3D打印給中國(guó)智造帶來(lái)新機(jī)遇

◎吳懷宇

3D打印給中國(guó)智造帶來(lái)新機(jī)遇

◎吳懷宇

當(dāng)今，我國(guó)正處于從“中國(guó)制造”向“中國(guó)智造”邁進(jìn)的重要時(shí)期，智能數(shù)字化及3D打印技術(shù)可將設(shè)計(jì)師和工程師從產(chǎn)品制造工藝的束縛中解放出來(lái)，更加專注于產(chǎn)品本身的智力創(chuàng)造。智能數(shù)字化和3D打印的產(chǎn)業(yè)化無(wú)疑將為促進(jìn)我國(guó)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)、徹底擺脫長(zhǎng)期處于制造業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈低端的局面發(fā)揮重要的推動(dòng)作用。

智能數(shù)字化；3D打印

人類在經(jīng)歷了18世紀(jì)以“紡織工業(yè)機(jī)器化”為標(biāo)志的第一次工業(yè)革命、20世紀(jì)初以“汽車大規(guī)模流水線生產(chǎn)”為標(biāo)志的第二次工業(yè)革命、二戰(zhàn)后以“電子信息化”為特征的第三次工業(yè)革命之后，正步入全球第四次工業(yè)革命時(shí)代。這一次新工業(yè)革命的特點(diǎn)可歸納為：智能數(shù)字化、分布式網(wǎng)絡(luò)化、個(gè)性定制化和綠色可持續(xù)化。特別是3D打印的推出，跨越了虛擬的比特世界和實(shí)體的原子世界之間的鴻溝，其革命性的意義超越了之前個(gè)人電腦和互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)。3D打印相關(guān)技術(shù)將給新興國(guó)家?guī)?lái)更多機(jī)遇，將使制造業(yè)——尤其是制造業(yè)的上游產(chǎn)業(yè)鏈，進(jìn)一步掌握在我國(guó)等新興國(guó)家手中（見圖1）。

智能制造與3D打印

工業(yè)革命的基本定位在于制造，只有制造出實(shí)實(shí)在在的產(chǎn)品，人們的生活消費(fèi)水平才能得到實(shí)實(shí)在在的改善和提高。而第四次工業(yè)革命與前三次工業(yè)革命不同，強(qiáng)調(diào)個(gè)性化定制、先進(jìn)制造、高端制造和智能制造，即以數(shù)字化、智能化為核心，提升柔性化程度、生產(chǎn)效率、技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量，并降低能源資源消耗。

1.智能制造

我國(guó)正在加大對(duì)高端裝備制造業(yè)的支持力度，已將其列入國(guó)家七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，而智能制造裝備又是其重點(diǎn)發(fā)展方向。《國(guó)務(wù)院關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》中明確指出：強(qiáng)化基礎(chǔ)配套能力，積極發(fā)展以數(shù)字化、柔性化及系統(tǒng)集成技術(shù)為核心的智能制造裝備，并出臺(tái)了相關(guān)配套政策措施。按照《智能制造裝備產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》的要求，2015年，我國(guó)智能裝備制造業(yè)的銷售收入超過1萬(wàn)億元，年均增長(zhǎng)率超過25%，工業(yè)增加值率達(dá)到35%，力爭(zhēng)到2020年，建立完善的智能制造裝備產(chǎn)業(yè)體系。

2.3D打印

從社會(huì)計(jì)算到社會(huì)制造的變革意義體現(xiàn)在，3D打印成功地將虛擬的智能數(shù)字化技術(shù)與實(shí)實(shí)在在的工業(yè)產(chǎn)品鏈接在一起。據(jù)預(yù)測(cè)，2020年全球3D打印市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到212億美元。作為快速成形技術(shù)的一種，3D打印以經(jīng)過智能化處理后的3D數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印、迭加成形的方式來(lái)增量構(gòu)造物體。

