3D打印给中国智造带来新机遇

◎吴怀宇

3D打印给中国智造带来新机遇

◎吴怀宇

当今，我国正处于从“中国制造”向“中国智造”迈进的重要时期，智能数字化及3D打印技术可将设计师和工程师从产品制造工艺的束缚中解放出来，更加专注于产品本身的智力创造。智能数字化和3D打印的产业化无疑将为促进我国传统产业升级、彻底摆脱长期处于制造业产业链低端的局面发挥重要的推动作用。

智能数字化；3D打印

人类在经历了18世纪以“纺织工业机器化”为标志的第一次工业革命、20世纪初以“汽车大规模流水线生产”为标志的第二次工业革命、二战后以“电子信息化”为特征的第三次工业革命之后，正步入全球第四次工业革命时代。这一次新工业革命的特点可归纳为：智能数字化、分布式网络化、个性定制化和绿色可持续化。特别是3D打印的推出，跨越了虚拟的比特世界和实体的原子世界之间的鸿沟，其革命性的意义超越了之前个人电脑和互联网的出现。3D打印相关技术将给新兴国家带来更多机遇，将使制造业——尤其是制造业的上游产业链，进一步掌握在我国等新兴国家手中（见图1）。

智能制造与3D打印

工业革命的基本定位在于制造，只有制造出实实在在的产品，人们的生活消费水平才能得到实实在在的改善和提高。而第四次工业革命与前三次工业革命不同，强调个性化定制、先进制造、高端制造和智能制造，即以数字化、智能化为核心，提升柔性化程度、生产效率、技术水平和产品质量，并降低能源资源消耗。

1.智能制造

我国正在加大对高端装备制造业的支持力度，已将其列入国家七大战略性新兴产业之一，而智能制造装备又是其重点发展方向。《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》中明确指出：强化基础配套能力，积极发展以数字化、柔性化及系统集成技术为核心的智能制造装备，并出台了相关配套政策措施。按照《智能制造装备产业“十二五”发展规划》的要求，2015年，我国智能装备制造业的销售收入超过1万亿元，年均增长率超过25%，工业增加值率达到35%，力争到2020年，建立完善的智能制造装备产业体系。

2.3D打印

从社会计算到社会制造的变革意义体现在，3D打印成功地将虚拟的智能数字化技术与实实在在的工业产品链接在一起。据预测，2020年全球3D打印市场规模将达到212亿美元。作为快速成形技术的一种，3D打印以经过智能化处理后的3D数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印、迭加成形的方式来增量构造物体。

图1 3D打印出的任意复杂设计形状（传统制造工艺无法加工）

图2 利用3D智能数字化技术开展骨科手术治疗示意图

3D打印是个性化定制、先进制造、高端制造和智能制造的代表性发展方向。在高端制造领域，像F22猛禽战斗机和波音787大客机都需要钛合金结构件，如采用传统锻造和机械加工工艺，既耗时又费力，还需要数万吨级重型液压锻造装备进行加工，材料利用率通常不足10%，浪费率高达90%。但应用3D打印则彻底不同，与传统工艺相比，材料利用率和浪费率正好颠倒过来。

3D打印实质上反映了制造业向智能化不断演进的历程。由于3D打印个性化定制的特点，决定了其不具备规模经济（即所谓的“大规模生产”）效应。3D打印技术推动的未来商业模式之一是云制造，其由数百万个小规模、自动组织的生产节点组成。这个由众多小型制造业企业组成的超大规模分布式网络，结合云端的智能计算服务，将形成一种全新的“批量定制”解决方案。

新工业革命之“3D智能数字化创造”

第四次工业革命的核心概念是数字化与智能化，这是一条主线。“数字化与智能化”在3D打印上的着力点便是“3D智能数字化创造”，它赋予了“万能制造机”3D打印以鲜活的灵魂、智能的大脑、创新的精神和自由的形式。作为3D打印机的信息输入源，一个满足实际应用的“3D数字化模型”才是我们智力创新的成果。3D打印的优势在于可以将任意复杂的个性化设计轻松制造出来，这无疑会激发我们每一个人的创造热情。

1.3D智能数字化技术在高端定制环节发挥着重要作用

如在医疗外科领域，骨外科医生若要为患者设计最优化的植入体与接骨板，就只能依靠3D智能数字化技术。具有多年研究经验的上海交通大学教授王成焘提到，骨科手术治疗包括很多环节：首先要利用CT扫描数据建立3D数字化模型，呈现患者骨头内部的精确结构（A）。接着，根据个体的不同结构，利用智能软件设计个性化的植入体（B）。所设计的植入体到底合适不合适呢？我们可以进一步通过智能算法来分析植入体对骨头各区域的受力影响（C中不同的颜色代表着不同的受力大小），看力学性能分布是否合理。之后，我们就可以将模型3D打印出来。在真正的手术之前进行规划和反复演练，待医生熟练之后就正式实施，这样做的目的是让手术更加准确和精细（见图2）。

