“大家應(yīng)該都聽(tīng)過(guò)《神筆馬良》的故事”,受邀在深圳大學(xué)“名師進(jìn)中學(xué)”活動(dòng)中針對(duì)3D打印技術(shù)進(jìn)行科普講座的陳張偉教授常常用這個(gè)聽(tīng)眾耳熟能詳?shù)墓适伦鳛殚_(kāi)場(chǎng),從而使聽(tīng)眾對(duì)3D打印技術(shù)的理解能夠更加的具象化。
“也許神筆馬良故事中的所畫(huà)即所得,比如畫(huà)一只馬就能得到一只活馬,正是我們3D打印研究的終極目標(biāo)——所打即所得”。講座的末了,陳張偉總會(huì)以一句“以夢(mèng)為馬,3D打印助(祝)你夢(mèng)想成真!”作為結(jié)束語(yǔ)憧憬3D打印并為在場(chǎng)的聽(tīng)眾送去美好的祝福。
3D打印技術(shù)可以用來(lái)干什么?
有人用它打印桌面的玩具,讓玩具更加個(gè)性化,并實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的結(jié)構(gòu)成型。
有人用它打印出火箭的關(guān)鍵部件,使其比傳統(tǒng)制造的零部件更小,并在60天內(nèi)讓火箭完成從“一堆原材料”到“登上發(fā)射臺(tái)”的變身。
深圳大學(xué)85后教授陳張偉則有著“不一樣”的想法,他和同事們一起把3D打印技術(shù)用在核聚變領(lǐng)域,通過(guò)對(duì)聚變堆核心部件——產(chǎn)氚陶瓷單元結(jié)構(gòu)的改變,使其能夠具有更加優(yōu)異的性能,從而更有利于核聚變所需的重要元素氚的獲取。
增材制造研究所成員集體照
不僅如此,他將“不一樣”的想法付諸更多的研究,畢業(yè)于英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)的他目前擔(dān)任深圳大學(xué)增材制造研究所執(zhí)行所長(zhǎng),帶領(lǐng)著團(tuán)隊(duì)在3D打印的創(chuàng)新型應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行更加深遠(yuǎn)的探索。
3D打印與核聚變的奇妙“碰撞”
實(shí)際上,國(guó)際相關(guān)公司在3D打印的創(chuàng)新型探索也給了陳張偉一定的啟發(fā)。
美國(guó)GE公司,作為3D打印應(yīng)用在航空工業(yè)中“第一個(gè)吃螃蟹”的公司,采用3D打印技術(shù)制造飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴嘴,結(jié)果將傳統(tǒng)工藝的20多個(gè)零件變成了3D打印的1個(gè)零件,不但大大降低了噴嘴的制造周期和成本,其燃燒效率也得到大幅提升。
“3D打印最大的優(yōu)勢(shì)是可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的一體化設(shè)計(jì)與成型,突破傳統(tǒng)制造工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn)的精密復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造的限制?!?/p>
陳張偉與3D打印的不解之緣,從2007年開(kāi)始在西安交通大學(xué)攻讀碩士期間就已經(jīng)結(jié)下。2010年,陳張偉前往英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)從事陶瓷材料相關(guān)專業(yè)的博士及博士后深造,他打算進(jìn)一步嘗試將陶瓷與3D打印技術(shù)進(jìn)行結(jié)合。
陳張偉在日本沖繩環(huán)太平洋陶瓷大會(huì)上與陶瓷權(quán)威Colombo院士合影
陶瓷材料種類繁多,應(yīng)用領(lǐng)域也較廣,經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)或反應(yīng)燒結(jié)等處理后,可形成結(jié)構(gòu)件、功能件、結(jié)構(gòu)功能一體化件等部件,這些屬性給了陳張偉研究陶瓷3D打印更多的靈感。
在深圳大學(xué)增材制造研究所勞長(zhǎng)石所長(zhǎng)的支持下,研究所團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中核工業(yè)西南物理研究院的聚變堆專家,開(kāi)辟了一條陶瓷3D打印的應(yīng)用新思路——應(yīng)用于核聚變領(lǐng)域的核心產(chǎn)氚裝置。
