快速原型制造与设备

清华大学机械工程系教授 颜永年

 

      1988年底，在我忙于结束UCLA访问学者工作急于回国前，听说在美国出现了一种新的成形技术，即所谓的快速原型（Rapid Prototyping―RP）技术。它既不是切削加工，也不像铸、锻，更不是焊接，而是在计算机控制下，用激光束去固化一种树脂，获得微小的质点，累加堆积而成形。对于我这样一位从事成形科学几十年，而时常希望有机会搞点新成形方法的人来说，这的确是一个极具吸引力、新鲜的思想，一个不可多得的信息。我为此兴奋不已并敏锐地认识到，这将是制造科学的新发展方向。回国后，由于工作的需要，立即投身到CIMS物流工作以及承担教学副系主任的工作，尽管工作十分繁忙，但这种“RP”的概念一直在我脑海中浮现。俞新陆教授从国外回国带来了有关SL（Sterolithagraphy）――一种最早出现的光成形RP技术的原理性介绍资料和研究情况，更促使我下决心投入人力进行研究。我很自然地想到了一个问题：既然要将材料质点堆积起来成形，就存在一个堆积路径规划的问题，即如何从点形成线，进而并线成面，最后将面迭加起来获得三维实体。很显然，这个“堆积路径规划”应从欲成形件的CAD模型中去获取，这就需要一个对CAD模型进行离散的分层和路径规划软件。1990年春天，我安排因材施教生杜朝辉同学研究这种分层软件问题。这是我国最早进行的RP数据处理的工作，也可以说，从此拉开了我国RP研究工作的序幕。1991年6月，我们邀请美国Drexel大学RP中心主任Dr J.Keverian教授来校讲学一周，并陪伴他到包括上海交大和西交大在内的许多所高等学校宣传RP学术思想，播撒快速原型的种子，为推动我国快速原型技术的发展而努力。1991年底，系领导班子换届，我卸去了系的领导工作，在继续开展CIMS物流的同时，得以有较多的时间从事RP的研究工作。

 

 

        如何开展研究工作，如何迎头赶上国外先进水平？当时国际市场上已出现了多种商品化RP设备，各种工艺更是层出不穷，我们可以一个工艺、一个工艺地研究，逐个摸清它的规律。或许可以称这种跟踪方法为“串行跟踪”，这种方法太慢，可能永远无法赶上国外先进水平；可以设想一种“并行跟踪”的方法：仔细分析各工艺方法的共同和差异点，根据共同点集中各RP的共性部分设计一个平台，一种可满足各工艺共同需要的软硬件系统，这就是世界第一台多功能RP实验平台――M-220的基本设计思想，，只用了半年时间，就完成M-220设备，这是一个拥有紫外激光和红外激光的两种光源的4轴联动系统。在这个平台上，再增加各工艺特殊需要部分，只花了两年多时间，即从92年至95年，就完成当时最流行的4种工艺LOM、FDM、SL和SLS的基本实验和分析对比，只用了通常用的跟踪方法一半的时间，从基础上挤入世界先进行列。94年7月份，LOM工艺通过国家鉴定，被评为“填补国内空白，世界先进水平”。我们迎头赶上国外同行的水平，速度之快令他们困惑不解“是否得到了中国政府或风险投资公司的特殊支持“（美国J.Keverian教授语）。当然，我们得到了各级领导的支持，殊不知最重要的支持还是在清华大学培养起来的正确的思想方法和力争上游的工作态度。在完成这个令世界同行吃惊的M-220工作中，几位博士生的名字是不应忘记的：他们是王万龙、林峰、张伟和冯伟。

 

        创业的艰辛

 

