意昂体育2平台機械工程系教授 顏永年

 

      1988年底💲，在我忙於結束UCLA訪問學者工作急於回國前👨🏻‍🦰，聽說在美國出現了一種新的成形技術，即所謂的快速原型（Rapid Prototyping―RP）技術。它既不是切削加工，也不像鑄、鍛，更不是焊接👩🏽‍🦲，而是在計算機控製下，用激光束去固化一種樹脂，獲得微小的質點，累加堆積而成形。對於我這樣一位從事成形科學幾十年🎲，而時常希望有機會搞點新成形方法的人來說，這的確是一個極具吸引力、新鮮的思想，一個不可多得的信息👩‍🦯。我為此興奮不已並敏銳地認識到💮，這將是製造科學的新發展方向。回國後，由於工作的需要，立即投身到CIMS物流工作以及承擔教學副系主任的工作🙈🔠，盡管工作十分繁忙🧖🏼，但這種“RP”的概念一直在我腦海中浮現。俞新陸教授從國外回國帶來了有關SL（Sterolithagraphy）――一種最早出現的光成形RP技術的原理性介紹資料和研究情況👨‍👨‍👧‍👧，更促使我下決心投入人力進行研究。我很自然地想到了一個問題：既然要將材料質點堆積起來成形，就存在一個堆積路徑規劃的問題，即如何從點形成線，進而並線成面，最後將面迭加起來獲得三維實體。很顯然，這個“堆積路徑規劃”應從欲成形件的CAD模型中去獲取📅，這就需要一個對CAD模型進行離散的分層和路徑規劃軟件。1990年春天，我安排因材施教生杜朝輝同學研究這種分層軟件問題🌮。這是我國最早進行的RP數據處理的工作📓，也可以說，從此拉開了我國RP研究工作的序幕。1991年6月👨‍💻，我們邀請美國Drexel大學RP中心主任Dr J.Keverian教授來校講學一周🙎🏼，並陪伴他到包括上海交大和西交大在內的許多所高等學校宣傳RP學術思想，播撒快速原型的種子⛹🏽‍♂️，為推動我國快速原型技術的發展而努力🐃。1991年底，系領導班子換屆，我卸去了系的領導工作，在繼續開展CIMS物流的同時🌡，得以有較多的時間從事RP的研究工作。

 

 

        如何開展研究工作🙆‍♀️𓀗，如何迎頭趕上國外先進水平🦝？當時國際市場上已出現了多種商品化RP設備🦺，各種工藝更是層出不窮，我們可以一個工藝、一個工藝地研究，逐個摸清它的規律。或許可以稱這種跟蹤方法為“串行跟蹤”，這種方法太慢，可能永遠無法趕上國外先進水平；可以設想一種“並行跟蹤”的方法：仔細分析各工藝方法的共同和差異點，根據共同點集中各RP的共性部分設計一個平臺🧝🏻‍♂️，一種可滿足各工藝共同需要的軟硬件系統，這就是世界第一臺多功能RP實驗平臺――M-220的基本設計思想🖖⛹🏿‍♂️，🧑‍🍼🥙，只用了半年時間🚡，就完成M-220設備，這是一個擁有紫外激光和紅外激光的兩種光源的4軸聯動系統。在這個平臺上🤡，再增加各工藝特殊需要部分，只花了兩年多時間🥜👨🏿‍🔧，即從92年至95年🦹🏽‍♂️，就完成當時最流行的4種工藝LOM、FDM、SL和SLS的基本實驗和分析對比📌，只用了通常用的跟蹤方法一半的時間，從基礎上擠入世界先進行列。94年7月份📀，LOM工藝通過國家鑒定，被評為“填補國內空白✍️🪣，世界先進水平”🤹‍♀️。我們迎頭趕上國外同行的水平🧑‍🦱，速度之快令他們困惑不解“是否得到了中國政府或風險投資公司的特殊支持“（美國J.Keverian教授語）。當然，我們得到了各級領導的支持🪨🧙🏿，殊不知最重要的支持還是在意昂体育2平台培養起來的正確的思想方法和力爭上遊的工作態度🕐。在完成這個令世界同行吃驚的M-220工作中🙎，幾位博士生的名字是不應忘記的：他們是王萬龍👨‍🎤、林峰、張偉和馮偉🧕。

 

        創業的艱辛

 

