材料製造的「魔術師」沈志堅：產業標準為3D列印護航

近日，國家「千人計劃」特聘專家、清華大學教授、斯德哥爾摩大學材料化學系主任沈志堅接受採訪時表示，產業標準在確保3D列印個性化材料可靠性方面起著關鍵作用。

3D列印技術是當下全球範圍內非常熱門的領域，也是實現「工業4.0」以及 「中國智造」過程中的重要助力。該技術顛覆了以往的製造方法，通過增材製造的方式，使得製造傳統方法難以製造甚至於無法製造的零件成為可能，大大增加了設計的自由度。

2017年12月13日，工業和信息化部、發展改革委、教育部、公安部、財政部、商務部等十二部門聯合印發了《增材製造產業發展行動計劃（2017-2020年）》。這是十九大報告後，首個增材製造產業的國家政策文件，充分體現了國家對增材製造產業發展的重視和支持，對產業發展將發揮積極的推動作用。

「所謂的增材製造，就像燕子築窩、蜜蜂搭巢一樣，通過堆積材料一點一點得將部件做出來。而不是像傳統的切削等減材製造。」沈志堅強調，「3D列印要想實現產業化，有很多技術問題有待解決，其中一個主要挑戰就是列印出材料的穩定性問題。簡單說就是列印的部件可不可靠，能不能用，會不會出問題？」

在增材製造材料堆積的過程中，會形成特別的從毫米到納米的跨尺度微觀結構以及可能出現一些缺陷，會對材料的性能產生很大的影響。普遍認為3D列印出的材料性能不如傳統鍛造甚至於鑄造的材料。

沈志堅帶領的斯德哥爾摩大學團隊在提高3D列印材料性能上做出了重大的突破，列印出的不鏽鋼性能不僅遠遠好於鍛造的鋼材，還「順帶」解決了材料學的基礎問題以及在產業化道路上長期困擾科研人員的難題。

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材料的強度和塑性是一對互相較勁的對手，傳統的增加強度的手段必然會降低塑性，反之亦然。而3D列印的不鏽鋼同時具備優良的強度和塑性。 「要知其然，還要知其所以然。性能的提高關鍵在於微觀組織結構的調控。性能僅僅是冰山一角，想要看到整個冰山，還需要更多不同背景的合作者鼎力合作，重新梳理材料學的基礎問題，實現跨學科知識的融合。」

浙江大學的張澤院士和余倩研究員是中國材料學領域的權威，他們團隊的原位透射電子顯微鏡技術可以』看到』納米尺度的結構變化；英國冶金領域的傳統強校伯明翰大學的趙裕隆博士在納米尺度的力學分析方面有很深的造詣。經過沈志堅的協調，在斯德哥爾摩舉行的研討會上，三方一拍即合，組成了一個跨國跨學科的科研團隊，經過一年多的不懈努力，終於揭示出了納米尺度的增強增韌的機理。

「這項成果回答了關於3D列印部件可靠性的質疑，建立起了增材製造工藝-結構-性能之間的關聯。下一步的目標就是制定3D列印材料的標準，並把這個研究方法推廣到更多3D列印材料的研發中去。」沈志堅表示，產業標準在確保個性化材料可靠性方面起的作用非常之大，「從材料研發的角度講，要有意地發揮它的特長，突出個性化。但只要是工業產品，沒有標準，就不可能推廣，要有一個統一的量度，必須符合標準化。」

在3D列印產業，涉及很多跨界合作。沈志堅表示，懂技術的、懂材料的、懂應用的人才要相互溝通理解，腦洞要打開，同時還要相互融合，「相互合作，把不同專家的專門技術融合起來，就會產生協同效應，這樣1加1就大於2了」。

180頁3D列印行業應用白皮書（2017）

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