“中國3D打印之父”
——盧秉恒

文/ 王遂社 黃明 周亞龍

盧秉恒，1945年2月出生于安徽亳州，中國機械制造與自動化領域著名科學家，現為西安交通大學教授、博士生導師。同時擔任國家重大科技專項“高檔數控機床與基礎制造設備”技術總師、國務院學位委員會機械學科評議組召集人等重要職務。曾獲國家科技進步二等獎、國家技術發明二等獎、全球華人蔣氏科技成就獎，被授予“做出突出貢獻的中國博士學位獲得者”“全國五一勞動獎章”稱號，2005年當選為中國工程院院士。近年主持國家科技攻關、973、863計劃、國家自然科學基金等項目40個，發表論文400多篇，獲發明專利20余項，多次獲得國家及省部級獎勵。

工作中的盧秉恒院士

盧秉恒院士長期致力于先進制造技術的研究，在國內倡導開拓了增材制造、微納制造、生物制造、高速切削機床等先進制造技術，在納米壓印研究、個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，并進入臨床實驗。他開發了國際首創的紫外光快速成型機及具有國際先進水平的機、光、電一體化快速制造設備和一系列快速模具制造技術，是全國3D打印領域唯一的院士，被譽為“中國3D打印之父”。

中國增材制造產業發展高峰論壇上，盧秉恒院士《智能制造與3D打印》主題演講

（一）

“3D打印就像是燕子壘窩，銜泥巴一點一點壘起來一樣”，其工作原理是以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層堆疊累積的方式來構造物體。從點到線，從線到面，從面到體，將打印材料一層層疊加起來。盧秉恒風趣地說，中國的長城就像現在的增材制造，也是一層一層疊加起來的。3D打印屬于快速成形技術的一種，目前已廣泛應用于建筑、汽車、教育、工業設計、土木工程、航空航天、地理信息系統、牙科和醫療等產業。

3D打印技術出現在20世紀90年代中期，麻省理工學院首獲3D印刷技術專利，2005年，市場上首個高清晰彩色3D打印機由美國zcorp公司研制成功。這項技術最突出的優點是無需機械加工或任何模具，就能直接從計算機圖形數據中生成任何形狀的零件，從而極大地縮短產品的研制周期，提高生產率，降低生產成本。

我國從20世紀90年代初開始涉足3D打印技術，華中科技大學、清華大學、西安交通大學自主開發了3D打印設備并實現工業化。其中西安交通大學自主研發了三維打印機噴頭，并在光固化成型系統、成型材料等方面取得了突破性進展，成型精度達到了0.2mm。

隨著社會進步與科技發展，以信息技術與制造技術深度融合為特征的智能制造模式，正在引發整個制造業的深刻變革。3D打印是制造業有代表性的顛覆性技術，實現了制造從等材、減材到增材的重大轉變，改變了傳統制造的理念和模式，具有重大價值。促進中國制造水平，既要在改造傳統制造上“補課”，同時還要瞄準世界產業技術發展前沿。

帶著“制造業興國”的最初夢想，盧秉恒院士在3D打印和先進制造的路上已經堅持走了很久。1979年考上西安交大研究生之前，34歲的盧秉恒已經在河南省三門峽中原量儀廠車間工作了十多年，從技術員干到廠長，把一個原來沒有穩定產品的企業搞得紅紅火火，年產值達100萬元。直到如今，盧秉恒手上厚厚的老繭，還積淀著那段來自基層的記憶。正是來自基層一線的實踐，使盧秉恒對科技進步有了更加深刻的理解與認識。

盧秉恒院士被聘為錢學森實驗室成立“太空制造院士工作室”太空探索實驗室科學委員會主席

“我畢業以后就到工廠干了11年，改革開放以后高校開始招研究生了，我覺得這對我的人生是最后一次機會，就想要抓緊再去進修一下。”盧秉恒回憶道，因為改革開放后國家百廢待興，需要新的知識，所以自己努力考了研究生，從碩士到博士，從工廠到高校，盧秉恒的知識不斷豐富，視野不斷開闊，境界不斷提升，研究課題逐步接近高新科技的前沿，人生也進入了一個嶄新的階段。1992年，盧秉恒作為高級訪問學者赴美考察，在參觀汽車模具企業時，首次看到了快速成型技術在汽車制造業中的應用，他敏銳地意識到這項新技術的先進性。回國調研發現，國內市場前景十分廣闊。他認為西安交通大學完全有能力、有實力自主開發這種設備，于是帶領幾位朝氣蓬勃的年輕教師和博士生在簡陋的實驗室里開始了艱苦的研究歷程。作為學界專家，盧秉恒非常關注年輕人的培養。“現在很多前沿技術、先進技術，都已經在我們的高校和科研機關研究和應用了，比我當初從工廠進學校時強多了。應該強調的是，實踐特別重要。我做一些工程項目相比其他教授更得心應手，就是因為我在工廠干過，知道問題的要害在哪里，也能了解哪些事情能否做成，整個底線掌握比較清楚。現在的研究生很多都是從學校門到學校門，雖然他們計算機和外語能力都很棒，但是在涉及工程實際問題上的能力就弱了，還需要鍛煉基本功。”從1993年就開始研究3D打印的盧秉恒，已經成為這一領域的領軍人物。1995年9月，項目成果通過國家科委論證，首批獲得“九五”國家重點科技攻關項目250萬元的資助。1997年底，盧秉恒團隊提前完成了攻關任務。同時，面對我國企業對先導性、經濟性以及降低成本的要求，他們研究用紫外燈代替激光器，開發了國際首創的紫外光快速成型機，并實現了光固化快速成型機的產業化。

