文/ 王遂社 黃明 周亞龍
盧秉恒,1945年2月出生于安徽亳州,中國(guó)機(jī)械制造與自動(dòng)化領(lǐng)域著名科學(xué)家,現(xiàn)為西安交通大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師。同時(shí)擔(dān)任國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造設(shè)備”技術(shù)總師、國(guó)務(wù)院學(xué)位委員會(huì)機(jī)械學(xué)科評(píng)議組召集人等重要職務(wù)。曾獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)、全球華人蔣氏科技成就獎(jiǎng),被授予“做出突出貢獻(xiàn)的中國(guó)博士學(xué)位獲得者”“全國(guó)五一勞動(dòng)獎(jiǎng)?wù)隆狈Q(chēng)號(hào),2005年當(dāng)選為中國(guó)工程院院士。近年主持國(guó)家科技攻關(guān)、973、863計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目40個(gè),發(fā)表論文400多篇,獲發(fā)明專(zhuān)利20余項(xiàng),多次獲得國(guó)家及省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)。
工作中的盧秉恒院士
盧秉恒院士長(zhǎng)期致力于先進(jìn)制造技術(shù)的研究,在國(guó)內(nèi)倡導(dǎo)開(kāi)拓了增材制造、微納制造、生物制造、高速切削機(jī)床等先進(jìn)制造技術(shù),在納米壓印研究、個(gè)性化匹配人工骨及生物活性人工骨的研究方面獲得重要突破,并進(jìn)入臨床實(shí)驗(yàn)。他開(kāi)發(fā)了國(guó)際首創(chuàng)的紫外光快速成型機(jī)及具有國(guó)際先進(jìn)水平的機(jī)、光、電一體化快速制造設(shè)備和一系列快速模具制造技術(shù),是全國(guó)3D打印領(lǐng)域唯一的院士,被譽(yù)為“中國(guó)3D打印之父”。
中國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展高峰論壇上,盧秉恒院士《智能制造與3D打印》主題演講
“3D打印就像是燕子壘窩,銜泥巴一點(diǎn)一點(diǎn)壘起來(lái)一樣”,其工作原理是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ),運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料,通過(guò)逐層堆疊累積的方式來(lái)構(gòu)造物體。從點(diǎn)到線(xiàn),從線(xiàn)到面,從面到體,將打印材料一層層疊加起來(lái)。盧秉恒風(fēng)趣地說(shuō),中國(guó)的長(zhǎng)城就像現(xiàn)在的增材制造,也是一層一層疊加起來(lái)的。3D打印屬于快速成形技術(shù)的一種,目前已廣泛應(yīng)用于建筑、汽車(chē)、教育、工業(yè)設(shè)計(jì)、土木工程、航空航天、地理信息系統(tǒng)、牙科和醫(yī)療等產(chǎn)業(yè)。
3D打印技術(shù)出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代中期,麻省理工學(xué)院首獲3D印刷技術(shù)專(zhuān)利,2005年,市場(chǎng)上首個(gè)高清晰彩色3D打印機(jī)由美國(guó)zcorp公司研制成功。這項(xiàng)技術(shù)最突出的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需機(jī)械加工或任何模具,就能直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件,從而極大地縮短產(chǎn)品的研制周期,提高生產(chǎn)率,降低生產(chǎn)成本。
我國(guó)從20世紀(jì)90年代初開(kāi)始涉足3D打印技術(shù),華中科技大學(xué)、清華大學(xué)、西安交通大學(xué)自主開(kāi)發(fā)了3D打印設(shè)備并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。其中西安交通大學(xué)自主研發(fā)了三維打印機(jī)噴頭,并在光固化成型系統(tǒng)、成型材料等方面取得了突破性進(jìn)展,成型精度達(dá)到了0.2mm。
隨著社會(huì)進(jìn)步與科技發(fā)展,以信息技術(shù)與制造技術(shù)深度融合為特征的智能制造模式,正在引發(fā)整個(gè)制造業(yè)的深刻變革。3D打印是制造業(yè)有代表性的顛覆性技術(shù),實(shí)現(xiàn)了制造從等材、減材到增材的重大轉(zhuǎn)變,改變了傳統(tǒng)制造的理念和模式,具有重大價(jià)值。促進(jìn)中國(guó)制造水平,既要在改造傳統(tǒng)制造上“補(bǔ)課”,同時(shí)還要瞄準(zhǔn)世界產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展前沿。