2.3D打印产业的迅猛发展必然会对3D智能数字化技术提出新的要求

过去，3D打印通常面向模具制造、工业设计和医疗卫生等专业领域，都是聘请专业的技术人员做算法的开发与设计，并没有向大众普及的需要。但现在，3D打印从高端工业走向大众化，需要软件设计也向大众化转型，这将开启一个巨大的3D智能数字化产品消费市场。3D智能数字化设计者可以把自己编写的专业软件以云端智能化服务的形式提供给普通用户和开发者，以降低3D智能数字化技术的应用门槛。同时，作为“智能云网”的重要组成部分，“云端智能服务”与“云制造”一样，也是一种可行的商业赢利模式。目前我国科研单位（如中国科学院、浙江大学、清华大学和北京航空航天大学等）在3D智能数字化方面已有很强的技术储备，基本解决了相关的技术难点，可先针对需求较为单一的细分行业进行突破，并以本土化的优势服务于“个人智造”“家庭智造”和 “网络社区智造”。

3D打印不是一个单一和孤立的学科，实际上，仅凭单项技术是不可能、也无法掀起一次工业革命的。3D打印已逐渐发展成为一个新兴的交叉学科和丰富的泛技术群，包括信息技术、先进制造技术、新材料技术、新能源技术、生物技术、航空航天技术和海洋技术等。目前，我国正在加大对这些关键技术领域的投入和支持力度，以期通过占据核心产业制高点，形成“中国智造”新模式，推动全球第四次工业革命向有利于我国的方向发展。

转向“中国智造”的产业机遇

1.在3D打印技术领域，我国和国际相比虽然还有一定的差距，但已不太大

我国自20世纪90年代初开始追踪3D打印技术研究，目前已取得了一批基础研究成果，部分甚至处于世界领先水平。如北京航空航天大学、西北工业大学开展的金属熔敷成形技术研究，在国际上首次突破了钛合金、超高强度钢等难加工大型复杂整体关键构件激光成形工艺。然而，与国外相比，国内的产业规模化程度不高。现在市场上无论3D扫描还是3D打印，无论高端还是低端，大部分都是国外的产品。因此，智能数字化和3D打印在我国具有巨大的发展机遇。

2.作为3D打印的前端和上游产业链，3D智能数字化扫描是一项关键技术

对于家庭的日常3D打印任务而言，最重要的一个环节是进行全（半）自动的数字化建模。目前国内的3D扫描设备在采集质量和速度上与国外的同类产品相差不大，价格也仅为国外同类产品的1/4左右，但在市场化和产业化上仍有明显差距，大部分产品都出自小型公司，尚未形成有影响力的品牌。这方面有待于政府和商业机构进一步加大支持和投入的力度。待时机成熟，国产3D扫描设备完全可以占据绝大部分国内市场甚至国际市场。

特别需要指出的是，在3D数字处理软件方面，我国与国外的差距仍然较大。实际上，待3D硬件设备成熟之后，国际3D打印市场的核心竞争将转移到相关的配套软件上来。目前国内的3D扫描厂商大多直接采用国外的大型成熟商业软件，如美国的Geomagic Studio等。原因在于3D数字处理软件的研发需要巨额的资金投入和长期的技术积累，目前国内的小型公司难以承受研发风险以及可能的知识产权侵权风险，但从长远来看，拥有国产化的3D数字处理软件是十分必要的，且是可行的，因为目前国内的科研单位（如中国科学院、浙江大学、清华大学等）已基本解决了相关的技术难点，只是没有资金实力形成功能完整的大型软件系统。

可以预见的是，以视觉计算、模式识别及深度机器学习等为代表的智能化技术将获得广泛的工业化应用，配以低成本的传感设备，可以进行自动感知捕获、特征提取、统计分析以及智能化定制设计，以满足高附加值“大批量定制”的工业需求。

3.零技能制造为研发高附加值、个性化定制的产品提供了可能

2014年，我国大约有1.5亿人从事制造业，约占全球制造业工人的40%。同时，我国的竞争优势早已不仅仅是低成本的普通劳动力，还有大量雇佣成本适中的中等技术人才、工程师、科研人员，以及完善的产业链条、高度适应性的巨大产能和本身巨大的市场。当前工业制造的主要门槛是复杂的制造工艺和设备，而一站式3D打印的主要优势恰恰是零技能制造，这给我国广大技术人员研发高附加值、个性化定制的创新产品开启了广阔天地。同时，我国巨大的人口基数，又可把原本的利基市场变成大众市场。即使在由“批量生产”转向“批量定制”的时代，以3D打印为代表的“第四次工业革命”仍有很大的希望在我国落地生根，形成“中国智造”的新模式。智能数字化技术将深刻改变传统行业的产业模式，为我国制造业的转型发展带来前所未有的机遇。

（作者系中国3D科技创新产业联盟副理事长）

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