上世紀(jì)50年代開(kāi)始,為解決能源危機(jī),人類發(fā)展并建立了核電站。
眾所周知,核裂變是當(dāng)前核電站發(fā)電的主要選擇,但核裂變發(fā)電需要的核燃料資源有限,而且會(huì)產(chǎn)生放射性核燃料廢物,存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。為了規(guī)避這一問(wèn)題,科學(xué)家們將目光投向核聚變,核聚變發(fā)電不產(chǎn)生放射性廢物,而且獲得的能量更大。但由于人類至今無(wú)法控制核聚變的整個(gè)過(guò)程,核聚變也因此一直未能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。
不過(guò),隨著核技術(shù)日漸成熟,可控核聚變反應(yīng)堆或?qū)槿祟愒丛床粩嗟靥峁┣鍧嵞茉础?/p>
核聚變發(fā)電的原理是通過(guò)氫的同位素氘和氚在高溫高壓條件下產(chǎn)生聚變反應(yīng),并釋放大量熱能導(dǎo)入水中,通過(guò)水蒸氣推動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電。如此看來(lái),在核聚變堆中,產(chǎn)氚材料作為一種重要的功能材料,在聚變氚燃料循環(huán)中起著極其關(guān)鍵的作用。
據(jù)陳張偉介紹,氘可以通過(guò)對(duì)海水的處理獲得,但氚在自然界中并不直接存在,只能通過(guò)人為制備,采用鋰陶瓷等與氦氣發(fā)生催化反應(yīng)制得。但如何讓兩者盡可能充分地接觸,從而產(chǎn)生更加高效的反應(yīng),這考驗(yàn)科學(xué)家的智慧。
傳統(tǒng)的辦法是將正硅酸鋰等鋰陶瓷制造成一毫米左右的微球,在特定的高溫高壓條件下通過(guò)堆疊在一起形成球床結(jié)構(gòu),讓氦氣通過(guò)球床結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)生反應(yīng)。但球床接觸容易造成應(yīng)力集中,從而導(dǎo)致微球開(kāi)裂和破損,影響球床結(jié)構(gòu)的壽命。此外球體的堆積體積占比存在物理極限,使得實(shí)體與孔的比例無(wú)法自由調(diào)節(jié),限制了產(chǎn)氚效率的調(diào)控與提升。
他們發(fā)現(xiàn)這一問(wèn)題后,嘗試采用3D打印正硅酸鋰的方式來(lái)制造更加合理的結(jié)構(gòu),其團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出蜂窩和點(diǎn)陣的結(jié)構(gòu)可以大范圍調(diào)整孔洞的比例和大小,從而使得氦氣得以通過(guò)這些孔洞時(shí)充分反應(yīng)。此外,一體化的結(jié)構(gòu)也使得其力學(xué)性能得到大幅提升。
目前,陳張偉團(tuán)隊(duì)采用光固化3D打印出產(chǎn)氚陶瓷單元樣品正在做核聚變領(lǐng)域的測(cè)試。這是全球首例采用3D打印的方法制造的這種新型產(chǎn)氚結(jié)構(gòu),團(tuán)隊(duì)也基于此發(fā)表了高水平學(xué)術(shù)論文,成果更是獲得了國(guó)內(nèi)外媒體的報(bào)道。
研究成果獲得媒體報(bào)道
“雖然它在整個(gè)核聚變系統(tǒng)工程中只是一丁點(diǎn)的貢獻(xiàn),但核聚變本身對(duì)國(guó)計(jì)民生而言具有很重要的意義,從這個(gè)角度而言,3D打印產(chǎn)氚陶瓷也顯得意義非凡?!?/p>
聚焦創(chuàng)新型研究
產(chǎn)氚陶瓷的一體化3D打印制造具有重要的意義和價(jià)值,這也更加堅(jiān)定了他們?cè)谔沾?D打印創(chuàng)新型應(yīng)用領(lǐng)域的探索決心。
“對(duì)于3D打印,我認(rèn)為與其說(shuō)它是對(duì)傳統(tǒng)制造的顛覆,不如說(shuō)更多的是對(duì)傳統(tǒng)制造的補(bǔ)充?!标悘垈フJ(rèn)為,3D打印的出現(xiàn)目前來(lái)說(shuō)還沒(méi)有辦法完全取代傳統(tǒng)制造,而是可以通過(guò)充分利用其優(yōu)勢(shì)來(lái)進(jìn)行傳統(tǒng)方法無(wú)法完成的制造任務(wù),從而進(jìn)行更多的創(chuàng)新應(yīng)用。
