3D打印發展規劃對工程實訓教學的啟發

陳為平 林有希,2 黃 捷 王文棟 張麗嬌

1.福州大學機電工程實踐中心 福建福州 350108

2.福州大學機械工程及自動化學院 福建福州 350108

3D打印又稱增材制造(Additive Manufacturing，簡稱AM)技術，是一種快速成型技術，其對材料的處理方式實現了從等材、減材到增材的轉變，完全顛覆了傳統加工制造行業減材制造的理念和模式[1]。20世紀90年代以來，清華大學、西安交通大學、華中科技大學、北京航空航天大學等知名高校，在3D打印材料的研發技術、3D打印設備的制造技術、3D設計與成型軟件的開發以及3D打印在工業應用中的研究與推廣等方面，開展了積極的探索，已有部分技術處于世界先進水平[2]。但是相比于歐美、日本等3D打印方面較發達的國家，我國在國際3D打印市場的占有份額、市場競爭力、抗風險能力以及技術創新能力等方面還有一定的差距[3]。在“中國制造2025”的大背景下，面對如此激烈的市場競爭環境，如何培養具有較高實踐能力、創新能力及工程素養的綜合型增材制造人才，成為當前高校工程實踐中心開展3D打印實訓教學改革的熱點課題之一。本文從美國、德國及中國等主要增材制造國家對3D打印發展現狀及規劃政策進行了分析和歸納，從政策和戰略高度分析了高校進行3D打印實訓教學的必要性和迫切性，對于工程實踐教學體系改革的有序推進具有一定的啟發作用。

1 3D打印發展現狀及規劃

從3D打印首次商業化，經過30年的發展，目前全球增材制造產業的發展格局已基本形成并保持穩定，即以歐洲、美國等發達國家為主導，以中國、韓國等亞洲國家后起而追趕。之所以形成這樣的發展格局，與各個國家的政策息息相關。美國在金融危機后不斷提出制造業發展戰略，把增材制造提升到國家戰略的高度，注重技術創新與產業化發展；歐盟及其成員國通過工業聯盟，在金屬增材制造技術的研究和推廣方面取得了巨大的發展，其同時注重增材制造的產業發展與技術應用；俄羅斯利用自身在激光領域特有的技術優勢，積極探索和發展激光技術在增材制造中的應用和推廣；日本不斷加大增材制造研發財政預算，在成立研究會的同時鼓勵企業進入3D打印領域，希望能通過增材制造技術的發展來鞏固其制造強國的地位。本文將重點介紹和分析美國、德國及中國在增材制造發展方面的國家政策和發展規劃，以期為我國增材制造人才的培養和發展、工程實訓教學體系的改革和創新提供一定啟發。

1.1 美國3D打印發展規劃

美國在2008年金融危機后，提出了“再工業化”的戰略以提升傳統制造業的戰略地位。2011年6月，美國聯邦政府發布“先進制造伙伴關系(AMP)”計劃。2012年2月，美國國家科學技術委員會發布了《先進制造業國家戰略計劃》，正式把先進制造產業提升為國家戰略。2012年3月，美國聯邦政府提出“美國國家制造創新網絡(NNMI)”計劃，聯邦支持資金為10億美元，用于建立全國范圍內基于制造業領域的產學研聯合網絡。2012年4月，經過嚴格的技術評估，3D打印被確定為首個制造業創新中心。2012年8月，“國家增材制造創新機構(NAMII)”宣布成立。該創新中心服從美國國家國防制造與加工中心(NCDMM)領導，同時國防部、商務部、教育部、宇航局、能源局和國家自然科學基金委員會6個部門均參與其中，聯盟成員覆蓋了從俄亥俄州、賓夕法尼亞州到西弗吉尼亞州的科技帶，包括40個制造型企業、11個非營利性組織、9所研究型大學及5所社區大學。該創新中心成立之初分別得到聯邦政府5 500萬美元和非聯邦政府5 500萬美元的巨額資金投入。該創新中心的成立標志著美國聯邦政府已將3D打印提升為國家戰略性新興技術以及發展先進制造業的核心技術[4-6]。2013年8月，“國家增材制造創新機構(NAMII)”正式更名為“美國制造”(American Makes)，強化和鞏固了3D打印在美國先進制造中的地位。美國政府關于3D打印發展的政策和布局并不是簡單、孤立的單一戰略，其與“材料基因組計劃”等其他政府重點工作有著千絲萬縷的互助互利關系。2016年3月，美國高校發布了《下一代增材制造材料戰略路線圖》，該路線圖由美國國家標準與技術研究院出資，由來自賓夕法尼亞州立大學、應用研究實驗室等“政產學”界的120位專家、學者聯合完成編寫，旨在從戰略層面為未來10年間增材制造的設備研發、材料設計及應用推廣等提供強有力的戰略路線支持[7]。2017年2月，“美國制造”聯合美國國家標準協會(ANSI)共同發布了《增材制造標準化路線圖(1.0版)》，為加強增材制造技術在工業領域應用中標準和規范的開發和制訂奠定了基礎；2018年6月，又推出了《增材制造標準化路線圖(2.0版)》，為制訂技術標準和指導方針邁出了第一步。

