从三维增材制造看新工业革命国家战略.docx

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从三维增材制造看新工业革命国家战略

从三维增材制造看新工业革命国家战略

　　增材制造（3D打印）技术运用计算机辅助设计或三维扫描，得到所需要的加工样式，然后通过特定的增材数字化成型设备完成加工制造。

它早期被称作快速成型制造（RPM），主要用于概念验证。

近年来，该技术逐步成熟，并实现了一些关键零部件的加工，发展成为直接制造与快速加工技术。

　　与传统加工方法不同，这种技术能根据计算机图形数据，通过叠加材料的方法生成所需要的几乎任何复杂形状的物体，简化了产品的制造程序，缩短了产品的研制周期，提高了效率，降低了成本。

　　以增材制造技术为代表的数字化智能化制造技术基本实现了制造成本与制造复杂度、制造批量之间的解耦，将标准化理念推进到智能层面，必将促进功能优先的新制造理念的发展，对未来生产组织形式和人类文明将带来深刻的变革。

　　增材制造技术现状

　　3D打印技术起源于上世纪80年代的美国，近年来发展迅猛，在发达国家已经开始应用在航空、航天、军工、医疗等领域，被美国、欧洲等列为战略性先进制造技术的重要代表。

随着技术的发展和互联网技术的进步，3D打印技术拓展到民用系统与服务体系，该浪潮自2011年起持续高速推进，年增长率超过30%，从发达国家到发展中国家，都推出了各种档次的产品和服务，包括德国EOS、ZPrinter，美国HP、3DSystems、Stratasys、MakerBot，瑞士ARCAM，中国的北京隆源，浙江先临、闪铸，长沙华曙高科以及西安交大、西北工大、华中科大、北航、清华等高校衍生的企业等。

　　目前，3D打印技术被应用于产品原型、模具制造、航空航天、艺术创作、生物工程、医学、建筑等多个领域，产品涵盖了大尺寸、中等尺寸和微纳尺寸，成型精度也从几百微米量级到微米甚至纳米量级。

例如，GE等公司正在推进3D打印在航空航天领域的应用，如图1所示，钛合金粉末Ti64、高温合金粉末In718等越来越多的可打印材料被应用于3D打印技术中。

如图2所示，大尺度3D打印被用于汽车车体及火箭用特种器件的加工上。

美国国家航空航天局采用3D打印技术制造了火箭发动机的喷射器，该喷射器仅由两个零件组成，而此前测试的同类喷射器由115个零件组成。

零件越少，所需组装工作越少，意味着使用3D打印技术制造复杂零件可以大幅度节约成本。

　　近年来，作为最新激光加工技术之一的飞秒脉冲激光多光子微纳加工技术已成为国际上研究的热点。

该技术利用多光子效应和激光与物质作用的阈值效应，成功地实现了纳米尺度的激光直写加工，在功能性微纳器件制备等纳米3D打印技术领域发挥了重要作用，具有广阔的应用前景。

同时，3D打印与传统铸造结合制造复杂金属零部件（SLS熔模/砂模铸造）也被应用于精密铸造行业（图3）。

3D打印技术在新兴领域也有所应用，如仿生复合材料、智能材料的制备，这些材料可以根据外界的刺激，重新调整其形状、性能或功能。

　　3D打印极大地弱化了批量和复杂度与制造成本之间的关联，实行功能优先、设计优先的原则。

更深刻的意义在于，以3D打印为代表的数字化智能制造技术将人类制造的标准化从传统的硬件、过程和管理层面，推进到信息与智能层面，创新和设计实现全球共享，进入可以大规模、分布式个性化定制的“创客时代”。

3D打印技术未来的发展使大规模的个性化生产成为可能，这将会带来全球制造业组织形式的重大变革。

如图4所示，对个性化和复杂度高的加工制造，3D打印技术的应用将带来巨大的效益；当以3D增材制造为代表的数字化智能化制造进一步发展成熟后，该类技术的制造成本可能低于大批量传统制造，则3D打印等技术将可能全面主导制造业。

