昆山永年先进制造技术有限公司（下称永年制造）在3D打印界的影响力不容小觑。作为一家年轻但研发实力雄厚的高科技公司，永年制造不仅在中国3D打印研究领域占据着重要地位，还主动参与市场竞争，把清华机械系的科研成果产业化，取得了良好的经济效益。用公司创始人、董事长颜永年的话来说，3D打印是产业界自主创新的过程。主动出击，抓住技术创新的机遇，快速实现产业化的能力是公司获得成功的根本。

　　3D打印要与传统技术相结合

　　本刊记者：人们对于3D打印的理解存在很多误区，3D打印究竟是什么样的技术？它的发展方向是什么？

　　颜永年：成型制造就是把材料变成我们所要求的零件。特别强调零件初期的形状，也就是零件的毛坯，确切地说就是完成零件的毛坯。当3D打印技术的精度逐渐提高之后，我们可以完成最终的零件。完成毛坯的技术叫成型，达到精确的零件尺寸的加工技术叫制造。成型制造包括完成毛坯和做成最终的零件。

　　成型制造的原理就是离散堆积的概念。就像我们盖房子用砖头堆积起来，中间的设计过程就是离散。离散论是事物存在的一种形式，把离散论和制造科学相结合就成了离散对应成形，就是3D打印的成形学原理。3D打印其实就是借助离散—堆积成形学原理和真实材料成型的交叉学科技术。

　　离散的极限就是数字化，与离散相对应的成形必然要朝着数字化方向发展，这种制造叫数字化制造。但目前成型制造还达不到真正的数字化，因为计算机的信息过程和处理过程只是控制工具的轨迹和功率，而不控制材料。3D打印最基本、最突出的优势就是通过材料把离散变成微粒，通过组装堆积把微粒组装起来，由于信息过程不但控制了工具而且还控制材料本身，所以它是真正的数字化制造。现在所谓的数字化制造由于并不涉及制造过程的材料本身，因此还只能是数字模拟制造。

　　我认为3D打印的发展方向应该是和传统技术相结合。它不是替代传统的技术，而是补充传统制造技术的不足。传统的制造业多是大规模生产，需要做许多的模具、工装和专用工具，这就会增加工期，对小批量生产不合适，也不方便试制，成本也很高，为了试制、验证设计，不得不开一大套的模具和工装。传统制造的成本和批量有关系，而制造业今后的发展是个性化，批量制造越来越小，传统制造就遇到了困难。

　　随着新技术的发展，3D打印高柔性、个性化制造的优势正在逐渐显现出来，高柔性和成本无关，跟制造的批量无关，3D打印降低了制作时间、降低了各种模具的制造时间，降低了人力投入和物流成本。总的来看，它帮助设计生产领域节省了成本，解决了传统制造中遇到的刚性问题——对批量敏感、成本较高等问题。如果把3D打印高柔性的特点跟传统制造技术结合就能大大改进传统制造。

　　但3D打印最大的缺点就是对金属来说要达到一定的强度，达到一定的内部致密性，需要有高温高压的过程。如果要做核电站锻件、飞机翅膀、海洋管道等，就要通过热和力的高温高压，把金属内部的所有缺陷闭合、消除掉，以适应极端条件和困难条件下的使用要求，3D打印在这方面还存在着缺陷。当然我们通过一些后续的技术处理也能解决部分缺陷。

　　3D打印不能包打天下，我们要理性地去看待它。技术的发展有它的历史条件和土壤，有它的必然性。原有的技术是新技术的基础，也许经过多少年的发展之后，还能形成更新的成型概念。但我更认为，未来的10~20年，3D打印遵循的还是与传统技术相结合的发展模式。

　　当然也不排除，离散成形以后能否在某种场（电场、磁场、引力场）都能让它致密，或者在一边成型一边高温高压的条件下，做出很致密的东西；第二种情况就是材料的变化，如果材料不是金属，就可以避免金属成型的偏析和不均衡问题，也有可能会碰到一种新的金属材料，不需要经过高温高压就能解决金属原有的缺陷。因此，3D打印要和新的材料研究相结合，一旦有新材料的出现就可能从根本上带来发展方向的变化。

