3D打印技術(shù)發(fā)展的哲學思考

李文佳++陳海秋

摘要：近年來，美歐等國政府以及航空制造商動作頻頻，以期促進3D打印技術(shù)在更多領域的應用。隨著我國綜合國力的增強，剖析先進制造技術(shù)發(fā)展的內(nèi)在動因和各種要素之間的關(guān)系顯得尤為重要，本文擬從3D打印技術(shù)的本質(zhì)、發(fā)展動因、先決條件、基本源泉和普遍規(guī)律等方面入手，探討3D打印技術(shù)發(fā)展的哲學問題。

關(guān)鍵詞：3D打印；技術(shù)；科技哲學

科學技術(shù)哲學是關(guān)于科學技術(shù)的哲學理論，是對科學技術(shù)的歷史成果和科學技術(shù)活動的哲學反思。長期以來，由于歷史與現(xiàn)實的諸多原因，我們對于技術(shù)的發(fā)展更多關(guān)注的是“其然”，而不是“其所以然”。目前，新一輪工業(yè)革命正在醞釀之中，其中一些先進國家非常具有代表性的做法，比如德國工業(yè)4.0、美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、日本工業(yè)4.1J。為了可以在新的一輪工業(yè)革命中占得先機，我國也制定了“中國制造2025”戰(zhàn)略，加強統(tǒng)籌規(guī)劃和宏觀部署，以智能制造為重點、發(fā)展高端制造，擬通過10年的努力，使中國進入世界制造強國，提升我國對美、歐、日等先進工業(yè)國家的戰(zhàn)略競爭力。實現(xiàn)數(shù)字化智能制造的關(guān)鍵技術(shù)有人工智能、智能機器人、3D打印技術(shù)等，在新一輪工業(yè)革命中，3D打印必然將迎來自己的蓬勃發(fā)展期，迫切需要從哲學層面思考和回答大量的“所以然”問題。

一、3D打印技術(shù)的本質(zhì)

在科技哲學視野下研究3D打印技術(shù)，其技術(shù)本質(zhì)是我們必須要探討的最基本問題。“質(zhì)”是某一事物區(qū)別于其他事物的內(nèi)在規(guī)定性。“本質(zhì)是決定物質(zhì)體系發(fā)展的主要特征和趨向的一些深刻聯(lián)系、關(guān)系以及內(nèi)在規(guī)律的總和。”所以，只有真正理解3D打印技術(shù)本質(zhì)，才能確切理解3D打印技術(shù)與人，技術(shù)與世界的本源關(guān)系，才能真正了解3D技術(shù)。

對于技術(shù)的本質(zhì)，我們很難用一句話概括出來。馬克思、恩格斯始終從普遍聯(lián)系、辨證發(fā)展的原理考察技術(shù)，把技術(shù)與生產(chǎn)密切結(jié)合起來，從生產(chǎn)力和它們之間的相互關(guān)系兩方面論述了技術(shù)的本質(zhì)。馬克思認為，“技術(shù)是人的本質(zhì)力量的對象化的產(chǎn)物。它是人類征服自然和改造自然的勞動手段，是一種生產(chǎn)力。”技術(shù)作為一種潛在的生產(chǎn)力，不僅使勞動工具和設備得以改進，擴大了勞動對象，而且還提高了勞動者素質(zhì)，提升了勞動生產(chǎn)率。從3D打印技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展來看，3D打印技術(shù)起步于20世紀80年代末，早些年該技術(shù)主要應用于專業(yè)化的工業(yè)設計與生產(chǎn)。隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展變更，其應用領域得到不斷的擴展與深化，直到上世紀90年代中期，3D打印技術(shù)開始逐漸進入大眾的視野。

事實上，3D打印技術(shù)是一種利用三維模型數(shù)據(jù)，通過材料的逐層累加，將數(shù)字化電腦模型變成固態(tài)物體的一系列技術(shù)，可以大幅降低工裝模具需求，減少材料消耗，縮短制造時間，還可以成形常規(guī)方法無法實現(xiàn)的新穎零件和復雜結(jié)構(gòu)。由此可見，3D打印技術(shù)的發(fā)展將會深刻影響先進制造業(yè)、工業(yè)設計業(yè)、生產(chǎn)性服務業(yè)、文化創(chuàng)意業(yè)、電子商務業(yè)及制造業(yè)信息化工程。當今，越來越多的產(chǎn)品可以不斷被3D打印技術(shù)出來，背后隱藏著諸多社會規(guī)律、經(jīng)濟規(guī)律和自然規(guī)律。從這個角度上看，3D打印技術(shù)的應用發(fā)展將會拓展人類視野，會是人類新的生產(chǎn)力性質(zhì)和水平的標志。