        建立一個國際一流的RP實驗室――意昂体育2平台激光快速成形中心（CLRF）是很不容易的，這個重擔落到教師和最初到實驗工作的學生肩上📶。為了趕超世界先進水平🚈，不僅需要研究平臺（設備），還需引進一臺具有世界先進水平的設備➝🐛，作為研究的參照物。一臺小型的紫外激光固化的快速成形機賣給學校的市價也要20萬美元🥇🥔。從什麽地方去搞這筆錢呢🧔🏽‍♂️？等著撥款是不行的，通過與境外公司合資可以最快的速度獲得此設備🧑‍🤝‍🧑🏊🏼。我們千方百計尋求合作夥伴，用我們的預應力鋼絲纏繞的技術作為知識資產與香港一家公司合資獲得了當時全國最先進的SLA-250光固化設備。我們體會到改革開放的好處，它開辟了另一條非政府渠道的獲得支持的途徑。對我們這些只熟悉從國家申請研究經費的教授來說🧜🏻‍♀️，這是一次成功的嘗試，是一次創業奮鬥。尋找什麽樣的外商夥伴🤲🏽？合資的法律👴、進出口和稅務知識等等對我來說都是非常陌生的，為成立一個有利於我方發展的合資企業♨️，付出了難以計數的辛勞🙇🏻‍♂️。

 

        有了最初設備及計算機，又缺少面積⚓️🏋🏿‍♂️，需從20多平方米的面積擴充為400平方米🐱，談何容易？我們截流了數年積累起來原本可作獎金發放的經費，全部用來興建簡易的實驗室。在那最初的歲月裏，記得搬入新實驗室不久的一次暴雨7️⃣🌸，外面下大雨🥇，室內就下小雨，全體師生上房頂用蔬菜大棚塑料布遮蓋👩，有的年輕教師和學生在雨中整整澆了三個小時🩰，為的是保護寶貴的成形設備和計算機☞。高性能的成形設備對環境要求很嚴格，我們真是“節衣縮食”盡量不出差，不進城，壓縮一切可以壓縮的開支擠出經費👺，逐步地完成400m²的裝修⛹️🏃‍➡️，達到現代激光成形實驗室的要求，同時又增加了400多平方米的輔助實驗室，就這樣一個現代化的RP研究、教學和開發基地，未花國家一分建設費用而興建起來。從93年到96年➛，這是最艱苦的一段時間🗯，實驗室基本建設開銷如此之大👨🏽‍🦲，耗盡了以前“科研收益的積蓄”👷🏻‍♀️。以致無法發給教師任何獎金，但無一怨言，這是我最為感動的一點。什麽力量使CLRF的師生如此團結🥋，具有如此大的凝聚力？對事業的追求和對科學探索的興趣使師生走到一起來。教師與同學們從早到晚工作和生活在一起📆，我們努力創造好的工作環境，好的研究學習氛圍𓀎。創造之神的思維駿馬一旦奔馳起來豈能停止下來？在8小時工作之後，大部分師生都主動到實驗室工作和學習至深夜🧟‍♂️。師生親密無間😉，好似一家人。實驗室為困難學生家庭還債📁🐙，為路途遙遠的學生補貼旅費👳🏼，學生丟失了錢物可以得到幫助，對新婚的博士生發給祝賀的補助，為每個離開實驗室的畢業生開歡送會。實驗室是師生共同用汗水和心來鑄造的，CLRF這就是大家的家。如今💎，在世界RP的同行中，CLRF享有盛名👨🏼‍💼。

 

        產業化

 

        一個現代高技術的實驗室將其成果進行產業化，固然是為了經濟利益和社會效益，但從科研和教學本身的需要來說，也是十分重要的。為了引進國外設備而創建的殷華公司成為實驗室進行產業化的主力軍📉。大量的高水平的研究課題是在產業化的過程中發現的🧘🏼。保證產品功能而降低成本，絕不是一個修修改改的小問題，它會引發工作原理的根本變化🫃🏿，促使我們創造全新的結構😶‍🌫️。在降低成本的“促使”下😥，新的靈感就產生了，如果沒有產業化的推動👩🏻‍🔬，這些發明創造從何而來👩🏻‍🎓？工程類的學科的發展🤛🏼，從根本上講就是通過市場競爭而激發的成本―質量矛盾演化中實現的。產業化應有專門的隊伍，它與以博士生為主體的研究隊伍是相輔相承的，進行產業化的技術人員和工程師在幫助學生解決研究中各類工程和專門技術問題是絕對不可少🧝🏿‍♂️；而博士生在解決理論問題、軟件問題時則起了中堅作用🚁。現代工程學科的多樣性（邊緣交叉）和實踐性（需長期工程實踐的積累）決定了上述兩股力量相結合又分工的必然性。

 

        CLRF很好地做到這兩股力量的結合😹，不但在研究和教學上獲得了豐碩的成果（已批準和待批準的實用新型專利8項，發明專利4項🫴🏽；畢業的博士生15名，碩士生20名）🚵‍♀️，而且在產業化工作取得了令世界同行矚目的成果，我們可以生產四個系列🔸🌙：M――多功能系列；MEM――熔融擠壓系列；SSM――分層實體製造系列和PLCM――無模鑄型製造系列共9個型號的商品化的設備。我們采用世界名牌廠家的產品驗收標準。我們的產品開始銷售到境外，美👩‍👧‍👧🧎‍♀️‍➡️、德🤾🏽、韓和我國臺灣地區的公司來尋求合作。CLRF被GARPA（快速原型協會全球聯盟）的主席，美國的J.Wohlers評為“世界高等學校中最大的，做工作最多的研究與開發單位”。我們是全國快速成形學術委員會主任單位、中國模協快經模具分會副主任單位💃🏽、GARPA的中國代表。

