大顛覆性技術(shù)中，3D打印名列第9，排在新材料和頁巖氣之前，到2030年，3D打印的效益將達(dá)到0.6～1.2萬億美元。這一預(yù)測后來又被提前，預(yù)計(jì)到2025年3D打印可能產(chǎn)生高達(dá)5500億美元的效益。美國“重振制造業(yè)計(jì)劃”在國會(huì)提出的口號(hào)就是要“在美國發(fā)明、在美國制造”，他們提出了一個(gè)指標(biāo)：用一半的周期、一半的成本來完成產(chǎn)品的開發(fā)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，專家們提出3D打印是促進(jìn)這一指標(biāo)的有效手段。盧秉恒認(rèn)為，3D打印正處于技術(shù)發(fā)展的井噴期，近兩三年國內(nèi)有很多大的創(chuàng)新，使非金屬制造的效率提高了幾十倍，金屬制造的效率也提高了近十倍；同時(shí)，3D打印也正處于一個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的起步期，很多企業(yè)都在加盟這個(gè)領(lǐng)域，普遍認(rèn)為3D打印是一個(gè)很值得挖掘的一個(gè)金礦。
在盧秉恒看來，3D打印是產(chǎn)品開發(fā)的利器，它在做首件上是非常有利的?！斑^去，我們做試制的時(shí)候，最難的就是做樣件，一架新飛機(jī)的研發(fā)周期需要10～20年。有了3D打印，我們就可以免除做首件所需要的專用工卡具、刀具、模具等等，因此大大簡化了工藝流程，可以快速做出首件來進(jìn)行裝配、試驗(yàn)、驗(yàn)證。”盧秉恒舉例，像飛機(jī)典型的結(jié)構(gòu)件大部分是框、梁、架、桁，這些東西的長度和面積都很大，但是實(shí)際上所需材料并不多，設(shè)計(jì)要求用最少的材料來實(shí)現(xiàn)最高的強(qiáng)度和剛度。3D打印是上述結(jié)構(gòu)非常理想的一種指導(dǎo)方法，它可以克服結(jié)構(gòu)件占有空間大、形狀復(fù)雜，采取切割加工時(shí)往往95%～97%的材料都會(huì)被切割掉，而且在切割加工中變形非常大，且加工所用機(jī)床的制造難度非常大等問題。“所以從這個(gè)角度上來說，3D打印在航空航天領(lǐng)域是一項(xiàng)顛覆性技術(shù)?！北R秉恒認(rèn)為。航空航天所面對(duì)的是難加工的材料，它的復(fù)雜結(jié)構(gòu)、加工變形控制、研發(fā)周期和成本等對(duì)傳統(tǒng)制造提出了一個(gè)非常大的難題，而3D打印可以用全新的方式去對(duì)付這些難題。例如，鈦合金的切削加工是很難的，但對(duì)于3D打印來說，看問題的角度變了，反而成了最容易的成形方法。3D打印可以使材料的利用率從原來的3%、5%提高到80%、90%。另外，3D打印完全可以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化，非常適合航空航天多品種、小批量、大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造。
現(xiàn)在已經(jīng)有很多很好的案例，盧秉恒介紹道：“弗吉尼亞大學(xué)兩位學(xué)生通過3D打印技術(shù)制造出一架模型飛機(jī)并成功試飛。只花了4個(gè)月的時(shí)間，成本也只是2000美元。而就在5年前，制造這樣的塑料渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的成本約為25萬美元，需要花上2年的時(shí)間。”
美好但不完美
“3D打印這么美好，但是我們還需要進(jìn)行很多深入的研究?！北R秉恒直言。例如，用于航空領(lǐng)域，需要結(jié)構(gòu)件具備很好的疲勞性能，這個(gè)也是業(yè)界很多人提出置疑的問題。盡管從理論上分析，用3D打印可以獲得很好的組織結(jié)構(gòu)。比如設(shè)想，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片之所以做得好，就是因?yàn)樗臏囟忍荻确浅８?，因此它的晶粒很?xì)。而與發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的溫度梯度（每厘米幾十度）相比較，3D打印的溫度梯度在每毫米上千度，在這么高溫度梯度下，3D打印產(chǎn)生的晶?？隙ㄊ呛芗?xì)的。當(dāng)然也有人不放心，認(rèn)為3D打印是一點(diǎn)一點(diǎn)打印出來的，哪一點(diǎn)有問題它就形成了一個(gè)缺陷。盧秉恒肯定這種擔(dān)心是需要的，但他認(rèn)為：“實(shí)際上在宏觀制造中，對(duì)微觀雜質(zhì)的混入是不可避免的，正如鑄造中夾雜、氣孔等缺陷，即使經(jīng)過鍛造，也只是改變了鑄造后的形狀，氣孔體積縮小一點(diǎn)、形狀變化一點(diǎn)，但仍然存在。而3D打印是在一個(gè)點(diǎn)上形成一個(gè)瞬態(tài)的高溫、一個(gè)瞬態(tài)的劇烈冷卻，允許產(chǎn)生缺陷的體積會(huì)非常非常小，所以應(yīng)該說是最可靠的。”當(dāng)然，盧秉恒也表示，要達(dá)到這種可靠性必須每一點(diǎn)上的工藝條件都控制得非常好。但實(shí)際上，在3D打印中，激光掃描也是有慣性質(zhì)量的，由于光斑能量分布不均，因此會(huì)導(dǎo)致溫度場不均勻，可能會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。“這不是傳統(tǒng)凝固學(xué)所能解決的問題，我們需要深度研究在3D打印情況下，逐點(diǎn)瞬態(tài)的熱力歷程及其強(qiáng)非平衡態(tài)機(jī)理?！北R秉恒坦言，“我們很多的短板還是在基礎(chǔ)研究上，如果這些難點(diǎn)不克服，我們對(duì)3D打印的航空件能否接受疲勞試驗(yàn)還是存有疑慮的?！?