綜上，3D打印技術(shù)是合目的性的自然物質(zhì)運動規(guī)律發(fā)展的產(chǎn)物，是主體要素和客體要素的統(tǒng)一，同時技術(shù)本身也經(jīng)歷了一個從潛在形態(tài)到現(xiàn)實形態(tài)的發(fā)展過程，體現(xiàn)了現(xiàn)代社會生產(chǎn)力性質(zhì)和水平，完全符合技術(shù)的基本屬性。

二、3D打印技術(shù)發(fā)展的根本動因

一般來說，制造技術(shù)的創(chuàng)新主要由材料、工藝裝備、軟件等基礎技術(shù)的進步而推動。近年來，智能設備、高性能計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展進一步推動了制造業(yè)向精益化、智能化、柔性化、敏捷化的方向創(chuàng)新發(fā)展，在多個領域掀起了制造模式的變革。一直以來，先進裝備的發(fā)展對制造技術(shù)影響最廣泛的四個特征就是：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)日益復雜、先進材料日益增加、研制周期日益緊迫、成本要求日益嚴格。由于傳統(tǒng)技術(shù)無法解決新的挑戰(zhàn)，因而制造技術(shù)創(chuàng)新的原則非常明確，那就是在制造的三個核心環(huán)節(jié)——成形、加工、裝配——中植入能夠改變現(xiàn)有模式的新方法、新手段、新設備，形成突破傳統(tǒng)的創(chuàng)新技術(shù)領域，為先進裝備創(chuàng)新的實現(xiàn)提供保障。目前，這些新的領域主要包括3D打印技術(shù)、復合材料非熱壓罐成形技術(shù)、自適應加工技術(shù)、自主化裝配技術(shù)、智能人工增強技術(shù)。在過去的20年中，3D打印的技術(shù)創(chuàng)新可以稱之為利用最少量的因素影響整個經(jīng)濟體系，繼而成為全球化體系的。在這個過程中，現(xiàn)實需求是技術(shù)發(fā)展的前提與基礎。一旦有了需求，技術(shù)能否發(fā)展以及如何發(fā)展，則取決于技術(shù)自身的發(fā)展狀態(tài)，即技術(shù)能否滿足當前及未來一個時期的現(xiàn)實需求。因此，可以說技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展驅(qū)動的根本原因就在于事物自身內(nèi)部的矛盾性。

（一）設計自由度與制造可行性之間的矛盾

高性能產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)越來越復雜，個性化、新穎設計的自由度越來越高，傳統(tǒng)減法式的制造工藝難以實現(xiàn)這些設計，對于設計與制造的要求也越來越高，拓撲優(yōu)化、薄壁輕質(zhì)結(jié)構(gòu)、復雜的三維形狀、革命性的微結(jié)構(gòu)、功能梯度材料結(jié)構(gòu)等復雜的設計和制造問題都對傳統(tǒng)制造方法提出了新的要求。以拓撲優(yōu)化技術(shù)與3D打印技術(shù)聯(lián)合，實現(xiàn)在結(jié)構(gòu)形成過程中植入傳感器和布線，或者接合部件以節(jié)省時間和金錢、減少節(jié)點或者其他可能導致失效的接頭數(shù)目。為節(jié)約材料，自然界與工程界大量采用輕質(zhì)薄壁的結(jié)構(gòu)形式，作為發(fā)生沖擊碰撞等突發(fā)事件時的緩沖吸能結(jié)構(gòu)。同一產(chǎn)品由于服役環(huán)境不同，對于自身材料提出新的要求，可以沿某一維度呈現(xiàn)功能梯度變化，使材料的物理、化學和力學性能在空間上具有相應梯度變化。上述的種種設計和制造問題，都是新時期產(chǎn)品發(fā)展過程中所必須面臨和解決的新問題，與之相應的就是要求出現(xiàn)新的技術(shù)來解決這種矛盾。任何一種技術(shù)的發(fā)展與使用都是與其時代特征匹配，正是這種矛盾的沖突推動了新技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。