帶著“制造業(yè)興國(guó)”的最初夢(mèng)想,盧秉恒院士在3D打印和先進(jìn)制造的路上已經(jīng)堅(jiān)持走了很久。1979年考上西安交大研究生之前,34歲的盧秉恒已經(jīng)在河南省三門(mén)峽中原量?jī)x廠車(chē)間工作了十多年,從技術(shù)員干到廠長(zhǎng),把一個(gè)原來(lái)沒(méi)有穩(wěn)定產(chǎn)品的企業(yè)搞得紅紅火火,年產(chǎn)值達(dá)100萬(wàn)元。直到如今,盧秉恒手上厚厚的老繭,還積淀著那段來(lái)自基層的記憶。正是來(lái)自基層一線(xiàn)的實(shí)踐,使盧秉恒對(duì)科技進(jìn)步有了更加深刻的理解與認(rèn)識(shí)。
盧秉恒院士被聘為錢(qián)學(xué)森實(shí)驗(yàn)室成立“太空制造院士工作室”太空探索實(shí)驗(yàn)室科學(xué)委員會(huì)主席
“我畢業(yè)以后就到工廠干了11年,改革開(kāi)放以后高校開(kāi)始招研究生了,我覺(jué)得這對(duì)我的人生是最后一次機(jī)會(huì),就想要抓緊再去進(jìn)修一下?!北R秉恒回憶道,因?yàn)楦母镩_(kāi)放后國(guó)家百?gòu)U待興,需要新的知識(shí),所以自己努力考了研究生,從碩士到博士,從工廠到高校,盧秉恒的知識(shí)不斷豐富,視野不斷開(kāi)闊,境界不斷提升,研究課題逐步接近高新科技的前沿,人生也進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。1992年,盧秉恒作為高級(jí)訪問(wèn)學(xué)者赴美考察,在參觀汽車(chē)模具企業(yè)時(shí),首次看到了快速成型技術(shù)在汽車(chē)制造業(yè)中的應(yīng)用,他敏銳地意識(shí)到這項(xiàng)新技術(shù)的先進(jìn)性?;貒?guó)調(diào)研發(fā)現(xiàn),國(guó)內(nèi)市場(chǎng)前景十分廣闊。他認(rèn)為西安交通大學(xué)完全有能力、有實(shí)力自主開(kāi)發(fā)這種設(shè)備,于是帶領(lǐng)幾位朝氣蓬勃的年輕教師和博士生在簡(jiǎn)陋的實(shí)驗(yàn)室里開(kāi)始了艱苦的研究歷程。作為學(xué)界專(zhuān)家,盧秉恒非常關(guān)注年輕人的培養(yǎng)?!艾F(xiàn)在很多前沿技術(shù)、先進(jìn)技術(shù),都已經(jīng)在我們的高校和科研機(jī)關(guān)研究和應(yīng)用了,比我當(dāng)初從工廠進(jìn)學(xué)校時(shí)強(qiáng)多了。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是,實(shí)踐特別重要。我做一些工程項(xiàng)目相比其他教授更得心應(yīng)手,就是因?yàn)槲以诠S干過(guò),知道問(wèn)題的要害在哪里,也能了解哪些事情能否做成,整個(gè)底線(xiàn)掌握比較清楚?,F(xiàn)在的研究生很多都是從學(xué)校門(mén)到學(xué)校門(mén),雖然他們計(jì)算機(jī)和外語(yǔ)能力都很棒,但是在涉及工程實(shí)際問(wèn)題上的能力就弱了,還需要鍛煉基本功。”從1993年就開(kāi)始研究3D打印的盧秉恒,已經(jīng)成為這一領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物。1995年9月,項(xiàng)目成果通過(guò)國(guó)家科委論證,首批獲得“九五”國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目250萬(wàn)元的資助。1997年底,盧秉恒團(tuán)隊(duì)提前完成了攻關(guān)任務(wù)。同時(shí),面對(duì)我國(guó)企業(yè)對(duì)先導(dǎo)性、經(jīng)濟(jì)性以及降低成本的要求,他們研究用紫外燈代替激光器,開(kāi)發(fā)了國(guó)際首創(chuàng)的紫外光快速成型機(jī),并實(shí)現(xiàn)了光固化快速成型機(jī)的產(chǎn)業(yè)化。
盧秉恒帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)陸續(xù)開(kāi)發(fā)出的激光快速成型機(jī)、紫外光快速成型機(jī)、真空澆注成型機(jī)等一系列快速成型與模具制造設(shè)備及光固化材料,已經(jīng)達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際先進(jìn)水平。他們的技術(shù)成果通過(guò)企業(yè)化運(yùn)作,在全國(guó)建立起創(chuàng)新服務(wù)平臺(tái)20多家,創(chuàng)新人才培養(yǎng)基地近10家,為2000多家企業(yè)源源不斷地提供新產(chǎn)品創(chuàng)新創(chuàng)意設(shè)計(jì)及快速制造服務(wù)。
