“對于激光燒結3D 打印的制造技術來說，在兩小時內(nèi)制造一個汽車軸承是再輕松不過的事情。”許小曙說。在他的打印樣品展示間里，隨處可見各種結構精密復雜的展示品：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已經(jīng)失傳，但對于激光燒結3D 打印機來說，制造這樣一個結構復雜的鏤空球與“打印”一個相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”的一種形象化的描述，即在原來二維打印的基礎上，通過逐層疊加的方式打印出三維的物體。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。“信息化技術普及后，人們利用計算機將設計理念反映出來，但在制造時又回到了傳統(tǒng)機械加工的方式，廣義3D 打印將信息技術的虛擬構想直接變?yōu)榱爽F(xiàn)實構件。”
“只要能設計出來，就能打印出來。”華中科技大學快速制造中心史玉升教授對3D 打印技術如此詮釋，史玉升的另一重身份是專門從事3D 打印設備及其成形材料開發(fā)與銷售的武漢濱湖機電技術產(chǎn)業(yè)有限公司（以下簡稱“濱湖機電”）的董事長，而成立于1996 年的濱湖機電是中國最早進入3D 打印領域的產(chǎn)業(yè)化公司之一。
3D 打印技術的出現(xiàn)的確給人們的生活帶來不少驚喜。2011 年，英國科學家利用3D 打印技術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普通鋼鋁自行車的1/3，但堅固度卻毫不遜色；同年底，英國南安普頓大學打印了一架翼展6.5 英尺、最高時速可達100 英里/ 小時的無人駕駛小飛機；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、結實、防水，并已經(jīng)開始在網(wǎng)上銷售。
今年58 歲的許小曙，從1998 年加入全球最大的3D 打印設備制造商3D 系統(tǒng)公司（3D Systems）擔任技術總監(jiān)以來，一直從事3D 打印中的選擇性激光燒結（Selective Laser Sintering）技術的研究和產(chǎn)品開發(fā)。選擇性激光燒結技術被公認為3D 打印應用于工業(yè)制造領域的最佳技術途徑，無論是3D 打印自行車還是3D 打印飛機都是通過選擇性激光燒結技術制造出來的。而在國際選擇性激光燒結技術領域，許小曙更被視為這一領域的技術泰斗，他帶領3D 系統(tǒng)公司研發(fā)出4 代激光燒結3D 打印機，在業(yè)內(nèi)，激光燒結3D 打印機甚至被稱為“Xu’s Machine”（許氏機器）。
“3D 打印是一個多學科交叉的技術領域，它包含了機械、材料、軟件、控制、光學、熱學多領域的學科知識。”許小曙說。許小曙的多學科背景恰恰非常符合進入這一領域。出生于湖南的他在湘潭大學完成了研究生的課程，其專業(yè)跨越機械、數(shù)學和計算機。在大學執(zhí)教3 年后，他到美國科羅拉多礦業(yè)大學攻讀數(shù)學博士學位，但興趣所驅(qū)，他選擇了與數(shù)學毫不相關的材料學作為副修。在取得數(shù)學博士學位同時，許小曙拿到了材料學的碩士。離開學校后，許小曙進入美國海軍焊接研究所從事焊接機器人研究長達7 年，其研究成果被國際金屬手冊（AMS Handbook）指定為智能弧焊機器人系統(tǒng)的世界標準，這為他之后從事選擇性激光燒結技術的研究奠定了基礎。“選擇性激光燒結實際上也是激光微焊接技術的一種應用。”許小曙說。
同樣在1998 年，從事了多年機械自動化研究的史玉升加入武漢華中科技大學，負責基于粉末床的3D 打印設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械工程專家、華中科技大學原校長黃樹槐（1930-2007）教授于1991 年創(chuàng)立的，此前主要研究紙質(zhì)材料的3D 打印技術，我加入后的主要任務是負責研發(fā)基于粉末材料的3D 打印技術，也就是選擇激光燒結技術和選擇性激光融化（SelectiveLaser Melting）技術。”史玉升介紹。
在3D 打印領域，中國走出了一條與國際公司幾乎同步、但不同軌的道路。史玉升加入快速制造中心的研究工作后，首要的任務是研發(fā)激光燒結3D 打印機及其合適的粉末材料。“國外多以尼龍粉末材料做為激光燒結材料，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，然而這種材料為國外廠商壟斷，售價高達每公斤上千元，是中國企業(yè)難以企及的，”史玉升說，“而當時國內(nèi)企業(yè)對3D 打印技術的需求集中于輔助新產(chǎn)品的開發(fā)，主要用于打印產(chǎn)品模型和鑄造用蠟模。”
經(jīng)過調(diào)研和實驗研究，史玉升最終找到了以聚苯乙烯作為基材的激光燒結3D打印機的首選耗材。“這種材料的價格僅僅是尼龍材料的幾分之一。”史玉升說。在突破耗材瓶頸后，1999 年史玉升團隊研發(fā)出了工作臺面達0.4 米×0.4 米的激光燒結3D 打印機，2002 年工作臺面達0.5 米×0.5 米，超過了當時全球領先的美國3D 系統(tǒng)公司；2008 年，史玉升團隊再次研發(fā)出工作臺面達1 米×1 米的激光燒結3D 打印機，并且全面進入市場銷售。2010 年，開發(fā)出1.2 米×1.2 米的全球最大的激光燒結3D 打印機。
2006 年，上海的民營企業(yè)凱泉泵業(yè)就引進了濱湖機電的激光燒結3D打印機。后來，激光燒結3D 打印機為這家處于快速發(fā)展期的民營企業(yè)爭奪一個核泵項目立下了汗馬功勞。當時競爭十分激烈，而對于凱泉泵業(yè)來說，核泵無疑是屬于小批量、個性化設計的產(chǎn)品，如果用傳統(tǒng)的方式設計、開模，那么一方面研發(fā)周期很長，另一方面投資也相當巨大—開一個模的費用可能就要上百萬。
