3D打印 中国梦——访原中国航空航天工业部部长林宗棠

2014年11月17日 美国索拉家居物联网



作为我国工业战线上的一位老专家老领导,林宗棠至今已经在工业领域工作了64年。其间,他曾作为掌门人掌控着高新技术最为集中的航空航天工业,在取得辉煌成绩的同时更为后来者打下了坚实的发展基础。然而,对于3D打印,林老却笑称自己为“老科盲、老学童”,虽已88岁高龄仍甘愿从头学起,在大量考察和实验的基础上,为3D打印产业在中国的发展提出了真知灼见。

3D打印——88岁老人的新课程

20138月,林老得知中航工业在飞机的研制过程中率先采用了3D打印技术,并将3D打印部件用在了新机型上,此后便对这种新型的精确制造技术产生了浓厚兴趣。而这也是他第一次听说3D打印技术。

对于3D打印技术在航空制造领域的应用,林老即欣慰又内疚。之所以如此,用林老的话说就是,“我从1949年就开始搞工业,到去年为止已经在工业战线上工作了64年了,在基层和领导岗位上都工作过,而且主管的都是高科技领域与技术创新方面。但是我对3D打印却是个科盲,不知道什么是3D打印,感觉这方面没有更好地完成党交给的任务。”

也正是因此,88岁高龄的他将3D打印列为了自己的又一个学习课程。

20138月开始,在之后半年多的时间里,林老赴北京上海、沈阳、武汉、昆山、西安、深圳等地先后考察了近二十多家单位,既有中航工业沈阳所、中航工业制造所、中航工业材料院、中航工业西飞等航空工业领域内的厂所,又有清华大学、北京航空航天大学、华中科技大学、西北工业大学等高校,还有民营企业和外资企业等,希望对3D打印在国内的发展和应用有个系统的了解。

“全国哪里有与3D打印相关的业务,我就到哪里去,今年我还要继续学习。”

在考察中航工业沈阳所期间,林老对该所大胆创新,在新机研制中率先采用3D打印技术大为赞赏。

他在与该所总设计师王永庆交流的过程中得知,该所早在十几年前启动新一代飞机研制时,由于几个关键部件采用现有的制造技术难以达到质量要求,所以决定引入3D打印技术。此后,该所又与北京航空航天大学的王华明教授合作,历经十多年的攻关,终于制造出了可以装机的3D打印部件,使新机的研制进程大为加快。“飞机上非常重要的模锻件采用3D打印技术制造,并且已经装机使用,当然还要经过检验。现在初步看来是成功的,材料的性能达到并相当于模锻件,个别指标比模锻件还要好,这就对飞机的发展起了非常大的作用。”

在林老眼里,中航工业沈阳所和王永庆、王华明都是好样的,他们很有前瞻性眼光,并且能够把握先进技术的发展趋势,在将3D打印技术应用于航空制造这个方面赶上并超过了发达国家。而这也更坚定了他继续学习的信念,“我今年还想继续学习,再考察一二十个企业、院校和研究院所。”

实践出真知

在为时半年多的考察中,林老发现全国已经有100多家单位在从事3D打印相关的科研和制造工作,除了北京之外,西安、武汉、沈阳以及长三角地区很多单位都做得很好。而在工业应用方面,航空工业走在了其他行业的前面。

“党中央和国家对3D打印技术的发展应用很重视,我去过的这些单位,党和国家的很多位领导人都去考察过,可以说3D打印的曙光在中华大地上已经悄悄升起了。”

考察学习的同时,林老还自己购买零部件组装了2台初级的3D打印机,借此更深刻地了解打印机的工作原理和工作特点。此后,有企业又拿来新研制的2台同类别的3D打印机,要他试用并且给企业提供试用报告和修改意见。“我现在变成了88岁的3D打印试验工,4台机器24小时不停工作,我也每天工作24小时。”

通过组装和试用,林老发现3D打印机的制造原理和结构其实并不复杂,当然他组装和使用的只是初级产品。所以,谈到未来3D打印技术在工业领域应用,他认为“将来工业方面要使用金属原料和其它高级材料来制造产品,就要使用激光和高能电子束,所以未来关键的技术还是激光的功率和激光头。”

而为了破除上述疑问,林老还专门拜访了我国激光领域的专家。“目前,武汉的科研人员已经制造出了功率达到1万瓦的民用激光器,未来的目标是制造出10万瓦的民用激光器,这些设备都可以用在3D打印领域。”

当前,清华大学颜永年教授正在领衔研制12万吨的模锻水压机。在该级别的模锻水压机上,一个大型部件的重量就达数百吨,而制造这种部件的毛坯件重量就更大,如果采用传统工艺,需要自由锻、粗加工、热处理等多道工序才能制造完成。在与颜永年教授的交流中,颜教授告诉林老未来可能采用3D打印技术,以金属粉末为原料制造出毛坯件,可以省却多道工艺。这让林老对3D打印技术在工业领域的应用,以及制造大型机械部件更有信心。