圖1 3D打印出的任意復(fù)雜設(shè)計(jì)形狀（傳統(tǒng)制造工藝無(wú)法加工）

圖2 利用3D智能數(shù)字化技術(shù)開展骨科手術(shù)治療示意圖

3D打印是個(gè)性化定制、先進(jìn)制造、高端制造和智能制造的代表性發(fā)展方向。在高端制造領(lǐng)域，像F22猛禽戰(zhàn)斗機(jī)和波音787大客機(jī)都需要鈦合金結(jié)構(gòu)件，如采用傳統(tǒng)鍛造和機(jī)械加工工藝，既耗時(shí)又費(fèi)力，還需要數(shù)萬(wàn)噸級(jí)重型液壓鍛造裝備進(jìn)行加工，材料利用率通常不足10%，浪費(fèi)率高達(dá)90%。但應(yīng)用3D打印則徹底不同，與傳統(tǒng)工藝相比，材料利用率和浪費(fèi)率正好顛倒過來(lái)。

3D打印實(shí)質(zhì)上反映了制造業(yè)向智能化不斷演進(jìn)的歷程。由于3D打印個(gè)性化定制的特點(diǎn)，決定了其不具備規(guī)模經(jīng)濟(jì)（即所謂的“大規(guī)模生產(chǎn)”）效應(yīng)。3D打印技術(shù)推動(dòng)的未來(lái)商業(yè)模式之一是云制造，其由數(shù)百萬(wàn)個(gè)小規(guī)模、自動(dòng)組織的生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)組成。這個(gè)由眾多小型制造業(yè)企業(yè)組成的超大規(guī)模分布式網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合云端的智能計(jì)算服務(wù)，將形成一種全新的“批量定制”解決方案。

新工業(yè)革命之“3D智能數(shù)字化創(chuàng)造”

第四次工業(yè)革命的核心概念是數(shù)字化與智能化，這是一條主線。“數(shù)字化與智能化”在3D打印上的著力點(diǎn)便是“3D智能數(shù)字化創(chuàng)造”，它賦予了“萬(wàn)能制造機(jī)”3D打印以鮮活的靈魂、智能的大腦、創(chuàng)新的精神和自由的形式。作為3D打印機(jī)的信息輸入源，一個(gè)滿足實(shí)際應(yīng)用的“3D數(shù)字化模型”才是我們智力創(chuàng)新的成果。3D打印的優(yōu)勢(shì)在于可以將任意復(fù)雜的個(gè)性化設(shè)計(jì)輕松制造出來(lái)，這無(wú)疑會(huì)激發(fā)我們每一個(gè)人的創(chuàng)造熱情。

1.3D智能數(shù)字化技術(shù)在高端定制環(huán)節(jié)發(fā)揮著重要作用

如在醫(yī)療外科領(lǐng)域，骨外科醫(yī)生若要為患者設(shè)計(jì)最優(yōu)化的植入體與接骨板，就只能依靠3D智能數(shù)字化技術(shù)。具有多年研究經(jīng)驗(yàn)的上海交通大學(xué)教授王成燾提到，骨科手術(shù)治療包括很多環(huán)節(jié)：首先要利用CT掃描數(shù)據(jù)建立3D數(shù)字化模型，呈現(xiàn)患者骨頭內(nèi)部的精確結(jié)構(gòu)（A）。接著，根據(jù)個(gè)體的不同結(jié)構(gòu)，利用智能軟件設(shè)計(jì)個(gè)性化的植入體（B）。所設(shè)計(jì)的植入體到底合適不合適呢？我們可以進(jìn)一步通過智能算法來(lái)分析植入體對(duì)骨頭各區(qū)域的受力影響（C中不同的顏色代表著不同的受力大小），看力學(xué)性能分布是否合理。之后，我們就可以將模型3D打印出來(lái)。在真正的手術(shù)之前進(jìn)行規(guī)劃和反復(fù)演練，待醫(yī)生熟練之后就正式實(shí)施，這樣做的目的是讓手術(shù)更加準(zhǔn)確和精細(xì)（見圖2）。

