“關(guān)于激光燒結(jié)3D 打印的制造技術(shù)來說，在兩小時內(nèi)制造一個汽車軸承是再輕松只是的情況。”許小曙說。在他的打印樣品展示間里，隨處可見各種結(jié)構(gòu)精密龐大的展示品：一個類似中國古代象牙雕刻的9 層鏤空套球特別引人注目。這種用手工鏤空雕刻的技藝差不多失傳，但關(guān)于激光燒結(jié)3D 打印機(jī)來說，制造如此一個結(jié)構(gòu)龐大的鏤空球與“打印”一個雷同大小的實心球的難度沒有任何區(qū)別。“從成本上來說，實心球還更昂貴，因為耗材更多。”
3D 打印是對“添加法制造技術(shù)”的一種形象化的描述，即在原來二維打印的基礎(chǔ)上，通過逐層疊加的方法打印出三維的物體。在許小曙看來，廣義3D 打印是下一代數(shù)字化制造的核心技術(shù)。“信息化技術(shù)普及后，人們使用計算機(jī)將設(shè)計理念反映出來，但在制造時又回到了傳統(tǒng)機(jī)械加工的方法，廣義3D 打印將信息技術(shù)的虛擬構(gòu)想直接變?yōu)榱爽F(xiàn)實構(gòu)件。”
“只要能設(shè)計出來，就能打印出來。”華中科技大學(xué)快速制造中心史玉升傳授對3D 打印技術(shù)如此詮釋，史玉升的另一重身份是專門從事3D 打印設(shè)備及其成形材料開發(fā)與銷售的武漢濱湖機(jī)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)有限公司（以下簡稱“濱湖機(jī)電”）的董事長，而成立于1996 年的濱湖機(jī)電是中國最早進(jìn)入3D 打印土地的產(chǎn)業(yè)化公司之一。
3D 打印技術(shù)的出現(xiàn)的確給人們的生活帶來很多驚喜。2011 年，英國科學(xué)家使用3D 打印技術(shù)打印了一輛可以騎行的自行車，這輛尼龍材料打印的自行車重量只有一般鋼鋁自行車的1/3，但堅固度卻毫不遜色；同年底，英國南安普頓大學(xué)打印了一架翼展6.5 英尺、最高時速可達(dá)100 英里/ 小時的無人駕駛小飛機(jī)；今年，美國一家時尚工作室打印出了無須縫制的比基尼泳衣，這套泳衣幾何圖案美觀、結(jié)實、防水，并差不多結(jié)束在網(wǎng)上銷售。
今年58 歲的許小曙，從1998 年進(jìn)入全球最大的3D 打印設(shè)備制造商3D 系統(tǒng)公司（3D Systems）擔(dān)任技術(shù)總監(jiān)以來，一直從事3D 打印中的選擇性激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering）技術(shù)的研究和產(chǎn)品開發(fā)。選擇性激光燒結(jié)技術(shù)被公認(rèn)為3D 打印應(yīng)用于工業(yè)制造土地的最佳技術(shù)途徑，無論是3D 打印自行車依然3D 打印飛機(jī)基本上通過選擇性激光燒結(jié)技術(shù)制造出來的。而在國際選擇性激光燒結(jié)技術(shù)土地，許小曙更被視為這一土地的技術(shù)泰斗，他帶領(lǐng)3D 系統(tǒng)公司研發(fā)出4 代激光燒結(jié)3D 打印機(jī)，在業(yè)內(nèi)，激光燒結(jié)3D 打印機(jī)甚至被稱為“Xu’s Machine”（許氏機(jī)器）。
