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十年冷板凳 “3D打印”智造梦

文章来源:网络人气:3677发表时间:2018-10-22 18:07:15

原标题:十年冷板凳 “打印”智造梦

金属3D打印机

3D打印出来的金属件以及相关的证书。



杨永强
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奋斗者


  杨永强


  华南理工大学教授,博士生导师。1982年、1987年、1993年先后在天津大学机械系获学士、硕士和博士学位。现任中国机械工程学会增材制造分会常务理事兼设计专委会主任、中国3D打印技术联盟副理事长、广东省增材制造(3D打印)协会会长、广东省3D打印标准化委员会主任、广东省激光行业协会监事长、美国激光协会(LIA)高级会员等。杨永强教授在增材制造(3D打印)、激光材料加工、焊接装备与工艺等方面做了大量的研究工作,成功研制出国内第一台激光选区熔化(SLM)快速成型机,实现了金属零件的直接快速成型制造,并将数字化、网络化、个性化、定制化为特点的金属3D打印技术应用在医学领域中。


  2013年以来承担包括科技部国际合作项目、国家自然基金、广东省重大专项等项目30多项。发表有关学术论文260余篇,SCI索引150余篇。授权中国、美国、德国发明专利44件,实用新型专利100余件。


  可使材料达到1000多摄氏度高温的激光束,瞬间熔化金属粉末并使其快速凝固。在计算机驱动程序控制下,这一熔化凝固的过程以令人目眩的速度快速重复——一个精确的人工骨骼植入体就这样逐步成型。


  在国内首家国家级3D打印孵化基地——广州3D打印产业园内,来自华南理工大学的杨永强教授目不转睛地观测着工作车间中一台金属3D打印机的调试过程。


  在以他为首的技术骨干人员不懈努力下,首批18台金属3D打印机已经生产出来,正进行调试。不分平日和周末,只要一有空,杨永强就会来到3D产业园,与企业骨干探讨如何将金属3D打印机工艺进一步提高。作为国内金属3D打印领军人物,他希望将金属3D打印尽早产业化,而这条路对于他来说,已经走了十年。


  金属3D打印团队技术处于国内领先地位


  在杨永强的眼前,一台金属3D打印机正在飞快工作着。3立方厘米大小的模型被机器电脑虚拟“分切”成1000层。


  “我们的打印精度非常高,只需2小时就可打印完。”这个数据让杨永强很自豪。他告诉记者,这台机器的工作精准度是以微米(千分之一毫米)来计算:能以最小20微米的精准度,由点到线、由线到面和由面到型塑造各种复杂零件。


  “从金属牙冠、固定桥、植入体到珠宝首饰、异形零部件、航空航天配件……通通都可以通过这种金属3D打印机制造出来。”杨永强告诉记者,目前华南理工大学研发团队已经为多家临床医院提供3D打印制造的医疗设备,包括外科手术导板、髋骨接骨板等植入体,已经成功完成了几十例临床试用,取得了突破性的成功,减少了手术量,加快了病患的痊愈。


  “3D打印正在快速改变我们的传统生产方式和生活方式,3D打印技术作为一项将要改变世界的技术,带动新一轮的科技革命和产业革命。国内外企业和研究机构利用3D打印技术不仅打印出了飞机、导弹、卫星、载人飞船的零部件,还打印出了发动机、无人机、微型卫星整机。”杨永强教授告诉记者。


  如果说3D打印是“一项将要改变世界的技术”,那么激光选区熔化金属3D打印就是位列3D打印产业“塔尖”的最尖端技术。华南理工大学是国内最早系统研究激光选区熔化金属3D打印装备、工艺和应用技术的科研机构,被誉为金属3D打印的“黄埔军校”。其学术带头人杨永强教授率领团队研发出了国内第一台激光选区熔化金属3D打印机、全球首款3D打印直接制造正畸舌侧托槽产品,把金属3D打印技术输送到全国,孵化出多家有市场竞争力的3D打印设备和应用企业。