制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè),是國(guó)家綜合實(shí)力的重要體現(xiàn)。改革開(kāi)放以來(lái),我國(guó)制造業(yè)發(fā)展迅速,目前已成為世界第一制造大國(guó)。但是,從單位GDP的能源消耗、環(huán)境代價(jià)來(lái)看,我國(guó)相當(dāng)于先進(jìn)國(guó)家的兩倍。只有向制造業(yè)高端的方向發(fā)展,才能改變大而不強(qiáng)的局面。為此,2015年5月,國(guó)務(wù)院發(fā)布《中國(guó)制造2025》,提出了通過(guò)“三步走”實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國(guó)的目標(biāo)。3D打印技術(shù)成為高層和業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)。
盧秉恒說(shuō),3D打印的優(yōu)勢(shì)在于快捷、精確、耗材少。傳統(tǒng)制造方法多是減材制造,即在整塊材料的基礎(chǔ)上去除多余部分,將剩下的部分制成產(chǎn)品,被去除的多余部分大多淪為工業(yè)廢料而被拋棄。3D打印是“按圖索驥”,用材料精確“噴”出每一層平面后再進(jìn)行累加,生產(chǎn)過(guò)程幾乎不會(huì)產(chǎn)生任何廢料。既可保證精準(zhǔn)、精細(xì),又能實(shí)現(xiàn)科學(xué)施工,做到優(yōu)質(zhì)高效。在航空航天領(lǐng)域,可以使材料利用率由5%提升至90%以上,制造周期由數(shù)月壓縮為幾天;概念飛機(jī)的設(shè)計(jì)可以減輕質(zhì)量的60%;生產(chǎn)新能源汽車(chē),可以把2萬(wàn)個(gè)零件集成為40個(gè)零件,6天打印完成,且減重1/3。與規(guī)?;a(chǎn)的商品不同,3D打印產(chǎn)品可以很容易地進(jìn)行量身定制。目前這一技術(shù)已廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、人類(lèi)健康、消費(fèi)品等領(lǐng)域。
盧秉恒做夢(mèng)也沒(méi)想到,他的講座竟然講到了國(guó)務(wù)院!
2015年8月21日下午,國(guó)務(wù)院第一會(huì)議室變成了一間臨時(shí)講座場(chǎng)所。主講者是來(lái)自西安交通大學(xué)的盧秉恒教授?!奥?tīng)眾”則是國(guó)務(wù)院總理、副總理、國(guó)務(wù)委員,以及各部部長(zhǎng),還有央企、金融機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)人。第一會(huì)議室平日里是召開(kāi)國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議、討論部署重大政策的地方。當(dāng)時(shí)以國(guó)務(wù)院名義組織專(zhuān)題講座,這還是首次。這堂“國(guó)課”進(jìn)行了40多分鐘,主講先進(jìn)制造與3D打印。
盧秉恒院士在3D打印大應(yīng)用前景論壇上發(fā)言
關(guān)于這次最高規(guī)格的講座,盧秉恒回憶道:其實(shí)早在(2015年)4月底就接到了國(guó)辦的通知,準(zhǔn)備期間,他三易講稿,又兩次邀請(qǐng)中國(guó)工程院院長(zhǎng)周濟(jì)提出修改意見(jiàn)。起初想主講3D打印,第二次修改時(shí)增加了裝備制造業(yè),國(guó)家發(fā)布“2025”計(jì)劃后,又增加了相關(guān)內(nèi)容,直到8月17日才最終確定講稿?!跋冗M(jìn)制造與3D打印”這個(gè)題目,是國(guó)務(wù)院領(lǐng)導(dǎo)親自選定的。這就意味著國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)非常重視“促進(jìn)中國(guó)制造業(yè)水平”,而這盤(pán)大棋的緊要處之一,就是要抓住世界產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì),改造傳統(tǒng)意義上的中國(guó)制造,3D打印正是這樣的尖端技術(shù)之一。之所以選擇盧秉恒,因?yàn)樗沁@一領(lǐng)域唯一的院士。