“3D 打印是一個多學(xué)科交叉的技術(shù)土地，它包含了機(jī)械、材料、軟件、控制、光學(xué)、熱學(xué)多土地的學(xué)科知識。”許小曙說。許小曙的多學(xué)科背景恰恰非常適合進(jìn)入這一土地。出生于湖南的他在湘潭大學(xué)完成了研究生的課程，其專業(yè)跨越機(jī)械、數(shù)學(xué)和計算機(jī)。在大學(xué)執(zhí)教3 年后，他到美國科羅拉多礦業(yè)大學(xué)攻讀數(shù)學(xué)博士學(xué)位，但興致所驅(qū)，他選擇了與數(shù)學(xué)毫不相關(guān)的材料學(xué)作為副修。在取得數(shù)學(xué)博士學(xué)位同時，許小曙拿到了材料學(xué)的碩士。脫離學(xué)校后，許小曙進(jìn)入美國海軍焊接研究所從事焊接機(jī)器人研究長達(dá)7 年，其研究成果被國際金屬手冊（AMS Handbook）指定為智能弧焊機(jī)器人系統(tǒng)的世界標(biāo)準(zhǔn)，這為他之后從事選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的研究奠定了基礎(chǔ)。“選擇性激光燒結(jié)實際上也是激光微焊接技術(shù)的一種應(yīng)用。”許小曙說。
同樣在1998 年，從事了多年機(jī)械自動化研究的史玉升進(jìn)入武漢華中科技大學(xué)，擔(dān)負(fù)基于粉末床的3D 打印設(shè)備及其成形材料的研發(fā)“快速制造中心是由中國著名的機(jī)械工程專家、華中科技大學(xué)原校長黃樹槐（1930-2007）傳授于1991 年創(chuàng)立的，此前要緊研究紙質(zhì)材料的3D 打印技術(shù)，我進(jìn)入后的要緊任務(wù)是擔(dān)負(fù)研發(fā)基于粉末材料的3D 打印技術(shù)，也就是選擇激光燒結(jié)技術(shù)和選擇性激光融解（SelectiveLaser Melting）技術(shù)。”史玉升介紹。
在3D 打印土地，中國走出了一條與國際公司差一點同步、但不同軌的道路。史玉升進(jìn)入快速制造中心的研究工作后，首要的任務(wù)是研發(fā)激光燒結(jié)3D 打印機(jī)及其合適的粉末材料。“海外多以尼龍粉末材料做為激光燒結(jié)材料，相比于其他高分子材料，尼龍材料的確有強度高等諸多優(yōu)點，然而這種材料為海外廠商壟斷，售價高達(dá)每公斤上千元，是中國企業(yè)難以企及的，”史玉升說，“而當(dāng)初國內(nèi)企業(yè)對3D 打印技術(shù)的需求集中于輔助新產(chǎn)品的開發(fā)，要緊用于打印產(chǎn)品模型和鑄造用蠟?zāi)！?rdquo;
通過調(diào)研和實驗研究，史玉升最后找到了以聚苯乙烯作為基材的激光燒結(jié)3D打印機(jī)的首選耗材。“這種材料的價格偏偏是尼龍材料的幾分之一。”史玉升說。在突破耗材瓶頸后，1999 年史玉升團(tuán)隊研發(fā)出了工作臺面達(dá)0.4 米×0.4 米的激光燒結(jié)3D 打印機(jī)，2002 年工作臺面達(dá)0.5 米×0.5 米，超過了當(dāng)初全球領(lǐng)先的美國3D 系統(tǒng)公司；2008 年，史玉升團(tuán)隊再次研發(fā)出工作臺面達(dá)1 米×1 米的激光燒結(jié)3D 打印機(jī)，同時全面進(jìn)入市場銷售。2010 年，開發(fā)出1.2 米×1.2 米的全球最大的激光燒結(jié)3D 打印機(jī)。