2016年,陳張偉加入深圳大學(xué)增材制造研究所,并于2018年成為該所的執(zhí)行所長(zhǎng),該研究所目前由5名老師、7名博士后和50多名碩士組成,這支年輕隊(duì)伍的共同研究目標(biāo)之一,就包括了3D打印的創(chuàng)新型應(yīng)用?!耙皇撬伎家延械牧悴考芊裼?D打印的方式去實(shí)現(xiàn)制造,從而獲得更高性能;亦或針對(duì)某些新型應(yīng)用,考慮直接采用3D打印制造新型零部件。后者從無(wú)到有難度更大?!?/p>
深圳大學(xué)增材制造研究所實(shí)驗(yàn)室一角
陶瓷材料具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨、耐氧化等獨(dú)特屬性,如同3D打印產(chǎn)氚陶瓷一般,陶瓷材料可以打印成結(jié)構(gòu)件、功能件及結(jié)構(gòu)功能一體化的部件。陳張偉團(tuán)隊(duì)看到了其在醫(yī)療、航空航天、機(jī)械電子、能源環(huán)保等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價(jià)值。
“它在電子通信行業(yè)上有很大的體量。”看好陶瓷材料在通訊方面發(fā)展前景的陳張偉,正帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)與某知名通信公司合作研發(fā)具有高度復(fù)雜結(jié)構(gòu)的先進(jìn)天線組件。
在能源環(huán)保方面,他正設(shè)想將3D打印用于制造汽車(chē)尾氣凈化器。該器件傳統(tǒng)的制造方法是模具加工,其擠出管道多為平行無(wú)交叉、內(nèi)部結(jié)構(gòu)單一的,而采用3D打印可制造出具有更優(yōu)異性能的復(fù)雜結(jié)構(gòu)管道?!霸谠O(shè)計(jì)階段,就可以先進(jìn)行結(jié)構(gòu)和性能仿真,根據(jù)仿真的結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),設(shè)置孔洞結(jié)構(gòu)的大小和排布密度,有助于提高催化效率和結(jié)構(gòu)使用性能,這就是3D打印在這個(gè)領(lǐng)域可以創(chuàng)新的地方?!?/p>
同時(shí),其團(tuán)隊(duì)也在探索噴墨打印和擠出直寫(xiě)等3D打印工藝在新能源器件宏微觀組件制造方面的應(yīng)用。特別是針對(duì)跨尺度結(jié)構(gòu)3D打印獨(dú)有的自由調(diào)控優(yōu)勢(shì)則能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)器件性能的大幅提升提供必要條件。
在生物醫(yī)療方面,由于陶瓷材料在人體內(nèi)具有類人骨和可降解的優(yōu)勢(shì),早在10多年前,陳張偉所在的西安交通大學(xué)課題組就開(kāi)始用3D打印的方法做骨科領(lǐng)域的細(xì)胞培養(yǎng)和植入。
此外,目前深圳大學(xué)增材制造研究所團(tuán)隊(duì)在航空航天方面也正在開(kāi)展基于陶瓷3D打印的微波屏蔽裝置、微型燃燒室等部件的研發(fā)工作。
德國(guó)Fraunhofer激光研究所所長(zhǎng)Poprawe院士到訪增材制造所
對(duì)于陳張偉而言,高校和企業(yè)在科研產(chǎn)出和目標(biāo)上有交集但更多的還是較大差異。目前來(lái)說(shuō),大部分企業(yè)更關(guān)心的是盡可能在短時(shí)間內(nèi)滿足市場(chǎng)需求的產(chǎn)品研發(fā)與上市并獲得利潤(rùn)創(chuàng)收,而高??蒲幸话愀嗟氖窍M軌蛟诶碚撆c技術(shù)方面做更加基礎(chǔ)性的和前沿性的創(chuàng)新研究。“有時(shí)候不見(jiàn)得短期內(nèi)就有效果,所以需要耐得住寂寞甘坐冷板凳,希望做一些對(duì)人類社會(huì)有深層價(jià)值和影響的研究。當(dāng)然,有時(shí)候也會(huì)受到社會(huì)環(huán)境的影響,需要去面對(duì)和適應(yīng)?!?/p>
在對(duì)某一領(lǐng)域進(jìn)行陶瓷3D打印的創(chuàng)新型應(yīng)用研究之前,陳張偉通常會(huì)列出5個(gè)問(wèn)題進(jìn)行評(píng)估:能不能用3D打印做?用3D打印做具有什么優(yōu)勢(shì)?3D打印工藝能夠彌補(bǔ)什么不足?3D打印制造的效果如何?采用3D打印是否會(huì)比傳統(tǒng)工藝更好?