　　选择3D打印只是兴趣使然

　　本刊记者：据我了解，您曾主导创建了清华大学激光快速成型中心，还成立了国内第一家3D打印公司。当初您为什么选择进入这一领域？你们是如何把产学研有机结合并取得市场成功的。

　　颜永年：选择进入这一领域，我个人认为还是兴趣问题。我是个兴趣广泛的人，上大学时，选择专业没有什么余地，选择的范围也很有限。当研究领域开放后，有了自主权，就想做自己感兴趣的事情。

　　1987年，我到美国加州大学洛杉矶分校做访问学者，主要学习和探讨陶磁压机方面的知识，并掌握了国际上最为先进的材料成型加工设备技术。1988年，我无意中听到了离散—堆积的概念，当时，我了解到快速成型的技术核心理念是“分层处理、层面制造，逐层叠加”，是由传统的“去除法”到“增长法”、由有模制造（刚性较大）到无模制造（柔性最大）的巨大变革，就从根本上喜欢上了它。我还结识了一位对中国的快速成型技术发展具有重要意义的人物——美国德雷克赛尔大学的教授杰克·卡布雷（Jack Keverain）。

　　回到清华后，我就安排学生开始做分层软件的研究——进行3D打印时，必须先用分层软件将物件的数字三维模型进行均等切分，然后分层输出，分层打印。与此同时，我还邀请杰克·卡布雷到清华大学做专题讲学，随后又到西安交通大学和上海交通大学等多所高校传播“快速制造”的理念和技术。

　　依托清华大学的项目，我们建起国内首个快速成型实验室，并建立了清华大学激光快速成型中心（CLRF），由我担任了主任。为了引进国外先进设备进行科研，我们了解到一家代理3DSystems产品的香港公司正期望获得核心控制软件，而清华技术团队资金有限，买不起价格高昂的设备。双方各取所需，成立了中国第一家快速成型设备公司——北京殷华激光快速成型与模具技术有限公司。清华提供智力支持，香港公司提供一台SLA250设备，共同研究开发快速成型技术。

　　在我的带领下，清华技术团队开发了多种软件，进行了多项实验，并在快速成型技术方面取得了许多成就。1992年我们完成了对用户开放的RPM（快速成型与快速制造）研究与开发平台；推出M-RPMS型多功能快速成型制造系统，这是我国自主知识产权的世界唯一的拥有两种快速成型工艺的系统，获得了2002年国家科技进步二等奖，国家专利局授予该技术一项发明专利和五项实用新型专利。之后，我们又完成了改进型M-RPMS-II的产品化工作，并在世界上首先完成无木模铸型制造工艺。

　　搞产业化公司，国家一开始不可能给你钱，摆在我们面前的只有两条路，一是需要把3D技术推向市场，做出一台机器来；二是做重型液压机，公司初期的发展还是靠我们承接一些重型压机的项目。在广东我们完成了中国最大的4万吨板料成型压机（1994年广州投产），这也是清华最大的与企业的横向合作项目，光设计费我们就拿到了200万元，可以用来添置实验室仪器。由于当年实验室的人都在清华拿工资，只要卖出2～3台设备就可以维持公司的运营。

　　谈到产学研结合，我认为产学研如果没有纳入国家的科研基金是很难发展的。当然，我更认为产学研只有走向市场，才能不断“创造”出经费来，走向市场才能知道产品被接受的程度，才能明确产品的发展方向，也才能让科研有改进的地方。指望某一种新技术赚钱是很困难的，还是应该有一些自己擅长的成熟技术。我们公司就是用成熟的液压机技术挣来的钱支持3D打印的研发，现在液压机做得很好，这本身也是个产学研结合的过程。

　　任何技术的产业化前期都会有痛苦，有艰难，但我们一定要做市场的主角，要做到工厂级。我觉得在大学里做研究一定要结合生产实际，除了要满足生产的需要，还要有更多的前瞻性，不能让科研成为空洞的课题。

