沈真：3D打印的產(chǎn)業(yè)化之路——碳纖維的產(chǎn)業(yè)化進程

2018增材制造全球創(chuàng)新大賽發(fā)布會8月8日在北京汽車博物館新聞發(fā)布廳舉行，主辦方希望通過此次大賽的發(fā)布，傳遞并展示3D打印增材制造這項具有前沿突破性技術(shù)的發(fā)展以及為行業(yè)帶來的改變與變革，并且以此為契機，邀請行業(yè)的專家來解碼這項技術(shù)在不同領(lǐng)域的應用以及所帶來的改變和更長遠的影響，并由此激發(fā)不斷的對話與融合。

來到現(xiàn)場的多位專家都是在推動創(chuàng)新技術(shù)發(fā)展方面的領(lǐng)軍人物。

沈真先生
沈真先生曾在英國帝國理工學院德國宇航研究院、意大利都靈工業(yè)大學等國外知名院所從事復合材料力學研究工作，在40多年的科研工作當中曾擔任國防重點預研課題的負責人，參與了迄今為止幾乎所有的飛機復合材料的研制；

鄭誠功先生
鄭誠功先生北京航空航天大學教授，曾任臺灣（楊林）大學人工關(guān)節(jié)研發(fā)中心主任、楊林大學研究發(fā)展處研發(fā)長，擔任臺灣骨科研究學會理事長、世界生物力學學會理事長、世界華人生物工程學會常務理事等職，在骨科、生物力學、骨科植入領(lǐng)域有著近30多年的研究經(jīng)歷，其研究成果具有開創(chuàng)性和奠基性，在國際上具有極大的影響力。

蔡波先生
蔡波先生現(xiàn)負責西門子工業(yè)軟件開發(fā)，在此之前，他在CAD、CAM、PL行業(yè)從業(yè)近24年，在不斷的專業(yè)深耕當中積累了大量制造業(yè)的技能和經(jīng)驗，為制造業(yè)今天的數(shù)字化轉(zhuǎn)型付出了辛勤的努力。））

在發(fā)布會上，三位專家也都從不同的方面代表了今天我們所說的3D打印增材制造這個技術(shù)的要素構(gòu)成，包括了材料、應用以及軟件和設(shè)計，接下來他們將從各自所致力和研究的領(lǐng)域出發(fā)，就這項技術(shù)的發(fā)展趨勢、應用前景、前沿研究和成果以及為各個領(lǐng)域的轉(zhuǎn)型升級所帶來的創(chuàng)新動力做主題發(fā)言。

中國復合材料學會榮譽理事、SAMPE北京分會副主席、江蘇恒神股份有限公司高級顧問沈真先生，他將從碳纖維的產(chǎn)業(yè)化進程來講述3D打印的產(chǎn)業(yè)化之路。

下面是沈真先生的演講速記：

我對3D打印僅僅是個旁觀者，沒有從事過，對3D打印只是感覺到它很有前途，但是我確實不是這方面的專家，我可以在碳纖維應用方面懂一點，只能從碳纖維的應用發(fā)展來談談體會，對3D打印這樣一個新技術(shù)在將來的發(fā)展看看能不能有點啟發(fā)，談談自己的感想。

因為3D打印現(xiàn)在大家都很關(guān)心，發(fā)展的也很快，但是也有很大的問題是，大家都覺得3D打印很貴很貴，給人這樣一個感覺，是不是能夠大量的應用？當然有很多我不一定很清楚，但是在航空航天應用的我聽說過一些，他們說航空航天能應用，特別是軍機的研發(fā)能接受但是非常貴，所以能不能變成一個對國家整個工業(yè)發(fā)展起很大推動作用的這樣一個技術(shù)，我覺得可能還有很長一段路要走。今天讓我來做這個報告，我只能談談碳纖維整個產(chǎn)業(yè)化的過程，來看看3D打印將來會怎么走。


碳纖維的優(yōu)勢不用說了，因為大家都知道，而且3D打印，現(xiàn)在實際上碳纖維復合材料也是3D打印所用的材料之一，但是對于短纖維的有點進步了，但是（連續(xù)纖維），連續(xù)纖維3D打印到底應用怎么樣，在我的想象中很難，但是我也看到了一些報道，碳纖維的復合材料的優(yōu)勢，不用多說了，因為這是一個戰(zhàn)略性的新材料，而且現(xiàn)在芯片問題是比較重視的，第二個問題我就介紹碳纖維的應用，因為碳纖維將來也會是卡脖子的環(huán)節(jié)，國產(chǎn)發(fā)展的道路很艱辛，從六七十年代開始做，但是到20世紀初，軍用飛機想用碳纖維還沒有，這十幾年我們才引起了重視，開使用了，但是碳纖維大家也可以看到報道，碳纖維的應用將來肯定是，特別是在軌道交通和汽車領(lǐng)域?qū)�來會大量應用�?br />

如果國產(chǎn)碳纖維不能解決，目前來說跟芯片一樣，開始階段我們是差不多的，搞了幾十年以后，國外碳纖維已經(jīng)大量用了，而且用的非常多，國內(nèi)買不到國外的，國內(nèi)碳纖維一直沒有發(fā)展起來，好在本世紀初的時候已經(jīng)給了我們一點兒教訓了，軍用飛機用的碳纖維買不著了，我們國內(nèi)著急了就開始發(fā)展，現(xiàn)在國內(nèi)可以做到軍用飛機的碳纖維自給自足了，但是將來像在軌道交通和汽車大量用的時候，因為這是從國外可以買到的，不去搞國內(nèi)的話，將來到了一定的程度，要大量用的時候，都從國外買，什么時候卡你一下，就成了中興的芯片之痛，再來第二遍。所以國產(chǎn)碳纖維怎么樣變的產(chǎn)業(yè)化的應用，現(xiàn)在在這方面探討比較多。