“凱泉泵業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)負責人非常喜歡我們的3D 打印機，當即決定購買一臺，結果這臺3D 打印機幫助他們拿到了此前從未進入過的核泵領域的項目訂單。” 史玉升透露說。凱泉泵業(yè)現(xiàn)在是全球前十大泵業(yè)廠商，而他們已經(jīng)累計購買了5 臺濱湖機電研制的3D 打印機。
長期在美國從事3D 打印技術研究的許小曙走的是另一條道路：工業(yè)化高端應用。許小曙追求的目標很簡單：打印出工業(yè)上能夠直接使用的零部件。“對于制造業(yè)來說，3D 打印目前最適合小批量、個性化的產(chǎn)品生產(chǎn)，這在航空、醫(yī)療器械、軍事等領域有著旺盛的需求。”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，一般來說飛機制造公司一年的產(chǎn)能僅為幾十架次。每架飛機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，而且效率低下。所以，激光燒結3D 打印機一出來就得到了飛機制造公司的歡迎。“美國波音公司的指定生產(chǎn)商擁有近百臺激光燒結3D 打印設備；洛克希德· 馬丁公司的F18、F22、F31 飛機的很多配件，包括幾乎所有的風管都是用激光燒結3D 打印機打印出來的；歐洲空中客車公司A380 豪華客機頭等艙中的部件和裝飾有1/3 也是用激光燒結3D 打印制造的，因為飛機制造商是為各國航空公司定制飛機，各國對飛機內(nèi)飾的要求大相徑庭。”許小曙解釋說。高端醫(yī)療器械廠商的需求與飛機制造公司類似，他們的零件需求同樣符合小批量的特點。
2008 年，時年54 歲的許小曙便產(chǎn)生了自己創(chuàng)業(yè)的想法。“在研究了多年選擇性激光燒結3D打印技術后，我希望能夠擁有自己的公司，把更多對選擇性激光燒結3D 打印技術有推動的想法付諸實踐，”許小曙說，他把目光瞄向了中國，因為美國市場已經(jīng)過于成熟，“如果再為別人打工，我的很多挑戰(zhàn)工業(yè)化高端應用的想法會受到限制。”2010 年，在得到一筆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任公司。
從組建團隊、培訓團隊，到研發(fā)出第一臺華曙激光燒結3D 打印機，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3D 打印機已經(jīng)出口至美國。“比起國際領先的同類產(chǎn)品，我們的設備在溫度控制方面有了顯著提升，”許小曙說，“而溫度控制的好壞直接關系到成品的精確度。”因為在激光燒結過程中會產(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)許小曙透露，華曙激光燒結3D 打印機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3D打印領域的個人聲譽，華曙的設備立刻得到了國際市場的認可。全球3D打印設備的領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打印出來100 多件樣品并帶回測試，每一件的性能指標都達到或超過標準。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，華曙高科已經(jīng)接到了多臺來自海外的3D 打印機訂單。據(jù)許小曙預計，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)對于3D 打印領域仍然比較陌生，我們正在通過各種方式與企業(yè)合作，培育國內(nèi)市場。”他們剛剛幫助山河智能打印了一個無人飛機的尾翼，今年11 月，華曙高科的團隊籌劃打印一個板胡，讓擅長音樂的許小曙用這個特殊制造方式生產(chǎn)的樂器做一個公開表演。
在做激光燒結3D打印設備的同時，許小曙把材料的研發(fā)放在了至關重要的戰(zhàn)略地位。“與傳統(tǒng)打印行業(yè)的盈利模式類似，未來耗材可能成為支撐3D 打印行業(yè)發(fā)展的主要盈利模式。”許小曙說。目前國際上選擇性激光燒結打印的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已經(jīng)進入了激光燒結3D打印，但過高的成本是制約其發(fā)展的關鍵因素。”許小曙說。在許小曙帶領下，華曙高科利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，而且售價遠低于贏創(chuàng)。“在性能上，我們的尼龍材料加工出來的零部件雖然機械強度略低于贏創(chuàng)，但柔韌性指標卻比它們好一倍，我們的價格也非常有優(yōu)勢，”許小曙頗為驕傲地說，“我預計耗材價格如果降低1 倍，我們的市場將擴大10 倍，今年我們已經(jīng)接到了30 噸的耗材訂單，客戶遍布歐美。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，史玉升帶領的濱湖機電已經(jīng)取得了較好的業(yè)績 ，累計銷售200 多臺各種類型的3D 打印機及其配套的成形材料。“重要的是，更多的行業(yè)開始接受3D 打印的理念，而其中很多公司是民營企業(yè)。”史玉升說。
剛剛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。“這是個保守的估計，”許小曙說。許小曙回憶起上世紀80 年代在美國大學里第一次看到數(shù)控機床時的情景。“它被放在一個機器人的旁邊，要近距離參觀必須得到院長的許可，但20 多年后，僅中國每年的數(shù)控機床產(chǎn)量已經(jīng)達到幾十萬臺，”許小曙回憶說，“我相信數(shù)控機床的今天就是3D 打印機的明天！”