　　源头创新不足或成瓶颈

　　本刊记者：有业内专家认为3D打印的前途是光明的，道路是曲折的。您认可这个观点吗？目前3D打印技术和企业碰到的最大的瓶颈是什么？

　　颜永年：我们经常会用系统论的观点来看待问题，以求得全面的解答，总是建立很复杂的模型。现在，我们要学会用离散论的方法来看待问题，很复杂的结构实际就是点线堆积起来的。快速成型就是离散堆积成形，先在计算机里把三维实体离散成点、线、面，然后在成型机里把点、线、面组装起来，成为三维实体。从离散堆积的角度来看，这是很好的发展方向，前途是光明的。当然我们也不能说整体成型技术的现状是暗淡的。对于3D打印，我们应该更多地下力气，需要多花时间，给予更多的关照。

　　任何新技术的发展都必须到市场去参与竞争，要比别人好，要比别人强，要找到你的定位，道路曲折这是普遍的东西。如果你的技术得不到市场的认可，没人需要，肯定也发展不起来，就不可能有好的前景。我认为3D打印没有本质性的缺陷，没有不可逾越的障碍。

　　3D打印碰到的颈瓶问题，我认为最主要的是材料环节比较薄弱，搞材料的人没有兴趣搞3D打印，材料的局限性是3D打印不得不面对的现实。3D打印技术事实上是受材料的牵引，只要有新的材料出来，就会有新的成型方法应运而生；新的成型方法又呼唤新的材料的出现，这两者相互促进，共同发展。3D打印材料一定要领先，要有更好的材料研究队伍。

　　现在许多人把3D打印看成是数控，控制当然少不了，但这并不是根本，对材料本身的需求是第二位的，如果材料本身的特性就能解决许多问题，3D打印的问题就少多了。其次就是新的成型方法也很重要，要有创新性。现在3D打印在网上公开的开源软件，都在向大众化，娱乐化方向发展。但我认为更重要的方向是基础制造，使我们能够高质量、快速地做出无人机的机身，大型机的翅膀，这两个方向都要发展，都离不开材料。材料跟成型方法相辅相成，作为3D打印发展的源动力，再配合上软件和控制，前途一片光明。

　　我们的3D打印企业的水平之所以不高，原创不够是主要原因，几乎没有一个真正独立的3D打印技术和方法是中国原创的，现在常用的四种成型的方法都是美国人的原创。另外，还有以色列也做得不错。在发达国家的创新体系中，大学主要进行基础研究，研究所侧重于共性技术研究，企业主要致力于应用性研究和最后的产品化，产学研三方在市场机制下合作互补。

　　中小企业通常都是一个国家创新体系中最活跃的群体。我认为企业要加强与研究机构的合作，企业本身要有高层次的人才。国内的3D打印早期主要依靠清华大学、西安交通大学、华中科技大学这三所大学，这在技术研发的早期也是正常的，大学容易研究新东西。但是科技发展的最终走向不是以学校、科研院所为主，还是要以企业为主。只有当企业的研发能力和水平能与高校和科研院所比肩了，我国的整体科研水平才能跻身世界前列。

　　企业是3D打印的主力军

　　本刊记者：3D打印技术主要应用在哪些领域？请您结合自身的工作，谈谈你们是如何尝试应用拓展的？

　　颜永年：近年来，3D打印技术发展迅速，在各个环节都取得了长足进步。我个人认为，3D打印排在第一位的应用就是金属成型。金属毕竟是制造业应用最多的材料，常用的金属成型很难，在金属的成型方法上，首先要解决现代基础制造的成型偏析、内部质量不稳定、刚性太大等普遍性问题。像激光束，高能电子束都是3D打印的使能技术中的重要种类，如果我们能通过利用使能技术（包括微滴制造、激光固化、激光烧结、激光熔覆等技术），加强在这些方面的基础研究，就能在金属打印上往前走一步。第二是金属的凝固过程，3D打印过程就是金属的非平稳的凝固，会带来一系列的问题，但目前基础研究不够。在金属的成型过程中，传统的办法就是通过高压来解决问题，还有没有别的办法和方法能解决这些问题。3D打印的首要应用领域就是制造业的重心——高端制造，一旦成功，影响会很大。

　　其次，3D打印要和生物制造相结合。将生物细胞作为3D打印的材料，把含有细胞活性的材料：一颗一颗的细胞，一个一个的高蛋白分子作为微粒组装起来。人体的每一个细胞都是独立的活的生命，我们可以创造条件，在人为的结构里让它生长，这就是用3D打印来组装细胞。把细胞和含有细胞的生物材料（与生物体相融，不排斥，不引起毒性的材料，像各种蛋白和胶原）组装成一个三维结构，让细胞按照需要生长，就可以得到我们想要的器官——可以修复和替代病损组织和器官的人造器官，这就是生物制造。