如此，3D打印技术必将与其他数字化生产模式一起，推动新工业革命和产业变革。

这不仅仅是国防军工领域小众市场的发展趋势，更将是大众制造业的必然趋势。

　　但是，客观地讲，这样的发展趋势是数字化、智能化、绿色化的现代制造业共同推动的，3D打印作为数字化智能化增材、减材、等材制造技术的一种，并不能独领风骚。

目前的3D打印技术还有许多局限性。

　　当前3D打印技术的不足之处

　　目前，已经有较为成熟的3D打印设备在市场上批量销售，但3D打印技术本身还面临着一系列的问题，如打印速度偏慢、打印材料性能差、成型装备和材料成本高、可操作性差、成型精度及质量不高等问题。

特别是适用于当前许多3D打印设备的打印材料非常有限，打印尺度偏小，很难实现多维和多尺度的打印。

3D打印技术有待改进的方面，简单归纳如下：

　　打印材料昂贵，远远贵于传统制造。

传统制造已经发展起了成熟的配套材料体系，包括粉末、流体和固体，目前的3D打印技术往往需要特制的球状固体、细丝丝材等，成本上处于劣势。

　　成型速度偏慢，不利于大批量生产。

由于从点到线到面成型，成型速度需要大幅度提高。

采用并行的方法是一个思路，更重要的是新工艺的发展。

　　成型质量可控性有待完善。

离散堆积材料面临界面高质量粘接熔合的问题。

传统工艺经过长期发展已经较好解决了诸如大块材料的晶相、应力等问题，3D打印许多材料必须进一步解决微观组织控制、宏观形貌变形、加工一致性、实际应用可控性等问题。

　　成型分辨率不足，需要后处理。

目前绝大多数3D打印技术可以肉眼清晰看到分层，分辨率一般在25微米以上，需要抛光、精密铣削后才能成为合格的高端功能器件。

一个棘手问题是内腔的后处理和尺寸保证。

传统制造已经可以达到10微米到亚微米级的精密加工。

因此，3D打印工艺需要进一步突破。

　　核心器件偏贵，工业级准入门槛高。

虽然桌面级打印机价位低，工业级设备往往涉及激光、扫描振镜、惰性气体氛围等，设备门槛偏高。

该技术的大面积普及必然要求成本和使用性方面的更大突破。

　　因此，顺应数字化、智能化、网络化、绿色化的现代制造业发展总体趋势，对增材制造、减材制造、等材制造进行融合创新，关注可靠性与成本，彻底攻破各行业的准入门槛，取得核心器件上的突破，是推进3D打印不断前进的关键。

　　可以预见，随着社会资源的大批投入，3D打印技术已经进入快速发展、全面突破阶段。

目前的成型工艺由于上述不足，极有可能在10年内迅速被新工艺所淘汰。

因此，任何一个国家和团体都必须关注下一代原创技术、新型工艺、配套材料的研发。

国家战略至关重要。

中国目前的发展态势是火热的，需要积极引导，高广结合。

既要结合当下的市场需求，跟上国际潮流，还应该兼顾长远，大力推进国产原创技术、换代技术的研究扶持。

　　从三维增材到多维增益

　　根据市场研究机构Canalys公司统计，2013年全球3D打印的市场规模已经达到25亿美元，预计2014年将增长至38亿美元，并将在未来的四五年间继续保持快速增长，预计2018年全球3D打印市场规模将达162亿美元。

中国的3D打印市场增长迅速，目前已经有产值超过1000万元的企业10多家，在大尺寸金属打印、牙齿类打印方面处于国际一流水平，在生物打印、陶瓷打印、复合材料打印、纳米级打印等领域均有团队研究。