        建立一个国际一流的RP实验室――清华大学激光快速成形中心（CLRF）是很不容易的，这个重担落到教师和最初到实验工作的学生肩上。为了赶超世界先进水平，不仅需要研究平台（设备），还需引进一台具有世界先进水平的设备，作为研究的参照物。一台小型的紫外激光固化的快速成形机卖给学校的市价也要20万美元。从什么地方去搞这笔钱呢？等着拨款是不行的，通过与境外公司合资可以最快的速度获得此设备。我们千方百计寻求合作伙伴，用我们的预应力钢丝缠绕的技术作为知识资产与香港一家公司合资获得了当时全国最先进的SLA-250光固化设备。我们体会到改革开放的好处，它开辟了另一条非政府渠道的获得支持的途径。对我们这些只熟悉从国家申请研究经费的教授来说，这是一次成功的尝试，是一次创业奋斗。寻找什么样的外商伙伴？合资的法律、进出口和税务知识等等对我来说都是非常陌生的，为成立一个有利于我方发展的合资企业，付出了难以计数的辛劳。

 

        有了最初设备及计算机，又缺少面积，需从20多平方米的面积扩充为400平方米，谈何容易？我们截流了数年积累起来原本可作奖金发放的经费，全部用来兴建简易的实验室。在那最初的岁月里，记得搬入新实验室不久的一次暴雨，外面下大雨，室内就下小雨，全体师生上房顶用蔬菜大棚塑料布遮盖，有的年轻教师和学生在雨中整整浇了三个小时，为的是保护宝贵的成形设备和计算机。高性能的成形设备对环境要求很严格，我们真是“节衣缩食”尽量不出差，不进城，压缩一切可以压缩的开支挤出经费，逐步地完成400m²的装修，达到现代激光成形实验室的要求，同时又增加了400多平方米的辅助实验室，就这样一个现代化的RP研究、教学和开发基地，未花国家一分建设费用而兴建起来。从93年到96年，这是最艰苦的一段时间，实验室基本建设开销如此之大，耗尽了以前“科研收益的积蓄”。以致无法发给教师任何奖金，但无一怨言，这是我最为感动的一点。什么力量使CLRF的师生如此团结，具有如此大的凝聚力？对事业的追求和对科学探索的兴趣使师生走到一起来。教师与同学们从早到晚工作和生活在一起，我们努力创造好的工作环境，好的研究学习氛围。创造之神的思维骏马一旦奔驰起来岂能停止下来？在8小时工作之后，大部分师生都主动到实验室工作和学习至深夜。师生亲密无间，好似一家人。实验室为困难学生家庭还债，为路途遥远的学生补贴旅费，学生丢失了钱物可以得到帮助，对新婚的博士生发给祝贺的补助，为每个离开实验室的毕业生开欢送会。实验室是师生共同用汗水和心来铸造的，CLRF这就是大家的家。如今，在世界RP的同行中，CLRF享有盛名。

 

        产业化

 

        一个现代高技术的实验室将其成果进行产业化，固然是为了经济利益和社会效益，但从科研和教学本身的需要来说，也是十分重要的。为了引进国外设备而创建的殷华公司成为实验室进行产业化的主力军。大量的高水平的研究课题是在产业化的过程中发现的。保证产品功能而降低成本，绝不是一个修修改改的小问题，它会引发工作原理的根本变化，促使我们创造全新的结构。在降低成本的“促使”下，新的灵感就产生了，如果没有产业化的推动，这些发明创造从何而来？工程类的学科的发展，从根本上讲就是通过市场竞争而激发的成本―质量矛盾演化中实现的。产业化应有专门的队伍，它与以博士生为主体的研究队伍是相辅相承的，进行产业化的技术人员和工程师在帮助学生解决研究中各类工程和专门技术问题是绝对不可少；而博士生在解决理论问题、软件问题时则起了中坚作用。现代工程学科的多样性（边缘交叉）和实践性（需长期工程实践的积累）决定了上述两股力量相结合又分工的必然性。

 

        CLRF很好地做到这两股力量的结合，不但在研究和教学上获得了丰硕的成果（已批准和待批准的实用新型专利8项，发明专利4项；毕业的博士生15名，硕士生20名），而且在产业化工作取得了令世界同行瞩目的成果，我们可以生产四个系列：M――多功能系列；MEM――熔融挤压系列；SSM――分层实体制造系列和PLCM――无模铸型制造系列共9个型号的商品化的设备。我们采用世界名牌厂家的产品验收标准。我们的产品开始销售到境外，美、德、韩和我国台湾地区的公司来寻求合作。CLRF被GARPA（快速原型协会全球联盟）的主席，美国的J.Wohlers评为“世界高等学校中最大的，做工作最多的研究与开发单位”。我们是全国快速成形学术委员会主任单位、中国模协快经模具分会副主任单位、GARPA的中国代表。