　　由于我们有了3D打印，有了离散堆积成形的本事，就可以为细胞创造舒适的生长环境，就能让其长成器官和修复器官。生物制造的出现克服了传统组织工程的许多技术困难，使得人体组织和器官的再生手段大大丰富和加强。现在制造皮肤和人工骨头已不成问题，但是肝、肾、心脏组织还是不能组装出来。只要我们把离散堆积理念和生物材料、医学、生命科学相结合，就能在这个领域有更新更大的突破，这也是我感兴趣的方向，我曾经为此费寝忘食地做过研究。

　　第三个用途就是将3D打印技术应用于教育培训、动漫艺术品、装饰品等个人和家庭消费等领域。3D打印在这些领域的发展比较快，遇到的困难也很少，尤其在教育领域大有可为。它可以用来启发年轻人的智力，训练抽象思维；还可以把很多二维的影像记录变成可触摸的实体结构，用于形象教学。

　　技术研发团队除了要看准方向，还要有灵活机动的战略战术。在研发初期，需要获得来自外部的支持。初期的发展会比较困难，我们的技术团队前期主要是做服务，做服务投资小，可以很快获得利润，同时，在服务过程中还可以锻炼团队，提高团队的技术水平，增加大家的研发兴趣，增强信心。

　　搞3D打印要在材料上下功夫。材料研究很困难，由于材料研究涉及到各种各样的手段，如果没有大型的仪器，很难进入到材料科学的本质核心，只能在外围转悠。材料研究最好能跟高校和科研院所结合，其他的自己来做，我们刚开始就没有能力购买大型仪器。科研机构不要试图替代企业自己来做整机，做好自己的研究工作才是最要紧的，整机可以交给工厂、企业去做。3D打印可以从小机器开始做起，我们昆山公司只要有条件都要去做的。

　　在3D打印领域，我认为中国跟国外相比还是有优势的。中国的教育领域市场广大，经济总量世界第二，3D打印可以大大节省材料和节约能源，避免了普通成型的开机过程，以及成型材料在冷、热加工过程中的浪费。材料的浪费就是能源、工时、金钱的浪费。我们国家的基础好，对3D需求总量比别的国家也大。另外3D打印进入到国防军事领域是重要的方向，国家的需求也很大。

　　本刊记者：企业作为创新的主体，在3D打印产业发展中将会起到什么作用？3D打印是很大的一个市场，您认为3D打印走入百姓生活还会有多远？

　　颜永年：在3D打印产业发展中，企业应该发挥主力军的作用，全力推动产业的发展。目前，最困难的是材料。如果让我们自己独立来研究材料的确很难，现在国内有些企业只会抄袭别人的技术，这都不是长久之计。

　　的确，随着人们的个性化追求日益强烈，以及3D打印技术的日益成熟，加上其制造成本低、生产周期短等巨大优势，3D打印必将逐步从专业领域进入老百姓的日常生活，3D打印的市场空间会越来越大。

　　我认为3D打印未来的市场格局是：可能有三分之一在金属成型上，就是重型装备、基础制造和军工方面；第二就是在生物制造方面；第三就是用在普通百姓的生活中，因为生活是丰富多彩的，3D打印尤其能够满足培养下一代健康成长的需求。

　　最后，我想补充说明的是，我们国家很重视3D打印，也成立了相关的行业组织，有组织的支持固然很好。但要想让3D打印真正发展起来，首先就要让每个企业强大起来，要让每个科研机构成熟起来。国家要有广阔而长远的视野，政府不要急于求成，不要仅仅用经济指标来衡量一个企业，而要看这个企业在生产、在技术、在概念上有什么突破，对人才的培养、对年轻人学术水平的提高有什么积极的贡献。只有大家的整体水平提高了，这个社会才能好起来。当然，也不要认为3D打印什么问题都能解决，马上就能解决。我更愿意从长远发展上来看企业真正拥有的专利技术，以及对行业、产业的真正贡献。