　　但是，我国3D打印与国际先进水平相比，存在多方面的差距。

首先是原材料受限严重，众多重要金属粉体依赖进口，国产粉体质量有待提高。

由于广泛重视，国内众多研究机构大力参与，目前粉体制造的水平在快速提高。

其次是国产的激光及激光扫描振镜等运动系统核心元器件质量偏低，高端市场基本被国外垄断。

随着大量海外人才的回归，这方面有所改观，但近期内仍然处于国外占主导地位的境地。

再次，国内开发出了一系列3D打印软件系统，但与国际知名公司相比，软件的完整性和实用性存在差距。

最后，虽然国内3D打印与国外起步时间相当，但原创性工艺几乎被国外垄断，中国技术出口面临知识产权危机。

随着产业的扩大，这方面的风险必将进一步增大。

　　对中国来说，该领域的机遇与挑战并存。

目前，虽然打印技术有了很大发展，但大规模应用的一系列技术亟待突破。

比如，金属类打印是直接制造的主体，意义重大，但是目前只在个别材料、个别团队取得了一定进展，社会层面的大规模工业应用如汽车行业，正面临材料、成本、速度、精度、尺度、可靠性、一致性等众多急迫挑战。

又如艺术品类造型社会需求巨大，混凝土、水泥、石膏雕塑，陶瓷结构件，以及各种复杂曲面结构，目前基本上靠雕刻制成，或通过制作模具浇铸或压铸而成，传统的制造技术完成复杂部件及造型通常耗时费力，材料浪费大，模具等多种硬件的庞大投入使其对小批量个性化制造非常不便。

3D打印在这个领域具有广阔应用前景，但目前面临工艺、系统、成型尺度等一系列挑战。

一旦突破，将带来巨大经济效益。

　　此外，目前的3D打印技术一般只打印三维几何形体，很少涉及自感知、自报警、自修复、自愈合等超越三维的智能嵌入。

国际上新出现的“4D打印”就是超越三维打印技术的一个前奏。

　　更深层次地说，人类的制造技术一直在向大自然学习，3D打印是多维仿生制造的初级阶段。

4D打印引入时间域的形体和功能变化。

相对生物体，人类的制作技术还只是孩童阶段。

生命可以自然生灭发展演化，人类的制造品未来将进一步与高级仿生看齐。

高端机器人、智能技术、智能制造技术将融合。

因此，3D形状只是制造技术的当前发展热点，长远的趋势，或者说人类制造技术自古以来的发展大趋势，必定是“多维仿生制造”，这里的多维是指超越3D的时间和智能，仿生则不仅仅是生物打印、活体打印，而是智能的嵌入和演化。

　　制造技术虽然持续演化，实际上有另一个共性，这个共性不是增材，是“增益”。

也就是说，制造的过程不重要，也不是终端用户和社会关心的，社会和市场关注的是制造品价值的提升，价值密度的提升。

微型化、轻量化、智能化、自动化、艺术化等诸多趋势，其实都是为了“增益”。

3D打印、4D打印等是多维仿生增益制造的前奏。

　　图5是中科院宁波工研院先进制造所作者团队对多维增益制造的初步探索。

团队探索了包括高速3D打印工艺创新、小尺度激光微细制造、大尺度水射流五轴制造等，旨在融合增材、减材工艺，大幅度提升成型精度与速度，突破尺度极限，以便最优地实现增益的目标。

　　此外，真正具备强大竞争力的未来先进制造技术必然是融合多种制造技术之长，又保持当前3D打印技术个性化复杂制造特点的复合型制造。

图6-7是基于水刀、激光等加工工艺的CAD/CAM软件开发，该软件能够实现加工工件轮廓的自动分层，已经应用在异形冷却孔的加工上，通过数据交换，信息提取，自适应分层，填充路径产生G代码程序，加工参数设置，焦距补偿等实现异形孔的全自动化加工。