2.3D打印產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展必然會(huì)對(duì)3D智能數(shù)字化技術(shù)提出新的要求

過去，3D打印通常面向模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)和醫(yī)療衛(wèi)生等專業(yè)領(lǐng)域，都是聘請(qǐng)專業(yè)的技術(shù)人員做算法的開發(fā)與設(shè)計(jì)，并沒有向大眾普及的需要。但現(xiàn)在，3D打印從高端工業(yè)走向大眾化，需要軟件設(shè)計(jì)也向大眾化轉(zhuǎn)型，這將開啟一個(gè)巨大的3D智能數(shù)字化產(chǎn)品消費(fèi)市場(chǎng)。3D智能數(shù)字化設(shè)計(jì)者可以把自己編寫的專業(yè)軟件以云端智能化服務(wù)的形式提供給普通用戶和開發(fā)者，以降低3D智能數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用門檻。同時(shí)，作為“智能云網(wǎng)”的重要組成部分，“云端智能服務(wù)”與“云制造”一樣，也是一種可行的商業(yè)贏利模式。目前我國(guó)科研單位（如中國(guó)科學(xué)院、浙江大學(xué)、清華大學(xué)和北京航空航天大學(xué)等）在3D智能數(shù)字化方面已有很強(qiáng)的技術(shù)儲(chǔ)備，基本解決了相關(guān)的技術(shù)難點(diǎn)，可先針對(duì)需求較為單一的細(xì)分行業(yè)進(jìn)行突破，并以本土化的優(yōu)勢(shì)服務(wù)于“個(gè)人智造”“家庭智造”和 “網(wǎng)絡(luò)社區(qū)智造”。

3D打印不是一個(gè)單一和孤立的學(xué)科，實(shí)際上，僅憑單項(xiàng)技術(shù)是不可能、也無(wú)法掀起一次工業(yè)革命的。3D打印已逐漸發(fā)展成為一個(gè)新興的交叉學(xué)科和豐富的泛技術(shù)群，包括信息技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)、新材料技術(shù)、新能源技術(shù)、生物技術(shù)、航空航天技術(shù)和海洋技術(shù)等。目前，我國(guó)正在加大對(duì)這些關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的投入和支持力度，以期通過占據(jù)核心產(chǎn)業(yè)制高點(diǎn)，形成“中國(guó)智造”新模式，推動(dòng)全球第四次工業(yè)革命向有利于我國(guó)的方向發(fā)展。

轉(zhuǎn)向“中國(guó)智造”的產(chǎn)業(yè)機(jī)遇

1.在3D打印技術(shù)領(lǐng)域，我國(guó)和國(guó)際相比雖然還有一定的差距，但已不太大

我國(guó)自20世紀(jì)90年代初開始追蹤3D打印技術(shù)研究，目前已取得了一批基礎(chǔ)研究成果，部分甚至處于世界領(lǐng)先水平。如北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)開展的金屬熔敷成形技術(shù)研究，在國(guó)際上首次突破了鈦合金、超高強(qiáng)度鋼等難加工大型復(fù)雜整體關(guān)鍵構(gòu)件激光成形工藝。然而，與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)的產(chǎn)業(yè)規(guī)模化程度不高。現(xiàn)在市場(chǎng)上無(wú)論3D掃描還是3D打印，無(wú)論高端還是低端，大部分都是國(guó)外的產(chǎn)品。因此，智能數(shù)字化和3D打印在我國(guó)具有巨大的發(fā)展機(jī)遇。

2.作為3D打印的前端和上游產(chǎn)業(yè)鏈，3D智能數(shù)字化掃描是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)