2006 年，上海的民營企業(yè)凱泉泵業(yè)就引進(jìn)了濱湖機(jī)電的激光燒結(jié)3D打印機(jī)。后來，激光燒結(jié)3D 打印機(jī)為這家處于快速發(fā)展期的民營企業(yè)爭奪一個核泵項目立下了汗馬功勞。當(dāng)初競爭非常猛烈，而關(guān)于凱泉泵業(yè)來說，核泵無疑是屬于小批量、稟性化設(shè)計的產(chǎn)品，如果用傳統(tǒng)的方法設(shè)計、開模，那么一方面研發(fā)周期很長，另一方面投資也相當(dāng)巨大—開一個模的花費也許就要上百萬。
“凱泉泵業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)擔(dān)負(fù)人非常喜歡我們的3D 打印機(jī)，當(dāng)即決定購買一臺，結(jié)果這臺3D 打印機(jī)幫助他們拿到了此前從未進(jìn)入過的核泵土地的項目訂單。” 史玉升吐露說。凱泉泵業(yè)現(xiàn)在是全球前十大泵業(yè)廠商，而他們差不多累計購買了5 臺濱湖機(jī)電研制的3D 打印機(jī)。
長期在美國從事3D 打印技術(shù)研究的許小曙走的是另一條道路：工業(yè)化高端應(yīng)用。許小曙追求的目標(biāo)很簡單：打印出工業(yè)上能夠直接使用的零部件。“關(guān)于制造業(yè)來說，3D 打印目前最適合小批量、稟性化的產(chǎn)品生產(chǎn)，這在航空、醫(yī)療器械、軍事等土地有著振作的需求。”許小曙說。
與汽車廠商每年幾十萬輛的大規(guī)模生產(chǎn)不同，一般來說飛機(jī)制造公司一年的產(chǎn)能僅為幾十架次。每架飛機(jī)有幾十萬個零部件組成，如果開模生產(chǎn)，那將是一筆龐大的投入，同時功效低下。因此，激光燒結(jié)3D 打印機(jī)一出來就獲得了飛機(jī)制造公司的歡迎。“美國波音公司的指定生產(chǎn)商擁有近百臺激光燒結(jié)3D 打印設(shè)備；洛克希德· 馬丁公司的F18、F22、F31 飛機(jī)的很多配件，包括差一點所有的風(fēng)管基本上用激光燒結(jié)3D 打印機(jī)打印出來的；歐洲空中客車公司A380 豪華客機(jī)頭等艙中的部件和裝飾有1/3 也是用激光燒結(jié)3D 打印制造的，因為飛機(jī)制造商是為各國航空公司定制飛機(jī)，各國對飛機(jī)內(nèi)飾的要求大相徑庭。”許小曙解說說。高端醫(yī)療器械廠商的需求與飛機(jī)制造公司類似，他們的零件需求同樣適合小批量的特點。
2008 年，時年54 歲的許小曙便產(chǎn)生了自己創(chuàng)業(yè)的辦法。“在研究了多年選擇性激光燒結(jié)3D打印技術(shù)后，我希望能夠擁有自己的公司，把更多對選擇性激光燒結(jié)3D 打印技術(shù)有推動的辦法付諸實踐，”許小曙說，他把目光瞄向了中國，因為美國市場已通過于成熟，“如果再為旁人打工，我的很多挑戰(zhàn)工業(yè)化高端應(yīng)用的辦法會受到限制。”2010 年，在獲得一筆2,500 萬元的天使投資后，許小曙辭掉了美國的工作，只身回到家鄉(xiāng)湖南，建立了華曙高科技有限責(zé)任公司。
從組建團(tuán)隊、培訓(xùn)團(tuán)隊，到研發(fā)出第一臺華曙激光燒結(jié)3D 打印機(jī)，許小曙用了兩年多時間。今年8 月，華曙生產(chǎn)的第一臺激光燒結(jié)3D 打印機(jī)差不多出口至美國。“比起國際領(lǐng)先的同類產(chǎn)品，我們的設(shè)備在溫度控制方面有了顯著提升，”許小曙說，“而溫度控制的是非直接關(guān)系到成品的精確度。”因為在激光燒結(jié)過程中會產(chǎn)生熱脹冷縮，如果不能控制好溫度，打印出來的物體就會產(chǎn)生變形。據(jù)許小曙吐露，華曙激光燒結(jié)3D 打印機(jī)在使用尼龍材料制造時精度誤差可以控制在0.1 毫米以內(nèi)。