（二）研制周期與市場先機之間的矛盾

借助CAD軟件的數(shù)字化建模功能，3D打印技術(shù)可以直接將數(shù)字化模型利用3D打印機，制造出三維的部組件，極大縮短了研制周期，同時，這種數(shù)字化文檔還可以借助網(wǎng)絡傳遞，實現(xiàn)異地制造，快速占領有潛力市場。3D打印制造工藝流程短、全自動、可實現(xiàn)現(xiàn)場制造，無需工裝模具，整體一次成型，直接制造更快速、更高效，設計生產(chǎn)周期往往可以提升一倍，復雜、個性化產(chǎn)品研制周期漫長，在技術(shù)趨同的形勢下可以更快搶占市場先機。著眼于歷史的發(fā)展，正是由于技術(shù)的從簡單到復雜，從低效到高能，從單一到體系的發(fā)展，從而推動了整個制造業(yè)的不斷發(fā)展、日臻完善。

（三）經(jīng)濟性盈虧的矛盾

結(jié)構(gòu)設計中，3D打印技術(shù)可以優(yōu)化產(chǎn)品設計，提升復雜結(jié)構(gòu)設計的完整性，同時還可以根據(jù)設計需要，快速制作模型，檢驗是否滿足用戶需求，避免重大設計更改和技術(shù)狀態(tài)變更；在制造過程中，不僅可以提高制造環(huán)節(jié)材料使用率，大幅縮短研制周期，降低生產(chǎn)成本。無論設計還是制造環(huán)節(jié)，材料利用率、研制周期、生產(chǎn)成本幾個要素平衡發(fā)展，都是制造業(yè)始終追求的目標之一。傳統(tǒng)制造業(yè)可能在某一要素上可能具有相當大的經(jīng)濟優(yōu)勢，但就綜合集成來講，3D打印技術(shù)還是具有其顯著經(jīng)濟特征的。

三、3D打印技術(shù)發(fā)展的條件

技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展一般都是在一定條件下發(fā)生的，大體應該包含物質(zhì)條件、知識條件和人的條件，某種角度上說，這三方面因素缺一不可，3D打印技術(shù)概莫能外。現(xiàn)代3D打印發(fā)展這幾十年，正是基于這些主客觀條件，呈現(xiàn)出有目的性的發(fā)展態(tài)勢，同時也關(guān)系到了技術(shù)的發(fā)展趨勢和發(fā)展速度。

3D打印技術(shù)已經(jīng)存在了幾十年，為什么迸發(fā)期沒有在過去，而是在現(xiàn)在發(fā)生？首先，3D打印技術(shù)不得不等待計算機處理能力、存儲和網(wǎng)絡基礎設施的改善，現(xiàn)在幾乎任何人都可以制造、交換和使用3D打印的物品，但在20世紀80年代末和90年代初，當?shù)谝淮?D打印機在市場上面世的時候，用于3D打印模型設計的個人計算機工作站造價十分昂貴，而且在互聯(lián)網(wǎng)上交互大量數(shù)據(jù)的想法也不現(xiàn)實。然后到了今天，許多智能手機和平板電腦都足夠強大到能夠設計和存儲復雜3D模型。高速互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為現(xiàn)實，意味著在線存儲和交流3D模型不再是技術(shù)上的挑戰(zhàn)。第二，2D打印的世界先進技術(shù)同樣幫助建立了3D打印革命的基礎。雖然3D打印不是以2D打印機為原型，但大部分還是類似于伺服電動機和送料機制——激光、噴墨打印頭和電子控制器，硬件發(fā)展在過去20年里成為支持3D打印革命的必要條件。第三，3D打印的發(fā)展同樣需要等待自身的發(fā)展以及知識的儲備。一些低成本的3D打印機硬件要依靠那些使用早期3D打印機的愛好者通過創(chuàng)新模型的努力來完成。從某種意義上講，從最基本的3D打印技術(shù)發(fā)展到后來確實花了些時間，這些都是知識積累的過程。第四，促進3D打印技術(shù)發(fā)展的原因是人類社會發(fā)展的數(shù)字化。十幾年前，人類上網(wǎng)很少，擁有數(shù)字通訊和數(shù)碼設備都很少，與之形成鮮明對比的是如今數(shù)十億人在使用互聯(lián)網(wǎng)，并且擁有數(shù)字音樂、照片和視頻，現(xiàn)在使用3D打印機在線數(shù)字資料制作成物理模型的熱情比3D打印機剛被發(fā)明出來時要高漲的多。第五，20世紀80年代末90年代初所申請的3D打印技術(shù)方面的一些專利已經(jīng)或即將到期，因此現(xiàn)在那些阻礙3D打印的法律障礙已經(jīng)越來越少了。