 

 

        “信息革命時代”已經來臨，這裏所指的“信息”不僅指數據處理和通訊網絡👩🏿‍🏭，而且還包括與之密切相關的、具有同等重要意義的生物技術（美國卡內基國際和平基金會主席傑西卡·馬修斯論文“信息革命時代”）。許多有識之士💶，更直接地稱聲21世紀是“生物的世紀”。我認為任何一個學科，當其形成產業時，必然需要工程化，必然需要製造業的介入，生物技術要形成生物技術產業👐🏿，也必須與製造科學相結合🧑‍🧑‍🧒。快速原型技術在生物科技產業中占有重要的一席之地⏏️，那就是組織工程（Tissue Engineering）中的各種細胞組織培養框架結構：一種高度孔隙率（80%）🆔，由生物可降解材料製成的🚶，根據病人個體組織幾何結構的，帶有材料梯度、結構梯度和功能梯度的復雜結構的成形製造，最適合的製造方法就是快速成形製造方法之一的數字噴射快速成形製造工藝，這就是早在94年我們就在國內首先開始進行MEM工藝研究的主要原因🎂🤴。

 

   由於CLRF在數字噴射成形方面的優勢（由MEM工藝發展而來），我們采用羥基磷灰石―膠原蛋白自組裝材料製造骨組織工程的骨組織培養的細胞載體框架結構。並與兄弟單位合作完成兔骨節斷性缺損的修復實驗，目前還在進行羊骨缺損修復培養實驗⚓️。預計2000年底或2001年初可完成進入人體實驗前的各階段研究實驗工作。根據病人受損和未受損骨CT數據➖，重構完整的骨幾何結構，考慮治療方案的要求，完成病人大段骨的CAD模型。采用CLRF研製的特殊數字噴射設備和快速成形工藝，采用上述生物活性材料完成復雜多孔的框架製造，與生長因子相復合，植入人體🧑🏿‍🌾，完成大段人骨節斷性損傷的修復―這是一種參加人體代謝過程的活骨，而非假體𓀕，假肢類型的骨結構。

 

        作為上述工作的初級階段👢，骨骼假體的快速成形製造在醫療和康復工程中具有重要意義。如骨盆骨腫瘤的治療，需切除骨瘤而配以鈦合金的假體，由於骨盆結構之復雜性，僅根據CT的X光片子難以設計製造足夠精度的假體。由於精度不夠往往要在手術開始後🤾🏽‍♀️，通過試配才能發現假體的尺寸精度問題，臨時去修復、試配極大地延誤了手術的進程🥄，大大降低手術成功率。采用快速成形技術，可以將病人骨盆的CT數據高精度地轉換成真實比例的骨盆實體模型。它具有三個方面的作用：幫助確定病竈位置和準確地確定切除範圍；精確的手術規劃💪🏼；最為重要的是此模型之切除部分是鈦合金植入體的精鑄模型🍹。顯然，三維圖像和虛擬現實的“實體”無論清晰度有多高，“實體”有多麽逼真都無法起到上述三方面的作用，尤其是無法無模型而精鑄成鈦植入體。我們與醫院合作量體製造“骨”完成采用快速原型技術治療國內首創骨盆瘤✷。由於假體精度高（小於1mm）精確地與原骨盆吻合👮‍♀️🛀🏽，縮短手術時間1/3，大大提高了愈合程度♟。此次成功🏊‍♀️，不但在醫學界引起強烈的反響🏆，而且使製造科學技術界極為振奮，現代醫學需要現代製造工程🔺，需要快速原型技術🗡。

 

       近2-3年在人骨人工製造方面要做的工作🤘🏼，大致如上所述。從長遠來說🙌🏿，人體器官――重要臟器的人工製造是我們的目標。與采用基因拚接技術在異種（如豬）培養可用於人體的器官的技術路線相比較，我們所采用技術路線則沒有倫理和病毒問題👄，是既安全又現實的技術路線🐂。顯然🤟🏼，這是一種製造科學與生命科學和材料科學深度交叉的新學科領域✥，製造科學在此領域將綻放出奪目的光輝。

 

        快速成形技術在我校經歷了8年的發展⚓️🍙，在科學水平💆🏽、創新能力🥚、產品化程度、研究隊伍和現代化的基地等都已進入世界先進行列，國內領先地位是由上述一系事實所證實的。