憑借許小曙在國際激光燒結(jié)3D打印土地的個人聲譽，華曙的設(shè)備立刻獲得了國際市場的認(rèn)可。全球3D打印設(shè)備的領(lǐng)先制造商以總裁和公司高管帶隊，多次到湖南華曙高科技公司考察。他們用華曙還未出廠的樣機(jī)打印出來100 多件樣品并帶回測試，每一件的性能指標(biāo)都達(dá)成或超過標(biāo)準(zhǔn)。他們甚至向許小曙拋出了收購的橄欖枝，許小曙婉言拒絕。
截至今年8 月底，華曙高科差不多接到了多臺來自海外的3D 打印機(jī)訂單。據(jù)許小曙預(yù)計，今年公司的營業(yè)收入將超過1,000 萬元。在開拓國際市場的同時，許小曙把中國市場看得無比重要。“中國企業(yè)關(guān)于3D 打印土地仍然比較陌生，我們正在通過各種方法與企業(yè)合作，培育國內(nèi)市場。”他們剛才幫助山河智能打印了一個無人飛機(jī)的尾翼，今年11 月，華曙高科的團(tuán)隊籌劃打印一個板胡，讓擅長音樂的許小曙用那個特殊制造方法生產(chǎn)的樂器做一個公開表演。
在做激光燒結(jié)3D打印設(shè)備的同時，許小曙把材料的研發(fā)給在了至關(guān)重要的戰(zhàn)略地位。“與傳統(tǒng)打印行業(yè)的盈利模式類似，未來耗材也許成為支撐3D 打印行業(yè)發(fā)展的要緊盈利模式。”許小曙說。目前國際上選擇性激光燒結(jié)打印的90% 的材料來自德國贏創(chuàng)（Evonik，其前身為德固賽）的尼龍材料，全球最大的3D 打印公司EOS 和3D 系統(tǒng)公司所使用的粉末材料都來源于他們。由于長期處于壟斷地位，這一材料售價高昂。
材料的多樣性是另一重挑戰(zhàn)。“除了高分子材料，目前陶瓷、金屬等各種類型的材料都差不多進(jìn)入了激光燒結(jié)3D打印，但過高的成本是制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素。”許小曙說。在許小曙帶領(lǐng)下，華曙高科使用從蓖麻油中提煉出的原材料，自行研發(fā)出一種尼龍材料，不但環(huán)保，同時售價遠(yuǎn)低于贏創(chuàng)。“在性能上，我們的尼龍材料加工出來的零部件盡管機(jī)械強度略低于贏創(chuàng)，但柔韌性指標(biāo)卻比它們好一倍，我們的價格也非常有優(yōu)勢，”許小曙頗為驕傲地說，“我預(yù)計耗材價格如果降低1 倍，我們的市場將擴(kuò)大10 倍，今年我們差不多接到了30 噸的耗材訂單，客戶遍布?xì)W美。而今年年底前我們將形成40 噸的產(chǎn)能規(guī)模。”
在市場銷售方面，史玉升帶領(lǐng)的濱湖機(jī)電差不多取得了較好的業(yè)績 ，累計銷售200 多臺各種類型的3D 打印機(jī)及其配套的成形材料。“重要的是，更多的行業(yè)結(jié)束同意3D 打印的理念，而其中很多公司是民營企業(yè)。”史玉升說。
剛才起步的許小曙則希望用2 年時間將公司的產(chǎn)能增加到每年100 臺。“這是個守舊的估計，”許小曙說。許小曙回憶起上世紀(jì)80 年代在美國大學(xué)里第一次看到數(shù)控機(jī)床時的情景。“它被放在一個機(jī)器人的邊上，要近距離參觀必須獲得院長的許可，但20 多年后，僅中國每年的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量差不多達(dá)成幾十萬臺，”許小曙回憶說，“我相信數(shù)控機(jī)床的今天就是3D 打印機(jī)的改日！”