對(duì)于家庭的日常3D打印任務(wù)而言，最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)是進(jìn)行全（半）自動(dòng)的數(shù)字化建模。目前國(guó)內(nèi)的3D掃描設(shè)備在采集質(zhì)量和速度上與國(guó)外的同類產(chǎn)品相差不大，價(jià)格也僅為國(guó)外同類產(chǎn)品的1/4左右，但在市場(chǎng)化和產(chǎn)業(yè)化上仍有明顯差距，大部分產(chǎn)品都出自小型公司，尚未形成有影響力的品牌。這方面有待于政府和商業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)一步加大支持和投入的力度。待時(shí)機(jī)成熟，國(guó)產(chǎn)3D掃描設(shè)備完全可以占據(jù)絕大部分國(guó)內(nèi)市場(chǎng)甚至國(guó)際市場(chǎng)。

特別需要指出的是，在3D數(shù)字處理軟件方面，我國(guó)與國(guó)外的差距仍然較大。實(shí)際上，待3D硬件設(shè)備成熟之后，國(guó)際3D打印市場(chǎng)的核心競(jìng)爭(zhēng)將轉(zhuǎn)移到相關(guān)的配套軟件上來(lái)。目前國(guó)內(nèi)的3D掃描廠商大多直接采用國(guó)外的大型成熟商業(yè)軟件，如美國(guó)的Geomagic Studio等。原因在于3D數(shù)字處理軟件的研發(fā)需要巨額的資金投入和長(zhǎng)期的技術(shù)積累，目前國(guó)內(nèi)的小型公司難以承受研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)以及可能的知識(shí)產(chǎn)權(quán)侵權(quán)風(fēng)險(xiǎn)，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，擁有國(guó)產(chǎn)化的3D數(shù)字處理軟件是十分必要的，且是可行的，因?yàn)槟壳皣?guó)內(nèi)的科研單位（如中國(guó)科學(xué)院、浙江大學(xué)、清華大學(xué)等）已基本解決了相關(guān)的技術(shù)難點(diǎn)，只是沒有資金實(shí)力形成功能完整的大型軟件系統(tǒng)。

可以預(yù)見的是，以視覺計(jì)算、模式識(shí)別及深度機(jī)器學(xué)習(xí)等為代表的智能化技術(shù)將獲得廣泛的工業(yè)化應(yīng)用，配以低成本的傳感設(shè)備，可以進(jìn)行自動(dòng)感知捕獲、特征提取、統(tǒng)計(jì)分析以及智能化定制設(shè)計(jì)，以滿足高附加值“大批量定制”的工業(yè)需求。

3.零技能制造為研發(fā)高附加值、個(gè)性化定制的產(chǎn)品提供了可能

2014年，我國(guó)大約有1.5億人從事制造業(yè)，約占全球制造業(yè)工人的40%。同時(shí)，我國(guó)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)早已不僅僅是低成本的普通勞動(dòng)力，還有大量雇傭成本適中的中等技術(shù)人才、工程師、科研人員，以及完善的產(chǎn)業(yè)鏈條、高度適應(yīng)性的巨大產(chǎn)能和本身巨大的市場(chǎng)。當(dāng)前工業(yè)制造的主要門檻是復(fù)雜的制造工藝和設(shè)備，而一站式3D打印的主要優(yōu)勢(shì)恰恰是零技能制造，這給我國(guó)廣大技術(shù)人員研發(fā)高附加值、個(gè)性化定制的創(chuàng)新產(chǎn)品開啟了廣闊天地。同時(shí)，我國(guó)巨大的人口基數(shù)，又可把原本的利基市場(chǎng)變成大眾市場(chǎng)。即使在由“批量生產(chǎn)”轉(zhuǎn)向“批量定制”的時(shí)代，以3D打印為代表的“第四次工業(yè)革命”仍有很大的希望在我國(guó)落地生根，形成“中國(guó)智造”的新模式。智能數(shù)字化技術(shù)將深刻改變傳統(tǒng)行業(yè)的產(chǎn)業(yè)模式，為我國(guó)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展帶來(lái)前所未有的機(jī)遇。

（作者系中國(guó)3D科技創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟副理事長(zhǎng)）

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10.13561/j.cnki.zggqgl.2017.09.008 ■ 編輯：王圣媛