3D打印到3D创新

通过对3D打印机的试用,林老感觉到其构造与工作原理和传统的平面打印机没有本质的区别,但是要实现3D打印,前提是必须有3D设计。3D设计与3D打印的结合,才是3D打印产业基本的产业模式,他将这称作“3D创新”。

之所以将其称作3D创新,是因为这样能够将3D打印产业的上下游基本上贯穿起来。“3D打印有个先决条件,就是有3D设计。3D设计可以采取包括3D绘图或3D扫描两种方式来实现,也可以两种方式相结合,在3D扫描的基础上辅以3D绘图等,获得3D设计文件。然后才能实现3D打印。”

事实上,3D打印技术早在30年前就已经出现并投入应用,其更为专业的名字是增材制造技术,即采用高能束流(电子束、激光)或其他能源,借助3D设计将材料熔铺沉积或组合焊接,逐步累积成实体构件。由此可见,它与我们当前应用最为广泛的切削等减材加工技术完全不同。

正是基于不断深入了解,林老认为,3D打印与之前我国研制电子对撞机、“嫦娥二号”探测器等大型工程不同,“3D打印没有什么需要我们特别克服了才能上的技术。它的原理是很朴实的,并不深奥。但是作为一项新兴技术,它应用到我们的科技领域、经济领域,甚至是全社会各个领域里,可能会产生我们意想不到的作用。”

林老认为,增材制造与减材制造这两种技术是辩证统一的,都是大自然的规律使然。“在地球上,一颗种子长成参天大树是增材的过程;从一个细胞成长为一个人,也是增材的过程。而水流冲刷最终形成河道,则是体现了减材的特征,而作为人类发展的重要标志之一,学会使用切削工具同样体现了减材的特征。所以说,增材与减材这两个概念,一直伴随着人类社会发展的全过程。”

所以,如果认识到了这个规律,认识到了二者的辩证统一,就可以更好地加以利用,催生新的产业领域,比如用3D打印技术制造工业领域大量需要的模具,也可以用3D打印技术制造医疗领域需求的人造牙齿、人造骨骼等,未来还可以用3D打印技术制造人造细胞、人造心脏等。

3D创新助推国家产业升级

对于我国来讲,3D打印技术更为重要的意义表现在,可以用它来提升现有的生产力水平,服务于国家的产业升级战略。

“从目前国际上的发展情况来看,3D产业作为一个独立的产业,其规模还很小,年产值也就20多亿美元,未来5~10年有可能发展到100亿美元的规模。但是,我们现有的一些产业,其规模可以达到数千亿甚至上万亿,用3D打印技术对这些产业进行改造升级,它的作用将远远大于作为一个独立的产业本身,并能够带来更大的价值。”采访过程中,林老多次强调了这一点, 3D打印技术本身就是一项伟大的创新,所以,如何将其应用到我们的经济建设中,也要有创新性的思路,即将它融入到现有产业中所产生的效益,将远远大于将其作为一个独立产业所产生的效益。

2012年,美国总统奥巴马宣布,美国未来要大力支持发展包括3D打印在内的新兴制造技术,目标打造高端制造业,把“中国制造”变回“美国制造”。

多年来,我国出口贸易一直保持高速增长,已经成为世界第二大出口国。特别是作为主要出口产品的机电产品,2013年度的出口额更是达到了12655亿美元,超越了美国、德国、日本等西方国家。“中国制造”在走向全球的同时,也被西方国家视为最大的威胁。所以,以美国为首的发达国家,近年来也在纷纷寻求产业升级与转型,同中国展开新一轮的竞争。“因此我认为3D打印搞不搞,怎么搞,不是一个简单的科技问题,而是一个关系国家发展战略的重大课题。”20世纪80年代初,正是林老向国务院提出建议成立国务院机电产品出口办公室,拉开了中国机电产品走向世界的大幕。

一个老共产党员的建议

采访中,林老说得最多的一句话就是“我是一个老共产党员”。这简单的一句话里饱含了对我国经济发展、科技创新的无限关注与深情;也饱含了一名工业战线老领导对于新兴产业发展所给予的厚望。

“我认为我们现在要抓住这个产业发展先机,迎头赶上,在实现中国梦的伟大进程中,一定会产生意想不到的突出效果。”

也是基于一个老共产党员的责任心,林老为3D打印产业大发展提出了三条建议。

第一,建议党中央、国务院把3D创新列为国家重大科技项目。

3D创新的发展,要像过去抓国家重大技术装备一样,狠抓100个研发创新重点,逐个突破,由点到面,不断发展,不断提高。“3D创新具有普遍性,不同于大型飞机、核电站等项目,它不是一般的重大科技专项,而应该是重中之重。此外国务院应该重视,不是单叫哪个部门、哪个公司去搞,而是国务院要有个大的政策,要有重点。”