四、3D打印技術(shù)發(fā)展的普遍規(guī)律

唯物辯證法認為，事物發(fā)展是有規(guī)律的，規(guī)律是可以認識的，認識對于實踐具有能動作用。

（一）需要可能律，技術(shù)發(fā)展的外部條件

唯物辯證法關(guān)于“現(xiàn)實與可能”關(guān)系論述的具體運用，揭示了裝備發(fā)展與其外部條件之間的客觀聯(lián)系，即需求牽引、技術(shù)推動、經(jīng)濟支撐。3D打印技術(shù)在短短十余年取得舉世矚目的重大發(fā)展，在醫(yī)療健康、汽車工業(yè)、國防軍事、房屋建筑設計、其他消費品等領域有著傲人的成績，在生物醫(yī)藥領域、醫(yī)學牙科等領域的市場份額不斷增長，同時在大眾消費的食品加工、服裝配飾、玩具制造等各領域也突飛猛進。

技術(shù)的發(fā)展需要其他技術(shù)的配合與支撐。3D打印技術(shù)對信息技術(shù)、計算機科學、精密機械以及材料科學有著極其重要的依賴作用。歷史表明，技術(shù)發(fā)展重大突破的時候，總是產(chǎn)生于科學技術(shù)發(fā)展到一定水平，特別是出現(xiàn)了重大科學發(fā)現(xiàn)或技術(shù)發(fā)明之后。與此同時，先進技術(shù)的成長還需要投入龐大的人力、物力和財力予以支持。

（二）否定完善律，技術(shù)發(fā)展的內(nèi)在動力

唯物辯證法“否定之否定規(guī)律”的具體運用，揭示了技術(shù)發(fā)展與其內(nèi)部矛盾的客觀聯(lián)系，即技術(shù)自身的不斷否定與完善是推動其發(fā)展的內(nèi)在動力。如前所述，這種矛盾性表現(xiàn)為技術(shù)與現(xiàn)實需求之間的不完善，具體表現(xiàn)為復雜設計與制造的矛盾、敏捷高效制造的矛盾、以及綠色經(jīng)濟的矛盾，正是這些矛盾推動了3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，使其由不完善變得較為完善，并趨于更加完善。當然，制造業(yè)新的需求也是發(fā)展變化的，舊的矛盾解決了，新的矛盾還會產(chǎn)生，如此循環(huán)往復，推動了事物螺旋式上升，使其進入了更高級的發(fā)展階段。

（三）量變質(zhì)變律，技術(shù)發(fā)展的演進規(guī)律

唯物辯證法“量變質(zhì)變規(guī)律”的具體運用，揭示了裝備發(fā)展演進的一般規(guī)律，即技術(shù)發(fā)展是漸進式發(fā)展與創(chuàng)新性變革的辯證統(tǒng)一。技術(shù)發(fā)展是量變與質(zhì)變的互動過程，表現(xiàn)為漸進性發(fā)展與創(chuàng)新性變革交替進行。漸進性發(fā)展是一種革新，是對技術(shù)的逐步改善，是量變的積累；創(chuàng)新性變革是徹底的革命，是技術(shù)的質(zhì)變。量變是質(zhì)變的條件，質(zhì)變是量變積累到一定程度的最終結(jié)果。

美歐發(fā)展3D打印技術(shù)已經(jīng)跳出了制造本身，開始考慮顛覆當前產(chǎn)品設計以及改變傳統(tǒng)設計和材料開發(fā)流程上來，隨著增材制造在大型、復雜航空結(jié)構(gòu)件上應用的技術(shù)成熟度和制造成熟度不斷提升，3D打印將成為航空領域主流制造技術(shù)，將航空產(chǎn)品設計理念帶向更具顛覆性的未來。

3D打印技術(shù)應該說是當前正在進行的第三次工業(yè)革命的重要組成部分，是當代計算機控制技術(shù)和新材料技術(shù)發(fā)展的“自然延伸”，鑒于其獨特的性質(zhì)和優(yōu)點，這項先進制造技術(shù)的研發(fā)也應受到高度重視。但是未來還會遇到許多新問題、新困難，只要我們更加自覺地站在世界觀與方法論的高度分析問題、認識問題。雖然不主張3D打印技術(shù)預示著新的工業(yè)革命的到來，但并不能因此忽視它的價值。隨著人類認識的不斷深入和技術(shù)的不斷進步，3D打印技術(shù)必將更加成熟，應用領域更為廣闊。

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