  杨永强所在的广州雷佳核心团队和技术来自华南理工大学,在LaserAdd系列工业级金属3D打印机有多年的技术积累,已开发出世界先进水平的高精度金属3D打印机。落户产业园仅一年半,雷佳增材就开发了6个型号的机器,预计2018年销售额过千万元,其发展速度被视为业内一个神话。


  “华工的金属3D打印技术团队在国内领先。”杨永强告诉记者,清华大学、西安交通大学和华中科技大学是我国FDM、SLA和SLS等3D打印技术的源头,为我国3D打印技术产业作出了卓越的贡献。记者了解到,杨永强教授以其超前眼光和不懈努力成为我国最早和系统开展SLM金属3D打印设备、工艺和应用技术研究的第四支技术团队。


  以杨永强为首研发的3D打印舌侧托槽制造方法,获得了德国和美国的发明专利,处于世界领先地位,并获得了中国、美国、欧盟和俄罗斯的医疗许可,实现了产业化,产生了巨大的经济效益。


  技术推广一度碰壁十年冷板凳终迎突破成果


  创新从来不会一蹴而就,从技术成型到产业化绝不会一帆风顺。杨永强告诉记者,他曾经为研发、改善技术坐过十年冷板凳。


  31年前,杨永强在硕士研究生毕业后,敏锐地选择了激光加工技术作为研究工作的内容和方向,“当时激光属于前沿技术,中国的激光加工技术水平还比较落后,国家存在人才断层。我非常看好这一技术发展,研究工作一做就是十几年。”


  “从2002年开始,得益于多年激光熔覆表面改性技术研究的经验积累,我萌生了把单层熔覆制造涂层的技术拓展到多层堆积成型的想法,于是我开始了铺粉激光选区熔化技术的探索。”


  他表示,金属3D打印产业的技术进步、取得的成绩离不开政府、高校的支持。


  怀揣着制造强国的梦想,2002年9月,杨永强开始为激光选区熔化快速成型技术研究做准备,却因为缺乏经费一筹莫展。


  当时金属3D打印机被国外巨头垄断,一台机器500万元。在他为此困扰的时候,政府、学校的科研经费帮了杨永强大忙。在筹措经费的时候,广东省科技厅给了他20万元科技攻关专项资金,华南理工大学则给了20万元苗子工程资金。这40万元就成为了杨永强研发金属3D打印机的启动资金。


  不久之后,杨永强找到了北京一家企业,希望与这家企业合作,通过共享技术加上40万元启动资金,让该企业帮助他将设计好的金属3D打印设备组装出来。该企业拿出一台报废的旧设备进行改造,杨永强拿出40万元科研经费用来购置关键的核心部件。2004年4月,国内第一台激光选区熔化快速成型机终于诞生了。


  有了第一台金属3D打印机,杨永强开始了产业化之路。


  2004年8月,杨永强来到了东莞长安,逐个对当地的模具专业镇进行3D打印的推广。但现实给他浇了一盆冷水。


  “当时我们的技术有限,软件、硬件都不成熟,模具行业厂家都不认可,他们将数控机床的优势与金属3D打印的劣势进行对比:尺寸精度不够、表面高精度不高,甚至打印的金属零件致密度和强度也不够高。”但是杨永强却没有放弃,依然潜心研究金属3D打印在其他行业的应用:“即使是冷板凳,也要坐下去。我不怕再多坐几年,没想到一坐就是十年。”


  这十年里,杨永强对金属3D打印技术研究的步伐从未停止。2005年后,国外开始将光纤激光应用到了3D打印设备上,与此同时,杨永强也获得了广州市科信局(科创委)的粤港招标项目支持,购买了当时售价40多万元的200W光纤激光器,开发出了以光纤激光为光源的金属3D打印设备Dimetal-280。2007年,他考虑把产业化与医学、珠宝等产业相结合,推出了Dimatal系列金属3D打印机。2012年开始与北京大学第三医院合作进行个性化膝关节假体的3D打印技术研究,取得了突破性成果,授权了20多项专利,预计未来1~2年取得三类医疗器械许可证,在北医三院等医院进行推广应用。


