華南理工楊永強：金屬3D打印產業化初期的機遇與挑戰
2012年，當3D打印被美國人捧上神壇開始風靡全球時，華南理工大學楊永強教授憶起當時在人民大會堂參加的一次工程院的研討會，目的即是為了討論3D打印是否真如美國人所說的那樣是一種將引領第三次工業革命的顛覆性技術，亦或是像當年美國和蘇聯進行軍備競賽那樣，實為一種欺騙性的戰略。
“當時國家層面有這樣的疑慮，3D打印整個行業并不大，產值也不高，然而美國將其提到國家戰略的高度，我們該如何應對?”楊永強教授談到，最后得出的結論是：3D打印的確是一項非常重要的工藝，有著很好的發展前景，我們應該發展它。
隨后，經過兩年的精心準備，工信部發布了《國家增材制造產業發展推進計劃(2015-2016年)》、《國家增材制造產業發展推進計劃(2017-2020年)》正式將3D打印納入國家戰略，國務院頒發的《中國制造2025》多次強調3D打印技術，近日，科技部也發布重點專項指南對增材制造給予支持。
然而，3D打印對于目前的制造業來說依舊顯得太過前沿，產業化的道路才剛剛開始……
本期，我們與金屬3D打印領域重要的專家、學者楊永強教授一道探討金屬3D打印產業化初期的機遇與挑戰。
金屬3D打印設備的兩大技術難題
清華、北航、西交大、西工大、華科大幾大院校可以說是我國3D打印技術的源頭，然而最早研究SLM金屬3D打印技術且成功開發出國產化設備的應當為華南理工大學機械與汽車工程學院的楊永強教授所帶領的團隊。時至今日，楊教授不僅親歷著整個SLM金屬3D打印技術的發展進程，也在為推動技術的產業化而不斷努力。
2002年開始，楊教授帶領的團隊開始研究當時被成為金屬快速成型的技術，2004年便與北京隆源合作開發出國內第一臺選區激光熔化快速成型機。然而，在當時不管是國外還是國內都是以CO2激光器做為光源，掃描軟件也不成熟，楊教授回憶道：“我們做出的第一代機器打印出來精度和尺寸都不是很好，那時候只能打印方塊或者其他規則形狀的東西，但在當時已經算很好了。”因為當時國外的進口設備一臺就需要花費四、五百萬，基本沒有高校做這一塊的研究。
2005年后，國外解決了光纖機器的反射問題，終于將光纖激光應用到了3D打印設備上，楊教授也獲得了學校學科建設的經費支持，購買了當時售價40多萬的200W光纖激光器，開發出了以光纖激光為光源的金屬3D打印設備。
目前，楊教授的團隊在關鍵性的鋪粉結構上擁有十多項專利技術，與設備相關的專利申請接近200件，不僅是國內好幾家3D打印企業的技術源頭，今年1月，還在廣州荔灣區的3D打印產業園成立了一家公司——廣州雷佳增材科技有限公司(以下簡稱“廣州雷佳”)，專業從事金屬3D打印設備研發、制造、銷售以及提供金屬3D打印服務，擁有的金屬3D打印設備包括DiMetal-50、DiMetal-100、DiMetal-280、DiMetal-500系列。
Laseradd DiMetal-50
Laseradd DiMetal-100
然而技術發展到現在，國產3D打印設備上的這些關鍵元器件仍然依賴于進口，據楊教授介紹，目前金屬3D打印還主要存在兩大技術難題：
第一，3D打印機上的光纖激光器、掃描振鏡、控制元件這些核心器件依舊使用的是進口元件。以楊教授自己開發的設備為例，光纖激光器主要來源于IPG或SPI，掃描振鏡來源于德國SCANLAB或美國CTI。國產的激光器和振鏡這兩年在激光打標領域的應用卓有成效，然而在3D打印設備上還沒有完全國有化;
第二，雖然元器件可以依賴進口，但是金屬3D打印設備的控制系統和掃描軟件都得自己開發，這才是真正決定3D打印件的精度與表面質量的關鍵因素，據楊教授介紹，國內大部分的廠商在這一塊做得并不夠好，這也是國產與進口設備的差距所在。
但是，楊教授表示，不管是國外還是國內都還存在許多問題，需要進一步努力、完善金屬
材料與前端需求不足之間的矛盾
金屬材料作為3D打印過程中需要持續投入的成本，進口材料價格之高另人望而生卻。近年來越來越多做熱噴涂、粉末冶金的科研院所和材料商進入到3D打印行業，出產的粉末質量也有了大幅度的提高。在采訪中，楊教授否認了“國產金屬粉末技術不行”這樣的觀點，他談到曾經有一個企業做了3公斤粉末給楊教授試用，粉末質量非常好，一點也不輸國外。而問題在于，需要用到100公斤的時候，粉末質量就完全不過關了，這是什么原因?
楊教授認為，主要的問題在于3D打印對材料的要求比較高，不僅粉末粒度要在10μm到40μm之間，在含氧量和物理化學性能方面也有要求，因此這就需要企業大手筆投入，以保證制粉環境達到要求。而上述這家企業可以用以往的制粉技術小心翼翼地做出3公斤高質量的3D打印用金屬粉末，但是到100公斤時，制粉環境就達不到要求了。
但金屬3D打印的前端應用市場還沒有起來，對于金屬粉末的需求量比較小，企業不愿意投入巨額資金到這個市場，因此我國目前還沒有一家規模非常大的專門做金屬3D打印粉末的廠商。
而隨著市場需求的不足，給企業帶來的另一個問題是，賣得粉末越多虧損反而越大。楊教授舉了一個非常實際的例子，比方說他買了某企業10公斤的鈦合金粉末，每公斤售價約2000元，而第二次購買50公斤粉末時，該企業就將價格提到了3000元一公斤，而且提高售價后對方還是虧損的。因為市場的需求量不足以支撐企業的設備和人力運營成本，從而出現了這種違背市場規律的現象。
生物醫學或為突破口，許可證獲批路漫長
那么金屬3D打印的市場到底在哪里?楊教授表示，目前公認的兩個有潛力的市場是生物醫學和航空航天。生物醫學中的個性化需求、航空航天中小批量的成本考量以及輕量化部件都完美地契合3D打印技術的特點。
其中航天航天這種高端應用的需求量相對較小，生物醫學或許是目前3D打印最大的應用市場，以牙科為例，楊教授前不久拜訪了成都一家企業，僅牙科對3D打印金屬粉末的需求量一年就達幾噸。
楊教授的團隊在生物醫學領域耕耘頗深，早在2007年，楊教授就開始研究金屬3D打印在口腔方面的應用，2011年拿到了國內首個3D打印醫療器械——個性化舌側正畸托槽的產品認證，同時獲得了美國、德國的專利授權。
近年來，不僅針對醫學產品的個性化、高精密度、生物相容性等要求開發出面向醫學應用的專用金屬3D打印機，還開辟了兩大醫學領域的應用，包括：
齒科領域：開發制造牙冠、固定橋、義齒支架、頜面修復體、種植牙等口腔醫療器械產品;
骨科領域：開發膝關節植入物、髖關節植入物、脊椎植入物、導航手術版、種植手術導板等。
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