　　目前，增材、减材相结合的复合型制造技术已经成为前沿研究热点。

当前主流的打印设备一般只做纯粹的打印，很少融合减材制造功能。

但是，已经有一些科研机构在研究复合型3D制造，如斯坦福大学PRINZ教授课题组，大连理工大学张璧课题组等。

复合减材和增材，达到最高效率、最合理的智能化3D制造是必然的发展趋势。

　　对3D打印国家战略的思考

　　目前的三维打印技术正迈向多维仿生增益制造，这要求人类在原理、技术、思想等多方面大胆创新。

　　在西方高端制造业回流、中国人口红利不再的大势下，当前的三维打印国家战略应该高广结合，既要稳健进步，又要跨越式发展。

建议深入系统研究多维仿生增益制造，以多维胜出3D、4D，以仿生永续胜出绿色智能，以增益胜出增材，使增材制造从开始就与减材、等材制造携手共赢。

　　其一，在学术思想上，从三维到“多维仿生”，3D几何加智能感知、修复、执行等；从增材到“增益”，以提升功能及功能密度为优化目标。

社会真正需要的是功能、服务与精神满足，而非完全技术层次。

　　其二，技术创新上，大力扶持高端原创性技术、国产化关键核心元器件、高端材料研究；追求理想工程解，全局优化工艺、设计、生产形式。

　　其三，架构与体制设计上，充分结合互联网、物联网、制造网、服务网，政、产、学、研、媒、用、金、法八方联合，建立国家级创新联盟、创新设计智库，共享智慧与资源，精益创新，引领“创客时代”，营造“众创空间”。

　　3D打印市场在哪里？

　　3D打印市场可以简单地划分为个人桌面级3D打印市场和工业级3D打印市场。

在个人消费领域，3D打印行业预计仍会保持相对较高的增速，特别是伴随3D打印机走入中小学校和家庭，桌面3D打印设备的需求量将巨增，同时也会加速打印材料的消费。

在工业消费领域，由于3D打印金属材料的不断发展，以及金属本身在工业制造中的广泛应用，以激光金属烧结为主要成型技术的3D打印装备，将在工业制造、航空航天领域获得较广泛的应用和相对较快的发展。

从行业发展的角度来看，整个3D打印产业链都存在巨大的发展空间。

就长期的需求增长而言，相对看好上游打印材料和个人3D打印设备的制造企业。

　　就前者而言，在通用化的技术标准不断推广的基础上，专业化材料供应企业的发展是大势所趋。

从个人消费到工业制造，无论是哪个领域引来快速增长，对打印材料的需求都必不可少。

WohlersAssociates调查显示，现阶段，基于光敏树脂（SLA）技术的3D打印设备占比高达40%，以金属为材料的激光打印设备占比已经接近20%。

而打印服务商未来最想购买的3D打印设备中，金属材料激光打印设备所占比例居第一位。

3D打印服务商可能更加看好这一技术工艺在下游行业中的应用和发展，从而推动激光打印设备和金属打印材料的消费需求。

　　目前，进口打印机的价格可以从几万元到几十万元、几百万元甚至上千万元一台，从业余入门级到经济实用级，从工业级到军用级等，适用对象可以是家庭、学校、办公室、广告公司、工艺店、礼品公司、中小企业、大型公司以至军工企业等。

目前成熟的金属粉体材料包括钛合金粉末、镁合金粉末、镍基合金粉末、钴基合金粉末、不锈钢粉末等。

金属打印机一般采用激光或电子束局部选择性融化（SLS）的方式逐层打印出所需的部件，如瑞典ARCAM公司的电子束熔融金属3D打印机、英国Renishaw的激光熔融金属3D打印机。

　　根据业界分析数据，未来几年，3D打印市场销售额可望达到500亿美元。

伴随着复合型制造技术的成熟及其与网络技术、全球化、绿色、智能技术的结合，智能型三维或多维制造技术有望迅速成为制造业的主流，对未来制造产业和国家竞争力带来重大影响。