盧秉恒印象最深的是,講座期間總理兩次和他對(duì)話(huà):一次是講到以3D打印為代表的“增材制造”的時(shí)候,總理很感興趣。他講解到,鑄鍛焊在制造過(guò)程中重量基本不變,屬于“等材制造”,已有3000年歷史;隨著電動(dòng)機(jī)發(fā)明,車(chē)銑刨磨機(jī)床出現(xiàn),通過(guò)材料的切削去除達(dá)到設(shè)計(jì)形狀,稱(chēng)為“減材制造”,已有300年歷史;而以3D打印為代表的“增材制造”,1984年提出,1986年實(shí)現(xiàn)樣機(jī),才30年時(shí)間,是極有前景的制造技術(shù)。我國(guó)的3D打印相比國(guó)外,研究起步并不晚,某些方面還處于領(lǐng)先地位,但產(chǎn)業(yè)的發(fā)展太慢,企業(yè)規(guī)模不足,和國(guó)外相比,仍然有一個(gè)數(shù)量級(jí)(10的倍數(shù))差距。另一次是講到德國(guó)偏重“制造互聯(lián)網(wǎng)”,美國(guó)偏重“互聯(lián)網(wǎng)制造”時(shí),李克強(qiáng)總理馬上追問(wèn)道:“這兩者究竟有什么不同?請(qǐng)您詳細(xì)講一下?!北R秉恒在比較了中、德、美三國(guó)后,認(rèn)為德國(guó)的工業(yè)優(yōu)勢(shì)在于質(zhì)量過(guò)硬、基礎(chǔ)雄厚、工藝嚴(yán)謹(jǐn);美國(guó)的優(yōu)勢(shì)在于社會(huì)創(chuàng)新、高科技研發(fā)、集全球資源與精英;中國(guó)的優(yōu)勢(shì)則在于有比較完整的工業(yè)體系、內(nèi)需市場(chǎng)巨大、人力資源豐富。因此,他建議對(duì)美國(guó)和德國(guó)的優(yōu)勢(shì)要素都要合理地進(jìn)行吸收,補(bǔ)足中國(guó)制造業(yè)開(kāi)發(fā)能力弱的短板,讓互聯(lián)網(wǎng)帶動(dòng)制造業(yè)發(fā)展。他舉例說(shuō):在美國(guó)的創(chuàng)新群體中,三分之一在自家車(chē)庫(kù),三分之一在學(xué)校,三分之一在孵化器。其中極客和創(chuàng)客起到了很重要的作用。李克強(qiáng)總理聽(tīng)后,對(duì)大企業(yè)老總們說(shuō),“你們現(xiàn)在就是‘制造業(yè)’”。國(guó)務(wù)院副秘書(shū)長(zhǎng)江澤林站起來(lái)向與會(huì)者介紹說(shuō):“盧教授不是普通的教授,在科研之外還成立公司,幫扶地方發(fā)展,希望大家有機(jī)會(huì)去盧教授的實(shí)驗(yàn)室里看看?!痹瓉?lái)江澤林在陜西任副省長(zhǎng)期間曾主持周末講座,有一期就是盧秉恒主講3D打印。
“鑿井當(dāng)及泉,張帆當(dāng)濟(jì)川”。高端制造裝備是大國(guó)重器,戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展依賴(lài)于高端制造裝備的水平。無(wú)論大飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、新能源、生物醫(yī)療、新材料、海洋工程,還是約束核聚變、對(duì)地觀測(cè)、空間站等戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)及國(guó)家尖端科技,沒(méi)有自己的高端制造裝備,就只能亦步亦趨地跟隨發(fā)展、受制于人。實(shí)現(xiàn)中國(guó)制造由大變強(qiáng),必須走技術(shù)自主、結(jié)構(gòu)合理、高端制造裝備領(lǐng)先的大國(guó)制造之路。
“國(guó)講”之后,盧秉恒建議:應(yīng)該充分保護(hù)和利用我國(guó)巨大的需求,以市場(chǎng)需求支持裝備制造業(yè)發(fā)展。一個(gè)領(lǐng)域的需求就可能帶動(dòng)一個(gè)裝備制造領(lǐng)域的發(fā)展,如航空航天、汽車(chē)領(lǐng)域?qū)Ω邫n數(shù)控機(jī)床的需求。這就要求各項(xiàng)計(jì)劃、各個(gè)行業(yè)互動(dòng)協(xié)同發(fā)展,這是大國(guó)制造應(yīng)該認(rèn)真思考的問(wèn)題。在新產(chǎn)品研發(fā)時(shí),應(yīng)有針對(duì)性地開(kāi)展國(guó)產(chǎn)化制造裝備研發(fā),注重“第一罐奶粉”效應(yīng)。對(duì)于目前存在的共性技術(shù)缺乏問(wèn)題,需要?jiǎng)?chuàng)新思路進(jìn)行國(guó)家級(jí)創(chuàng)新中心建設(shè)。在這方面,可以借鑒德國(guó)、美國(guó)的做法。比如,始建于1949年的德國(guó)弗朗霍夫研究院是德國(guó)工業(yè)創(chuàng)新的策源地,他們的專(zhuān)業(yè)研究所就建在大學(xué)附近,由2到3名曾任企業(yè)高管的教授領(lǐng)軍,經(jīng)費(fèi)來(lái)源是政府資助、項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)及企業(yè)委托各占1/3,確保其研究代表先進(jìn)水平,滿(mǎn)足企業(yè)需求。