1.2 德國3D打印發展規劃

2008年，德國成立了直接制造研究中心(DMRC)，該研究中心是以增材制造技術為主要的技術研究對象，其資助與合作伙伴包括西門子公司，空客公司，波音公司，3D Systems，Stratasys，SLM Solutions等多家知名單位，并于2011至2013年先后推出了《超前思維3D打印的未來—工業前景分析》《超前思維3D打印的未來—未來應用》《超前思維3D打印的未來—需求創新路線圖》系列報告，對德國3D打印的發展有著非常重要的影響。2010年7月，德國政府發布了《德國2020高技術戰略》，該戰略是2006年發布的國家總體規劃《德國高科技戰略》之后，對德國制造未來新的發展方向的積極布局，工業4.0就是10大項目之一，旨在提升德國制造業的智能化水平。由于3D打印能夠實現智能化、個性化、社會化訂制生產，因此被納入工業4.0計劃，成為智能工廠的主要組成部分。2014年底，德國發布的《新高科技戰略—為德國而創新》是之前國家高新技術戰略的升級版，旨在穩固德國在科技和經濟領域的領先地位，并成為創新世界領導者[8,9]。工業4.0不僅僅是針對某個國家、某個地區的封閉、單一的概念，更是一個跨地區、無國界尋求通力合作的方針、戰略。為進一步推動工業4.0實現全球范圍內智能化、標準化，2016年，德國工業4.0平臺(Platform Industrie 4.0)和法國未來工業(Industrie du Futur)聯盟就數字化工業的生產方面共同發布了相關行動方案，并將于新的工業背景下開展多方面合作，其中包括工業生產及應用、標準化工作、技術及其測試設施及相關職業培訓等。2017年，德國、法國、意大利除了雙邊合作外，三個國家又聯合將工業4.0的合作推向了一個新的階段[10]。

1.3 中國3D打印發展規劃

中國在2013年8月由工業和信息化部印發的《信息化和工業化深度融合專項行動計劃(2013-2018年)》中將3D打印納入先進制造技術。2015年2月，工業和信息化部、財政部、發展改革委研究印發了《國家增材制造產業發展推進計劃(2015-2016年)》，旨在確保我國的增材制造產業能沿著正確的方向快速發展，同時也首次確立了3D打印在國家戰略層面的發展范疇。2015年3月，李克強總理在政府工作報告中提出：“要實施‘中國制造2025’，要堅持創新驅動、智能轉型、強化基礎、綠色發展，加快從制造大國轉向制造強國?！?016年7月，國務院印發了《“十三五”國家科技創新規劃》，在“發展智能綠色服務制造技術”部分指出增材制造的發展規劃為構建相對完善的增材制造技術創新與研發體系。2016年11月，為貫徹落實《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》和《中國制造2025》行動綱領，加快從制造大國向制造強國的轉變，積極促進信息化與工業化間的深度融合，工業和信息化部印發了《信息化和工業化融合發展規劃(2016-2020年)》，該規劃指出要以激發和保持制造業的創新活力、可持續的發展潛力和強大的轉型動力為主線，大力促進信息化和工業化深度融合發展，著力打造支撐制造業轉型的創業創新平臺。2017年12月，為進一步實現“中國制造2025”戰略，保證我國增材制造產業健康有序地良性發展，積極鼓勵和激發制造業展現出創新和轉型的發展動力，工業和信息化部聯合發展改革委、財政部、教育部、海關總署、質檢總局、商務部、公安部、文化部、衛生計生委、知識產權局等重點部門共同推出了《增材制造產業發展行動計劃(2017-2020年)》，該行動計劃的預期目標是到2020年，保證我國增材制造產業的全年銷售收入總額大于200億元，全年平均增長速率保持在30%以上。

3 對我國工程實訓教學的啟發

我國雖然在增材制造方面出臺了許多國家戰略層面的發展規劃，但是與3D打印發達國家相比，仍有不足，例如，至今沒有增材制造發展戰略路線圖，存在增材制造產業鏈集成度低等問題。究其根本原因，是由于3D打印人才不足造成的。高校作為國家人才培養的搖籃，肩負著為社會各行各業輸送各層次人才的神圣使命，而工程訓練實踐中心，是具有中國特色的工程實踐教學模式，是高校培養專業人才工程素質、提高學生實踐能力的重要基地；同時工程訓練實踐中心作為工科類高等院校中教學規模最大、學生受眾人數最多的實踐教學基地，具有多學科融合的天然優勢，這與3D打印技術作為機械、材料、計算機技術等多學科融合技術以及新工科強調多學科交叉與融合的重要性等理念不謀而合[11]。因此，通過工程訓練中心進行3D打印專業人才的培養具有重要的實際意義[12]。

4 結語

在全球掀起新一輪工業4.0的浪潮中，面對如此激烈的市場競爭環境，各國都制定了許多政策及發展規劃來助力制造業的再次騰飛，先進制造、智能制造已成為各國工業發展的重點，而3D打印作為其中的代表性技術之一，更是受到前所未有的重視。應該充分認識到高校開展3D打印課程的必要性和迫切性，在不斷加強國家層面的戰略布局，構建3D打印頂層設計，努力強化、細化政策引導，有序推進3D打印市場良性發展之外，還應確保高校3D打印課程的開展工作得到有效落實，充分利用工程實踐中心進行實訓教學，以培養學生的創新精神、實踐能力和工程素養，為實現從“中國制造”向“中國智造”“中國創造”的轉變積蓄力量。