人物专访刘忠军 专访:千人计划专家3D打印研讨会张文武教授

    2016年10月22日,第三届“千人计划”专家研讨会在合肥盛大开幕。当天下午,各个领域的“千人”专家共聚一堂,各自分享了自己的最新研究和发现,并展开了热烈的讨论,其中许多内容均与3D打印相关。天工社有幸对中科院宁波工研院所先进制造所副所长张文武教授进行了采访,以下是采访内容:

记者:您能介绍一下自己在3D打印方面的研究吗?

张文武教授(以下简称张教授):上大学时,我认为当时的制造工艺太繁琐,想象着也许有一天产品能像苹果树结苹果那样被制造出来。随着研究的深入,我觉得应该采用能量场的方式来实现三维制造,而能量场要用数字化方式来控制。

为此,我提出了 “能量场发生器”的概念,在这样的发生器中,我们能对材料进行调制并改变其性质,而这样就有可能实现我曾经的想象。毕业前后(1922年之前),我写了一篇题为《虚模具三维制造》的论文,从更广泛的范围上进行了思考,并将三维制造发展为能量场三维制造。

1995年前后,我研究的是具体的三维打印工艺。出国后,暂时中断了这方面的研究而转向了激光能量场,并对其进行了非常深入的研究,期间涉及的是非增材工艺。

记者:这个能量场是指什么?

张教授:从广义上讲,力、声、光、电、热、磁都可以是一种能量场,甚至物质,如我们坐的椅子,以及人本身、材料、智能也是一种能量场,它并不局限于激光或者电子束。

大自然融合了各种能量场,并且被智能驱动着,万物就在这样的驱动之下生长起来。这种生长方法非常值得人类借鉴,而这也是为什么人类一直在仿生的原因。因此,我称三维打印为多维仿生增益的低级阶段。多维是指把智能和信息镶嵌进去,如我做了一个结构,它本身就蕴藏智能,而三维里面也蕴含了多维。

增材本质上就是增益,即增加功能密度、强度,就看谁能进行最精益的增益。增益这个趋势一直没变,人类一直在向大自然学习,其边界超不出自然界或宇宙法则的约束。

我现在正在推动多能场融合制造,与复合制造不同的是,这是一个众场平等的概念,大家都是工程优化和解决工程矛盾的自由度,并无主次之分。从方法上讲,我正在研究多能场融合的方法论,即“智能能量场制造”。从工艺上讲,我正在加紧研究融合制造,即将信息场、物质场、能量场这三个自由度融合在一起,然后在此基础上进行精益化。

新工业革命不仅是制造革命,能源、信息、技术革命,上面必须有新人文革命。即社会组织形态会变化,工厂会发生颠覆性改变,因智能标准化的程度极高以及全球化通道。

记者:您认为增材制造对工厂的组织、管理和生产系统会产生怎样的影响?

张教授:3D打印解决了复杂度的问题,制造的门槛变得越来越低,一个东西只要能被设计出来,就几乎能被制造出来。这产生了一种功能优先的制造模式,在这种模式下,设计师、工程师和创客将成为推动社会发展的主要力量。

随着制造的智能化、自动化和标准化程度越来越高,全球大规模个性化分布式制造将成为主流。过去是物质和能量系统的标准化,现在是信息与智能的标准化,这使得工厂必须有灵活制造的能力,其工艺要能适应各种材料、复杂度和规模的制造,而它们的组织形态也必须适应这种变化。

机械CNC的辉煌时代即将过去,新型制造中心和多场融合的制造模式(增材、减材和等材的融合,多维的镶嵌)将要出现。新的变化会对组织、道德、立法、环境等各方面产生一系列影响,对人类而言,这也将是一个很大的挑战。

记者:张教授,您曾经作为研究人员在GE全球研究中心工作过很长一段时间,而GE在3D打印应用方面一直走在世界的前列,您能介绍一下GE对3D打印的应用情况吗?

张教授:从2002年到2012年,我任职于通用电气公司(GE)全球研发总部激光加工与测量系统实验室制造与材料技术部。GE是美国支柱性的制造企业,它制造发动机、燃气轮机、机车头以及医疗器械等一系列高精尖的东西,因此会遇到一系列极端制造问题,如难加工材料和结构。为了保持竞争力,GE一直十分重视新工艺。最初,它将三维制造用于修复,如发动机叶片裂开了就用这种工艺进行修补,后面才开始将其用在直接制造上。

现在,GE将三维制造作为其未来制造的重要手段。除了关注GE的3D打印外,我们还要关注它的智能制造平台系列建设工作。他们正在建立开环的智能标准化基础,并且已经有许多成功案例。

张教授:总体而言,我们要重视3D打印,看到它带来的深刻影响,但同时一定要保持一个客观的态度和清醒的头脑。制造上,只有增材、减材、等材三者合力才能达到王者的境界,不能因为增材制造的出现而否定其他两种制造方式。我们要迈向制造的大融合,将制造推向更高的理想度。

任何技术都有诞生期、青年期、中年期和老年期,即它们的发展呈S曲线。如今,3D打印已进入第二个发展阶段的后期,即处于青年期向中年期的过渡阶段。在这个阶段,大家已经意识到3D打印的优点,大量社会资源纷纷涌入这一领域。

这意味着3D打印会加速向前发展,并且有可能出现质变,如成型速度突然提升10倍到100倍、一种新工艺的出现让任何工程材料都可被3D打印而不再需要专门的3D打印材料。我们要多做原创性的东西,多开发一些具有颠覆性的原创工艺。

记者:金属3D打印对软件的要求是否更高?

张教授:3D打印系统由硬件和软件组成。未来是智能制造的天下,如果软件不是自主开发的,我们就会受到很多限制。因此,我们一定要将自己的智慧融入到软件中,加强软件系统的自主开发,这样才有可能取得突破。

记者:您在演讲中提到了基于激光的和基于电子束的金属3D打印技术,能不能对它们进行一下点评劣?

张教授:电子束的材料吸收率很高,在良好的成型环境下,如真空中,它在强度等方面有一定优势,并且调控起来相对容易。激光跟光的波长有关,反射问题会影响到它的吸收率,但激光的局限性小、适应性强,它必定会成为引领性的、明星级能量场。

最后,张文武博士总结说,我国的3D打印形势良好,我们要建立智慧资本,互相帮助,多开发原创性工艺。在新工业革命之上的必然是人文革命,工业发展要与人文、社会制度相结合,这样才能实现像大自然那样的永续发展。中国人应该继续发扬传统的贵族精神,引领新工业文明的发展。