  2012年,3D打印产业终于迎来了产业的大发展期。“发展特别迅速,尤其是2015年-2016年,3D打印企业遍地开花,金属3D打印规模随着工业和口腔医学应用的落地开始快速发展,年增速在20%~30%。”


  据美国专门从事3D打印行业调研的Wholers Report发布的年度报告显示,2017年全球金属3D打印机销量仅1700多台。买方主要集中在高校、科研机构、医疗机构等。“3D打印起步仅30年,尤其在金属3D打印领域,未来10年将处于快速上升期。目前我们与世界巨头处于同一起跑线上,可以与巨头并跑甚至领跑。”杨永强表示。


  弘扬民族精神、奋斗精神


  对于取得的成就


  他喜欢谈“团队”


  虽然身为金属3D打印界的翘楚,杨永强却很少谈自己,他一直说:“我们是一个团队,这是团队集体力量的结晶。”华南理工大学金属3D打印团队在过去十六年间,申请了超过260项专利,授权的发明专利40件、实用新型专利99件、多项软件版权和外观专利,是国内金属3D打印领域中知识产权最多、布局最完整的团队。“大家都说华工算得上中国金属3D打印界‘黄埔军校’,国内很多家领先企业的技术源头都来自这里。”杨永强说。


  奋斗底色


  广东大力支持3D打印发展


  推动本土医疗器械产业升级


  据美国专门从事3D打印行业调研的Wholers Report发布的年度报告显示,到2018年,全球3D打印市场规模将达到125亿美元,比2014年翻4倍。


  展望未来,随着技术体系的逐步完善、应用领域的加速拓展以及产业链的不断形成,全球3D打印市场可能进一步迎来爆发式增长。


  2017年11月30日,工业和信息化部、发展改革委、教育部、公安部、财政部、商务部、文化部、国家卫生计生委、国资委、海关总署、质检总局、知识产权局等十二部门发布关于印发《增材制造产业发展行动计划(2017-2020年)》的通知,按照计划,到2020年,增材制造产业年销售收入将超过200亿元,年均增速在30%以上。


  广东处于改革开放的前沿,广东省、广州市对于3D打印产业支持力度在国内居于前列,助推金属3D打印的发展。据介绍,在广州,创业领军团队最高可以获得3000万元的支持。


  根据《加快广东省3D打印技术和应用产业发展实施方案》,广东省2014-2016年已连续三年投入广东省重大专项——3D打印专项1.5亿元以上,2017-2018年继续保持支持力度。目前我国正通过成本优势和技术提升,推动本土医疗器械产业逐步向价值链上游高端医疗器械领域转移。广东省在医疗器械领域的发展水平在国内一直占据前列,未来在3D打印医疗市场方面,特别是骨科植入体方面有较大的发展空间。


  大事记:


  2013年——科技部公布的最新《国家高技术研究发展计划(863计划)、国家科技支撑计划制造领域2014年度备选项目征集指南》,首次将3D打印产业纳入其中。


  2016年——世界首个金属3D打印人体植入物——人工椎体诞生并获CFDA注册批准,标志着在3D打印植入物领域,我国已居世界领先水平,中国制造将造福更多患者。


  同年,我国首台由中科院重庆绿色智能技术研究院和中科院空间应用工程技术中心共同研制的空间3D打印机,在法国波尔多成功完成了抛物线失重飞行试验,能够在微重环境下完成3D打印。


  2018年5月17日——在天津举行的第二届世界智能大会上,中国航天科技集团公司五院副院长李明透露:在轨空间3D打印试验将在明年(2019年)开展。


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