正是研究機(jī)構(gòu)持之以恒的研究,成就了德國(guó)制造的精良。美國(guó)為了把基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)化技術(shù)更好地連接起來(lái),啟動(dòng)了制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃,由NIST(美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)院)牽頭,收集社會(huì)建議與組織評(píng)審后逐步推進(jìn)建設(shè),目前已建有增材制造、輕量化、數(shù)字化設(shè)計(jì)制造等制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)。其特點(diǎn)是快速組建創(chuàng)新鏈,實(shí)現(xiàn)最優(yōu)資源組合,實(shí)行網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)行,重視創(chuàng)新工藝與標(biāo)準(zhǔn)研究等。
“泉州信息工程學(xué)院盧秉恒院士工作站”揭牌儀式在泉州信息工程學(xué)院舉行
盧秉恒清楚地記得,李克強(qiáng)總理曾強(qiáng)調(diào)指出,要順應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)和產(chǎn)業(yè)變革新趨勢(shì),打造中國(guó)新優(yōu)勢(shì)。互聯(lián)網(wǎng)+先進(jìn)制造業(yè)+現(xiàn)代服務(wù)業(yè),可以成就制造業(yè)美好的未來(lái)。制造業(yè)可能的前景是:一半以上的制造為個(gè)性化及定制,一半以上的價(jià)值由創(chuàng)新設(shè)計(jì)體現(xiàn),一半以上的企業(yè)業(yè)務(wù)由眾包完成,一半以上的創(chuàng)新研發(fā)為極客創(chuàng)客實(shí)現(xiàn)。事實(shí)證明,每個(gè)人都有創(chuàng)新欲望,但以前創(chuàng)新的驗(yàn)證成本很高,一個(gè)設(shè)想從設(shè)計(jì)到成為現(xiàn)實(shí)很難,但3D打印給普通人這種可能,為“大眾創(chuàng)業(yè),萬(wàn)眾創(chuàng)新”提供了技術(shù)支持。3D打印技術(shù)的維度和用處很寬,比如說(shuō)可以打印一件首飾、一個(gè)小模具,也可以打印一個(gè)大型飛機(jī)部件,甚至現(xiàn)有的技術(shù)可以打印活的人骨和皮膚?!拔覈?guó)已成為制造業(yè)大國(guó),現(xiàn)在必須走向制造業(yè)的高端,成為制造業(yè)強(qiáng)國(guó)。制造技術(shù)創(chuàng)新,不但需要理論素養(yǎng),更需要工程實(shí)踐能力與堅(jiān)持的韌性?!北R秉恒深有感觸地說(shuō)。
上圖:盧秉恒院士在2019IAME中國(guó)(西安)國(guó)際3D打印博覽會(huì)上發(fā)言下圖:第二屆“太空3D打印”中德研討會(huì)在德國(guó)柏林召開(kāi),盧秉恒院士受邀參加
特別值得一提的是,2020年5月5日,長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭成功將搭載的新一代載人飛船試驗(yàn)船送入預(yù)定軌道,空間站階段飛行任務(wù)首戰(zhàn)告捷。在此次新一代載人飛船上還搭載了一件完全由我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的新型裝備——“連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料太空3D打印裝備”,這是我國(guó)首次太空3D打印實(shí)驗(yàn),也是國(guó)際上第一次在太空中開(kāi)展連續(xù)纖維復(fù)合材料的3D打印實(shí)驗(yàn)。這臺(tái)具有里程碑意義的裝備就是由西安交大科研團(tuán)隊(duì)與中國(guó)航天科工集團(tuán)五院共同研制而成。在盧秉恒院士的支持下,機(jī)械學(xué)院李滌塵、田小永教授在2014年就創(chuàng)新性地提出了基于連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的3D打印技術(shù),是國(guó)內(nèi)最早從事連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印技術(shù)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)。
和世界先進(jìn)國(guó)家相比,我們已不是最早出發(fā)的人。但在這個(gè)崇尚創(chuàng)新與創(chuàng)造的時(shí)代,我們?nèi)匀豢梢蚤_(kāi)辟出一方新的天地!