盧秉恒帶領團隊陸續開發出的激光快速成型機、紫外光快速成型機、真空澆注成型機等一系列快速成型與模具制造設備及光固化材料，已經達到國內領先、國際先進水平。他們的技術成果通過企業化運作，在全國建立起創新服務平臺20多家，創新人才培養基地近10家，為2000多家企業源源不斷地提供新產品創新創意設計及快速制造服務。

（二）

制造業是國民經濟的支柱產業，是國家綜合實力的重要體現。改革開放以來，我國制造業發展迅速，目前已成為世界第一制造大國。但是，從單位GDP的能源消耗、環境代價來看，我國相當于先進國家的兩倍。只有向制造業高端的方向發展，才能改變大而不強的局面。為此，2015年5月，國務院發布《中國制造2025》，提出了通過“三步走”實現制造強國的目標。3D打印技術成為高層和業界關注的熱點。

盧秉恒說，3D打印的優勢在于快捷、精確、耗材少。傳統制造方法多是減材制造，即在整塊材料的基礎上去除多余部分，將剩下的部分制成產品，被去除的多余部分大多淪為工業廢料而被拋棄。3D打印是“按圖索驥”，用材料精確“噴”出每一層平面后再進行累加，生產過程幾乎不會產生任何廢料。既可保證精準、精細，又能實現科學施工，做到優質高效。在航空航天領域，可以使材料利用率由5%提升至90%以上，制造周期由數月壓縮為幾天；概念飛機的設計可以減輕質量的60%；生產新能源汽車，可以把2萬個零件集成為40個零件，6天打印完成，且減重1/3。與規模化生產的商品不同，3D打印產品可以很容易地進行量身定制。目前這一技術已廣泛應用于制造業、人類健康、消費品等領域。

盧秉恒做夢也沒想到，他的講座竟然講到了國務院！

2015年8月21日下午，國務院第一會議室變成了一間臨時講座場所。主講者是來自西安交通大學的盧秉恒教授。“聽眾”則是國務院總理、副總理、國務委員，以及各部部長，還有央企、金融機構負責人。第一會議室平日里是召開國務院常務會議、討論部署重大政策的地方。當時以國務院名義組織專題講座，這還是首次。這堂“國課”進行了40多分鐘，主講先進制造與3D打印。

盧秉恒院士在3D打印大應用前景論壇上發言

關于這次最高規格的講座，盧秉恒回憶道：其實早在（2015年）4月底就接到了國辦的通知，準備期間，他三易講稿，又兩次邀請中國工程院院長周濟提出修改意見。起初想主講3D打印，第二次修改時增加了裝備制造業，國家發布“2025”計劃后，又增加了相關內容，直到8月17日才最終確定講稿。“先進制造與3D打印”這個題目，是國務院領導親自選定的。這就意味著國家領導非常重視“促進中國制造業水平”，而這盤大棋的緊要處之一，就是要抓住世界產業技術發展的新趨勢，改造傳統意義上的中國制造，3D打印正是這樣的尖端技術之一。之所以選擇盧秉恒，因為他是這一領域唯一的院士。

盧秉恒印象最深的是，講座期間總理兩次和他對話：一次是講到以3D打印為代表的“增材制造”的時候，總理很感興趣。他講解到，鑄鍛焊在制造過程中重量基本不變，屬于“等材制造”，已有3000年歷史；隨著電動機發明，車銑刨磨機床出現，通過材料的切削去除達到設計形狀，稱為“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年實現樣機，才30年時間，是極有前景的制造技術。我國的3D打印相比國外，研究起步并不晚，某些方面還處于領先地位，但產業的發展太慢，企業規模不足，和國外相比，仍然有一個數量級（10的倍數）差距。另一次是講到德國偏重“制造互聯網”，美國偏重“互聯網制造”時，李克強總理馬上追問道：“這兩者究竟有什么不同？請您詳細講一下。”盧秉恒在比較了中、德、美三國后，認為德國的工業優勢在于質量過硬、基礎雄厚、工藝嚴謹；美國的優勢在于社會創新、高科技研發、集全球資源與精英；中國的優勢則在于有比較完整的工業體系、內需市場巨大、人力資源豐富。因此，他建議對美國和德國的優勢要素都要合理地進行吸收，補足中國制造業開發能力弱的短板，讓互聯網帶動制造業發展。他舉例說：在美國的創新群體中，三分之一在自家車庫，三分之一在學校，三分之一在孵化器。其中極客和創客起到了很重要的作用。李克強總理聽后，對大企業老總們說，“你們現在就是‘制造業’”。國務院副秘書長江澤林站起來向與會者介紹說：“盧教授不是普通的教授，在科研之外還成立公司，幫扶地方發展，希望大家有機會去盧教授的實驗室里看看。”原來江澤林在陜西任副省長期間曾主持周末講座，有一期就是盧秉恒主講3D打印。