 

 

        “信息革命时代”已经来临，这里所指的“信息”不仅指数据处理和通讯网络，而且还包括与之密切相关的、具有同等重要意义的生物技术（美国卡内基国际和平基金会主席杰西卡·马修斯论文“信息革命时代”）。许多有识之士，更直接地称声21世纪是“生物的世纪”。我认为任何一个学科，当其形成产业时，必然需要工程化，必然需要制造业的介入，生物技术要形成生物技术产业，也必须与制造科学相结合。快速原型技术在生物科技产业中占有重要的一席之地，那就是组织工程（Tissue Engineering）中的各种细胞组织培养框架结构：一种高度孔隙率（80%），由生物可降解材料制成的，根据病人个体组织几何结构的，带有材料梯度、结构梯度和功能梯度的复杂结构的成形制造，最适合的制造方法就是快速成形制造方法之一的数字喷射快速成形制造工艺，这就是早在94年我们就在国内首先开始进行MEM工艺研究的主要原因。

 

   由于CLRF在数字喷射成形方面的优势（由MEM工艺发展而来），我们采用羟基磷灰石―胶原蛋白自组装材料制造骨组织工程的骨组织培养的细胞载体框架结构。并与兄弟单位合作完成兔骨节断性缺损的修复实验，目前还在进行羊骨缺损修复培养实验。预计2000年底或2001年初可完成进入人体实验前的各阶段研究实验工作。根据病人受损和未受损骨CT数据，重构完整的骨几何结构，考虑治疗方案的要求，完成病人大段骨的CAD模型。采用CLRF研制的特殊数字喷射设备和快速成形工艺，采用上述生物活性材料完成复杂多孔的框架制造，与生长因子相复合，植入人体，完成大段人骨节断性损伤的修复―这是一种参加人体代谢过程的活骨，而非假体，假肢类型的骨结构。

 

        作为上述工作的初级阶段，骨骼假体的快速成形制造在医疗和康复工程中具有重要意义。如骨盆骨肿瘤的治疗，需切除骨瘤而配以钛合金的假体，由于骨盆结构之复杂性，仅根据CT的X光片子难以设计制造足够精度的假体。由于精度不够往往要在手术开始后，通过试配才能发现假体的尺寸精度问题，临时去修复、试配极大地延误了手术的进程，大大降低手术成功率。采用快速成形技术，可以将病人骨盆的CT数据高精度地转换成真实比例的骨盆实体模型。它具有三个方面的作用：帮助确定病灶位置和准确地确定切除范围；精确的手术规划；最为重要的是此模型之切除部分是钛合金植入体的精铸模型。显然，三维图像和虚拟现实的“实体”无论清晰度有多高，“实体”有多么逼真都无法起到上述三方面的作用，尤其是无法无模型而精铸成钛植入体。我们与医院合作量体制造“骨”完成采用快速原型技术治疗国内首创骨盆瘤。由于假体精度高（小于1mm）精确地与原骨盆吻合，缩短手术时间1/3，大大提高了愈合程度。此次成功，不但在医学界引起强烈的反响，而且使制造科学技术界极为振奋，现代医学需要现代制造工程，需要快速原型技术。

 

       近2-3年在人骨人工制造方面要做的工作，大致如上所述。从长远来说，人体器官――重要脏器的人工制造是我们的目标。与采用基因拚接技术在异种（如猪）培养可用于人体的器官的技术路线相比较，我们所采用技术路线则没有伦理和病毒问题，是既安全又现实的技术路线。显然，这是一种制造科学与生命科学和材料科学深度交叉的新学科领域，制造科学在此领域将绽放出夺目的光辉。

 

        快速成形技术在我校经历了8年的发展，在科学水平、创新能力、产品化程度、研究队伍和现代化的基地等都已进入世界先进行列，国内领先地位是由上述一系事实所证实的。