在林老的工作经历中,一项重要的工作就是抓重大技术装备的建设。1958年,国家做出了建设万吨水压机的决定,批准在上海建造一台1.2万吨的水压机,林老当时担任项目的副总设计师。在这个重大项目中,以林老为首的技术队伍大胆创新,克服技术和设备上的种种困难,利用突破常规的建造方法,采用焊接工艺将大型钢板进行焊接,从而解决了水压机4根大型立柱的制造难题,也打破了苏联专家所谓的“中国无法独自建设万吨水压机”的言论。“当时万吨水压机的4根立柱要用大钢锭来锻造,而已有的水压机根本无法满足要求。所以,我们就想了一个别的办法,就是采用‘竹节式’将大型钢板焊接起来,最终取得了成功。现在想想,这也是一种增材制造。”

第二,建议在全国播撒3D创新的种子。

“我曾经问过很多老朋友、老领导,他们中好多人都不了解3D打印技术,都认为这种高科技很奇妙。我到学校问过很多学生,他们都只知道电脑,但是对3D打印完全没有概念。”

所以林老建议,要想促进未来3D创新大发展,就必须从娃娃抓起。他建议在全国播下10万个种子:一方面是增加教材,小学、中学、大学都增加关于3D打印技术的教材;另一个,最有效的办法就是向学校赠送3D打印机,让孩子们自己动手、动脑进行3D打印的实际操作。这样的话,如果有10万个种子,那相当于为未来培养了103D创新能手,而他们则会影响身边更多的人,可能是100万甚至1000万人。

“目前,这项工作已经在北京门头沟区的学校里开始试验,逐步扩展到全北京各个区,每个区建设一个试验点,这样一批孩子学完了,可以再换一批,将来还可以评一个3D创新小能手,给他们一个鼓励。如果北京的试点取得成功,未来可以向上海、广东、江苏、浙江等地区推广。”说到这里,林老显得有些激动。

不久前中央国家机关老干部康乐文化指导中心搞了一个公益活动,原本计划向一些学校赠送生活用品和教材等,后来在林老建议下最终他个人出资向门头沟区大峪中学赠送了十台3D打印机。为此,门头沟区专门成立了“山谷教育实践活动‘3D’体验中心”。“我希望通过赠送3D打印机,送给孩子们一个创新的思想,这对于他们将来的发展会更有意义。”

第三,建议创建中国3D创新联合体。

现在全国从事3D打印技术研究和应用的单位有100多家,但是各自为政,分散经营,且各家的综合实力也大不相同。“所以我建议成立一个3D创新联合体,组织结构上采用虚实结合的模式,虚指的是这是一个基于网络的联合体,采用网络办公;实指的是各家仍然保持独立性,各自经营。这样的好处是从3D设计、3D扫描到3D打印,充分发挥全国的力量。举例来说,当有企业提出产品设计要求之后,通过这个联合体可以在网上快速组织设计力量进行设计,完成设计之后转成文件,就可以根据企业的需要从网上传给3D打印企业,几个小时或十几个小时就能完成样品的制造。然后通过快递可以马上送到客户的手上。”

除了国内企业的联合之外,还可以3D创新联合体的名义,与国外的企业进行交流,进而赶超发达国家水平。“我现在有个设想,也是未来要实现的目标,就是基于上述3D创新联合体,在国内布置10万台的3D打印机,其中有1000台的金属打印机,年产值可以达到100亿美元。”

今年初,林老就上述建议向中央领导同志提交了一封建议信。日前,习近平、李克强等领导同志专门就林老的来信建议做了重要批示。

对于在3D打印技术应用方面已经迈出了一大步的中航工业,林老的建议是希望将已经取得的经验推广开来,使3D打印技术能够更好地促进中国航空工业的发展。

“与其他行业相比,我们航空工业在这方面走在了前头。但是知道这个技术的人还比较少,而且也有不同看法,所以能在工作中加以应用的人就更少了。所以,需要在我们全行业,尤其是干部队伍里率先普及3D创新,领导干部以后不要只有切削的概念,也要有增材制造的概念,这样你这个领导才能发展得更全面一些。”

林老认为,航空工业的科研队伍特别是总设计师队伍,无论是设计飞机也好、发动机也好,都要对3D打印技术有深刻的认识,并积极尝试在实际工作中加以应用。“我认为,首先可以请总设计师到3D打印制造的现场去参观,首先明白什么叫3D打印,然后才能研究是否可以在未来加以应用。其次,我建议集团公司对此要有统一的部署,这也是为航空工业播撒3D创新的种子,未来航空工业的发展会越来越快。”

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