未来学家因此称3D打印将引发第三次产业革命。

各国已经纷纷出台相关激励政策，呈现出激烈的高科技竞争态势。

社会各界对该技术的关注度日益升温，众多社会资源进入该领域。

　　随即将至的将是行业大洗牌、大整合，有实力的企业将吞并弱势企业，快速推进产业的成熟和标准化。

中国的产业发展已经有过热的苗头，低端恶性竞争态势初呈。

由于核心专利技术的不足，在未来全球产业竞争中如何立足成为业内激烈讨论的话题。

国外企业积极进入中国激进布局，必然要求中国企业抛弃过去成功过的片面依赖成本优势的思维，转变为走原创技术和成本优势的新道路。

这里有一个更深层次的原因：

3D打印技术真正解耦了制造成本与制造批量/制造复杂度的关系，人力因素有让位于智力因素的总体趋势。

　　从3D打印到道本主义新工业革命

　　3D打印技术是当代数字化智能制造技术的一部分，制造业的变革将带来生产组织形式的变革。

当前的工厂化生产模式是工业革命以来批量化生产的模式，通过集中型的制造与管理技术，大大强化了人类改造世界的能力。

　　第一次工业革命以蒸汽机发明为标志，科学体系建立，工程技术日益完善。

第二次工业革命以电力电子技术为标志，大规模批量化、自动化制造，大型制造实体成为世界经济的主导力量。

第三次工业革命，又称“新工业革命”，则以迅速升级的互联网络、新能源、先进制造技术为标志，制造业将进入大规模、分布式、个性化定制阶段，网络知识经济与创新设计日益重要。

当前的生产和物流模式必将受到日益巨大的冲击，大工厂将日益让位于灵活性和生产能力更加强大的全球动态组合的生产单元，商贸中心将日益面临电子商务、智慧物流的冲击。

前两次工业革命使得人类改造自然的能力和幅度相对以前漫长的人类社会短时间内急剧提高，第三次工业革命是信息、制造、能源更深层次的融合，其对人类社会的发展将产生极其深远的影响。

制造的门槛将大幅度降低，设计、创意将日益重要。

这对社会的方方面面，包括道德、法律、哲学、管理、教育等，都会有重要影响。

　　因此，新工业革命的内涵除了新能源革命、信息革命和制造业革命之外，还应该包括人文革命（图8）。

从大工业革命以来，人类进入了以矿石燃料为基础的商业经济时代，以人为本、商业驱动、人类生活水平提高的同时，对全球环境产生了大规模破环。

我们认为，第三次工业革命首先应该是新能源革命，让人类快速跨过矿石燃料经济时代。

如果不能告别以矿石燃料为基础的工业体系，信息革命和制造业革命有可能加速诸多方面的不可持续性。

从历史的长河来看，没有彻底的新能源革命，真正“合格的”新工业革命就无从谈起。

　　进一步看，只将新能源革命、信息革命和制造业革命加在一起还远远不够。

新工业革命将进一步解放人类的制造能力、创造能力、智慧共享能力、物质流通能力，生产力将得到前有未有的大解放。

如果人类还是遵循“人本主义商业经济文明”，以经济利益为中心，以人类自身的幸福为最大最高追求，未来未必光明。

合格的新工业革命要求崭新的人文革命。

人类应该认真反省“人本主义商业文明”的功过。

科研与商业嫁接，科技得到了快速发展，但导致了人类贪婪欲望的过度膨胀。

当新工业革命解放人类更大的改造天地能力之际，不发展、引导以大道循环、永续发展为原则的新工程优化标准是危险的。

因此，3D打印技术的国家战略不仅应该包括硬的工程技术层面的问题，还应该包括法律的、哲学的、人文层面的问题。

　　新工业革命要让人类走向光明的未来，必须同步倡导“新人文革命”，批判人本主义中以人为大的倾向，遵循天地人和、大道循环、永续发展的原则，从传统制造发展到高级智能制造的同时，将文明体系从“商业文明”升华为“智慧经济”，让人类从大自然攫取者升华为取用有度的大自然永续发展的守护者。

如此才是合格的新工业革命，人类社会才能拥有希望和光明未来。

在新工业革命浪潮中，希望中国不仅在工程技术层面上引导科技潮流，还应该在哲学方法层面上引导人文革命潮流。

国与国的竞争，起很大决定作用的是方法和战略的竞争。

我国在3D打印国家战略上如果进行技术、人文双向布局，将获得发展的先机和更大的主动。