它的優(yōu)勢不用說了，一個是抵抗度高，輕量化的首選材料，材料設(shè)計，抗疲勞抗腐蝕非常好。優(yōu)勢不用說了。但是這樣一個材料，國外特別是在民用飛機上應用也經(jīng)過了很多的過程，因為在軍用飛機上不講成本，開始是可以的，軍用飛機用的很快，比如整個飛機機體結(jié)構(gòu)占50%都用了碳纖維，軍用飛機可以做到，因為不講成本，但是民用飛機要用碳纖維必須要講成本，講成本這個路就比較長了，所以在很長一段時間里，從70年開使用，一直到30年，只用了10%，用到50%太難了，機翼、機身用碳纖維最大的問題是太貴了，就不可以用。這個過程經(jīng)過了美國國家搞了或多計劃，他們把這一個階段一個階段的，用到機翼機身走了40年，怎么樣把它低成本化這段路走了很長的一段路。美國是每十年一個計劃有好幾個，這些計劃有三層，信心、技術(shù)、成本。這個計劃的核心都是用買得起的復合材料，Affordability，這個詞貫穿了碳纖維的核心。我講這個，增材3D打印能不能產(chǎn)業(yè)化應用，我和鄭教授探討了一下，對3D打印的產(chǎn)業(yè)化還是這三個詞。


2009年12月15號，波音-787飛機，突出的一點是基本看得到的地方全是碳纖維，結(jié)構(gòu)重量的50%是碳纖維復合材料，當然里面的起落架是金屬的，但是看得到的部分基本上都是碳纖維，做到這一步經(jīng)過了40年，我在78年到英國去看的時候，英國的軍用飛機整個機身都是碳纖維的，它可以用。但是如果到民用飛機上就不行，經(jīng)過了40年，這個優(yōu)勢成本就不說了。


實際上這里面很關(guān)鍵的，當時美國兩院專門組織了專家討論，實際上碳纖維的市場銷量增長緩慢，因為這個問題我們國內(nèi)現(xiàn)在碰到這個問題了，國外當初也是碰到這個問題，往往歸因為原材料的高成本，因為碳纖維太貴，我想3D打印也有這個問題，3D打印好不好？太貴，可能能用，但是用不用它？材料成本實際上僅占復合材料構(gòu)件總成本的8%-10%，事實上工藝制造成本是總成本中最高的單項成本，過去性能因素推動著復合材料在航空航天中的應用研究，但近年來成本則起到更大的作用，這樣開發(fā)下一代民用運輸機工藝的一個基本準則是低成本制造的可能性。委員會相信，在可預見的將來，發(fā)展趨勢是不斷開發(fā)低成本的制造工藝。剛才那個成本分析里面顯示出了百分之七八十是制造工藝成本不是材料成本。


當然目前主要集中在航空航天應用，下游往工業(yè)領(lǐng)域應用，工業(yè)領(lǐng)域應用的擴大趨勢是隨著成本下降才能越來越多的應用，所以現(xiàn)在航空航天基本上已經(jīng)應用了，但是下面的軌道交通，豐臺產(chǎn)業(yè)園軌道交通也是一個重點產(chǎn)業(yè)，我這幾年也在做軌道交通，我們做了一個地鐵車箱，19米長的地鐵車箱是用碳纖維做的，當然這個成本現(xiàn)在高一點，但是已經(jīng)可以做出來了。信心可以解決了，第二技術(shù)也有了，當然還不夠。第三個成本現(xiàn)在還需要努力。當然成本增加了，地鐵每節(jié)車廂用百八十斤的碳纖維這個前景是沒有問題的。汽車到百分之百可能不會，但是一輛汽車上有幾十公斤的碳纖維，這個前景隨著成本降低是可以實現(xiàn)的，到那個時候，碳纖維目前全世界產(chǎn)量也就幾萬噸，到那時候幾十萬噸碳纖維不一定夠用，這個前景隨著它的成本降低是可以實現(xiàn)的。


所以談到這個問題，3D打印的產(chǎn)業(yè)化之路同樣還是這個問題，剛才跟鄭教授也談了，我聽說做飛機上用的鈦合金是3D打印的，3D打印以后強度沒有問題，疲勞性能怎么樣？現(xiàn)在當然還存在一些問題，可能能做出來，但是做出來是個豆腐渣的東西行不行，所以首先需要解決安全性就是信心的問題。第二怎么打出來需要技術(shù)；第三這個技術(shù)有了，怎么樣讓大家能夠接受。當然不一定是跟碳纖維一樣大批量應用，3D打印可能都是個性化的比較多，個性化的應用也必須跟其他的，比如做一顆牙在生物上應用—人工一個個做了，起碼得比人工便宜，不一定要大批量生產(chǎn)，但是個性化也要便宜，只有這樣才能真正實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。


另外連續(xù)碳纖維復合材料的3D打印，碳纖維到現(xiàn)在能夠批量應用能否產(chǎn)業(yè)化很大程度上取決于工藝成本降低，連續(xù)纖維碳纖維，碳纖維包括纖維材料成本包括模具，碳纖維我們做了很多東西，很大一部分都在模具上，3D打印能不能解決這個問題，能否能為國產(chǎn)碳纖維的產(chǎn)業(yè)化走出一條新路？


我就談到這里，謝謝！