（三）

“鑿井當及泉，張帆當濟川”。高端制造裝備是大國重器，戰略性新興產業的發展依賴于高端制造裝備的水平。無論大飛機、發動機、新能源、生物醫療、新材料、海洋工程，還是約束核聚變、對地觀測、空間站等戰略性產業及國家尖端科技，沒有自己的高端制造裝備，就只能亦步亦趨地跟隨發展、受制于人。實現中國制造由大變強，必須走技術自主、結構合理、高端制造裝備領先的大國制造之路。

“國講”之后，盧秉恒建議：應該充分保護和利用我國巨大的需求，以市場需求支持裝備制造業發展。一個領域的需求就可能帶動一個裝備制造領域的發展，如航空航天、汽車領域對高檔數控機床的需求。這就要求各項計劃、各個行業互動協同發展，這是大國制造應該認真思考的問題。在新產品研發時，應有針對性地開展國產化制造裝備研發，注重“第一罐奶粉”效應。對于目前存在的共性技術缺乏問題，需要創新思路進行國家級創新中心建設。在這方面，可以借鑒德國、美國的做法。比如，始建于1949年的德國弗朗霍夫研究院是德國工業創新的策源地，他們的專業研究所就建在大學附近，由2到3名曾任企業高管的教授領軍，經費來源是政府資助、項目經費及企業委托各占1/3，確保其研究代表先進水平，滿足企業需求。正是研究機構持之以恒的研究，成就了德國制造的精良。美國為了把基礎研究與產業化技術更好地連接起來，啟動了制造創新網絡計劃，由NIST（美國國家標準與技術院）牽頭，收集社會建議與組織評審后逐步推進建設，目前已建有增材制造、輕量化、數字化設計制造等制造創新網絡。其特點是快速組建創新鏈，實現最優資源組合，實行網絡化運行，重視創新工藝與標準研究等。

“泉州信息工程學院盧秉恒院士工作站”揭牌儀式在泉州信息工程學院舉行

盧秉恒清楚地記得，李克強總理曾強調指出，要順應互聯網等新技術和產業變革新趨勢，打造中國新優勢。互聯網+先進制造業+現代服務業，可以成就制造業美好的未來。制造業可能的前景是：一半以上的制造為個性化及定制，一半以上的價值由創新設計體現，一半以上的企業業務由眾包完成，一半以上的創新研發為極客創客實現。事實證明，每個人都有創新欲望，但以前創新的驗證成本很高，一個設想從設計到成為現實很難，但3D打印給普通人這種可能，為“大眾創業，萬眾創新”提供了技術支持。3D打印技術的維度和用處很寬，比如說可以打印一件首飾、一個小模具，也可以打印一個大型飛機部件，甚至現有的技術可以打印活的人骨和皮膚。“我國已成為制造業大國，現在必須走向制造業的高端，成為制造業強國。制造技術創新，不但需要理論素養，更需要工程實踐能力與堅持的韌性。”盧秉恒深有感觸地說。

上圖：盧秉恒院士在2019IAME中國（西安）國際3D打印博覽會上發言下圖：第二屆“太空3D打印”中德研討會在德國柏林召開，盧秉恒院士受邀參加

特別值得一提的是，2020年5月5日，長征五號B運載火箭成功將搭載的新一代載人飛船試驗船送入預定軌道，空間站階段飛行任務首戰告捷。在此次新一代載人飛船上還搭載了一件完全由我國科研團隊自主研發的新型裝備——“連續纖維增強復合材料太空3D打印裝備”，這是我國首次太空3D打印實驗，也是國際上第一次在太空中開展連續纖維復合材料的3D打印實驗。這臺具有里程碑意義的裝備就是由西安交大科研團隊與中國航天科工集團五院共同研制而成。在盧秉恒院士的支持下，機械學院李滌塵、田小永教授在2014年就創新性地提出了基于連續纖維增強復合材料的3D打印技術，是國內最早從事連續纖維增強復合材料3D打印技術的研發團隊。

和世界先進國家相比，我們已不是最早出發的人。但在這個崇尚創新與創造的時代，我們仍然可以開辟出一方新的天地！