如產(chǎn)氚陶瓷、催化劑載體等產(chǎn)品,3D打印技術(shù)的引入使得其在結(jié)構(gòu)的調(diào)控、設(shè)計(jì)制造周期和性能等方面都表現(xiàn)出較大的優(yōu)勢(shì),這便符合陳張偉對(duì)于3D打印的創(chuàng)新型應(yīng)用的評(píng)估條件。
“沒(méi)有核心技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化意義不大”
二十多年前,中國(guó)就邁入3D打印領(lǐng)域,發(fā)展速度極快。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示,2015-2017年這3年間,中國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模實(shí)現(xiàn)了翻倍增長(zhǎng),年均增速超過(guò)25%。
數(shù)字看似亮眼,但陳張偉對(duì)中國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展卻有另外的理解。
實(shí)際上,3D打印并不是一個(gè)單純的制造過(guò)程,它是材料、物理、化學(xué)、機(jī)械、計(jì)算機(jī)甚至光學(xué)等多學(xué)科的交叉。作為國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展陶瓷3D打印研究的人員之一,陳張偉從2007年在西安交大讀研開(kāi)始,就跟隨國(guó)內(nèi)知名3D打印學(xué)者李滌塵教授從事陶瓷光固化3D打印的研究,并且與波音公司開(kāi)展了陶瓷鑄型的3D打印與應(yīng)用探索。隨著研究過(guò)程的深入,陳張偉發(fā)現(xiàn)已有的知識(shí)儲(chǔ)備顯得捉襟見(jiàn)肘?!皩W(xué)科交叉很明顯,那個(gè)時(shí)候作為機(jī)械專業(yè)碩士生的我,經(jīng)常需要去鉆研材料學(xué)或者化學(xué)的基礎(chǔ)理論知識(shí)?!?/p>
在英國(guó)留學(xué)期間,陳張偉也開(kāi)始進(jìn)一步思考3D打印與陶瓷材料制造的結(jié)合與應(yīng)用的更多可能,從材料的制備,到裝備的搭建再到應(yīng)用研究,多年摸索讓他對(duì)3D打印的全鏈條研發(fā)有了更深刻的認(rèn)識(shí)。
時(shí)至今日,他更加確信,要想做好3D打印,必須要對(duì)材料、結(jié)構(gòu)、設(shè)備、工藝等各個(gè)環(huán)節(jié)都顧及到。
以設(shè)備為例,盡管眼下國(guó)內(nèi)3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度較快,但國(guó)產(chǎn)高端打印設(shè)備的核心部件還是擺脫不了進(jìn)口的命運(yùn)。例如在陶瓷光固化3D打印行業(yè),目前普遍使用的面曝光DLP光固化陶瓷打印機(jī)多被美國(guó)德州儀器TI公司開(kāi)發(fā)的DMD芯片壟斷。
相對(duì)而言,國(guó)外部分知名廠商出品的打印設(shè)備價(jià)格較高,但其技術(shù)集成度和成熟度方面有比較明顯的優(yōu)勢(shì);國(guó)產(chǎn)設(shè)備的特點(diǎn)則是價(jià)格相對(duì)較低、售后反應(yīng)較靈活、二次開(kāi)發(fā)和擴(kuò)展性較高。在經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下,人們傾向于采購(gòu)進(jìn)口設(shè)備。
“總體而言,國(guó)產(chǎn)設(shè)備的大部分核心技術(shù),即陶瓷SL或DLP成型原理大都沿用國(guó)外專利,或在此基礎(chǔ)上做部分改進(jìn)。因此對(duì)于國(guó)內(nèi)廠商來(lái)說(shuō),從跟跑到領(lǐng)跑,實(shí)現(xiàn)核心技術(shù)原創(chuàng)性自主研發(fā)和跨越式競(jìng)爭(zhēng)任重道遠(yuǎn)?!标悘垈ピ谄渥钚掳l(fā)表的一篇關(guān)于陶瓷光固化3D打印技術(shù)的論文中如是寫(xiě)道。
“在高端裝備與應(yīng)用領(lǐng)域,如果沒(méi)有核心技術(shù)掌握在自己手里,誰(shuí)都能做,就沒(méi)有什么產(chǎn)業(yè)化的意義了?!?陳張偉認(rèn)為,如同打印設(shè)備的激烈競(jìng)爭(zhēng)局面一樣,簡(jiǎn)單的3D打印產(chǎn)品雖然容易產(chǎn)業(yè)化,但做的人也多,如果不掌握核心技術(shù),具備特色競(jìng)爭(zhēng)力,那么很快就會(huì)在行業(yè)洗牌中被淘汰。
現(xiàn)在其團(tuán)隊(duì)正在做的更多的是前沿領(lǐng)域的科研探索。雖然一些成果距離產(chǎn)業(yè)化仍有一定距離,但陳張偉仍信心滿滿。目前他的團(tuán)隊(duì)仍在招兵買(mǎi)馬,“要做強(qiáng)3D打印產(chǎn)業(yè),需要更多的人才加入到3D打印領(lǐng)域,從材料、設(shè)備的核心部件,到創(chuàng)新應(yīng)用等等,多管齊下共同來(lái)努力推進(jìn)。以夢(mèng)為馬,總有夢(mèng)想成真的一天。”
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