3D打印发展规划对工程实训教学的启发

陈为平 林有希,2 黄 捷 王文栋 张丽娇

1.福州大学机电工程实践中心 福建福州 350108

2.福州大学机械工程及自动化学院 福建福州 350108

3D打印又称增材制造(Additive Manufacturing，简称AM)技术，是一种快速成型技术，其对材料的处理方式实现了从等材、减材到增材的转变，完全颠覆了传统加工制造行业减材制造的理念和模式[1]。20世纪90年代以来，清华大学、西安交通大学、华中科技大学、北京航空航天大学等知名高校，在3D打印材料的研发技术、3D打印设备的制造技术、3D设计与成型软件的开发以及3D打印在工业应用中的研究与推广等方面，开展了积极的探索，已有部分技术处于世界先进水平[2]。但是相比于欧美、日本等3D打印方面较发达的国家，我国在国际3D打印市场的占有份额、市场竞争力、抗风险能力以及技术创新能力等方面还有一定的差距[3]。在“中国制造2025”的大背景下，面对如此激烈的市场竞争环境，如何培养具有较高实践能力、创新能力及工程素养的综合型增材制造人才，成为当前高校工程实践中心开展3D打印实训教学改革的热点课题之一。本文从美国、德国及中国等主要增材制造国家对3D打印发展现状及规划政策进行了分析和归纳，从政策和战略高度分析了高校进行3D打印实训教学的必要性和迫切性，对于工程实践教学体系改革的有序推进具有一定的启发作用。

1 3D打印发展现状及规划

从3D打印首次商业化，经过30年的发展，目前全球增材制造产业的发展格局已基本形成并保持稳定，即以欧洲、美国等发达国家为主导，以中国、韩国等亚洲国家后起而追赶。之所以形成这样的发展格局，与各个国家的政策息息相关。美国在金融危机后不断提出制造业发展战略，把增材制造提升到国家战略的高度，注重技术创新与产业化发展；欧盟及其成员国通过工业联盟，在金属增材制造技术的研究和推广方面取得了巨大的发展，其同时注重增材制造的产业发展与技术应用；俄罗斯利用自身在激光领域特有的技术优势，积极探索和发展激光技术在增材制造中的应用和推广；日本不断加大增材制造研发财政预算，在成立研究会的同时鼓励企业进入3D打印领域，希望能通过增材制造技术的发展来巩固其制造强国的地位。本文将重点介绍和分析美国、德国及中国在增材制造发展方面的国家政策和发展规划，以期为我国增材制造人才的培养和发展、工程实训教学体系的改革和创新提供一定启发。

1.1 美国3D打印发展规划

美国在2008年金融危机后，提出了“再工业化”的战略以提升传统制造业的战略地位。2011年6月，美国联邦政府发布“先进制造伙伴关系(AMP)”计划。2012年2月，美国国家科学技术委员会发布了《先进制造业国家战略计划》，正式把先进制造产业提升为国家战略。2012年3月，美国联邦政府提出“美国国家制造创新网络(NNMI)”计划，联邦支持资金为10亿美元，用于建立全国范围内基于制造业领域的产学研联合网络。2012年4月，经过严格的技术评估，3D打印被确定为首个制造业创新中心。2012年8月，“国家增材制造创新机构(NAMII)”宣布成立。该创新中心服从美国国家国防制造与加工中心(NCDMM)领导，同时国防部、商务部、教育部、宇航局、能源局和国家自然科学基金委员会6个部门均参与其中，联盟成员覆盖了从俄亥俄州、宾夕法尼亚州到西弗吉尼亚州的科技带，包括40个制造型企业、11个非营利性组织、9所研究型大学及5所社区大学。该创新中心成立之初分别得到联邦政府5 500万美元和非联邦政府5 500万美元的巨额资金投入。该创新中心的成立标志着美国联邦政府已将3D打印提升为国家战略性新兴技术以及发展先进制造业的核心技术[4-6]。2013年8月，“国家增材制造创新机构(NAMII)”正式更名为“美国制造”(American Makes)，强化和巩固了3D打印在美国先进制造中的地位。美国政府关于3D打印发展的政策和布局并不是简单、孤立的单一战略，其与“材料基因组计划”等其他政府重点工作有着千丝万缕的互助互利关系。2016年3月，美国高校发布了《下一代增材制造材料战略路线图》，该路线图由美国国家标准与技术研究院出资，由来自宾夕法尼亚州立大学、应用研究实验室等“政产学”界的120位专家、学者联合完成编写，旨在从战略层面为未来10年间增材制造的设备研发、材料设计及应用推广等提供强有力的战略路线支持[7]。2017年2月，“美国制造”联合美国国家标准协会(ANSI)共同发布了《增材制造标准化路线图(1.0版)》，为加强增材制造技术在工业领域应用中标准和规范的开发和制订奠定了基础；2018年6月，又推出了《增材制造标准化路线图(2.0版)》，为制订技术标准和指导方针迈出了第一步。

1.2 德国3D打印发展规划

2008年，德国成立了直接制造研究中心(DMRC)，该研究中心是以增材制造技术为主要的技术研究对象，其资助与合作伙伴包括西门子公司，空客公司，波音公司，3D Systems，Stratasys，SLM Solutions等多家知名单位，并于2011至2013年先后推出了《超前思维3D打印的未来—工业前景分析》《超前思维3D打印的未来—未来应用》《超前思维3D打印的未来—需求创新路线图》系列报告，对德国3D打印的发展有着非常重要的影响。2010年7月，德国政府发布了《德国2020高技术战略》，该战略是2006年发布的国家总体规划《德国高科技战略》之后，对德国制造未来新的发展方向的积极布局，工业4.0就是10大项目之一，旨在提升德国制造业的智能化水平。由于3D打印能够实现智能化、个性化、社会化订制生产，因此被纳入工业4.0计划，成为智能工厂的主要组成部分。2014年底，德国发布的《新高科技战略—为德国而创新》是之前国家高新技术战略的升级版，旨在稳固德国在科技和经济领域的领先地位，并成为创新世界领导者[8,9]。工业4.0不仅仅是针对某个国家、某个地区的封闭、单一的概念，更是一个跨地区、无国界寻求通力合作的方针、战略。为进一步推动工业4.0实现全球范围内智能化、标准化，2016年，德国工业4.0平台(Platform Industrie 4.0)和法国未来工业(Industrie du Futur)联盟就数字化工业的生产方面共同发布了相关行动方案，并将于新的工业背景下开展多方面合作，其中包括工业生产及应用、标准化工作、技术及其测试设施及相关职业培训等。2017年，德国、法国、意大利除了双边合作外，三个国家又联合将工业4.0的合作推向了一个新的阶段[10]。

1.3 中国3D打印发展规划

中国在2013年8月由工业和信息化部印发的《信息化和工业化深度融合专项行动计划(2013-2018年)》中将3D打印纳入先进制造技术。2015年2月，工业和信息化部、财政部、发展改革委研究印发了《国家增材制造产业发展推进计划(2015-2016年)》，旨在确保我国的增材制造产业能沿着正确的方向快速发展，同时也首次确立了3D打印在国家战略层面的发展范畴。2015年3月，李克强总理在政府工作报告中提出：“要实施‘中国制造2025’，要坚持创新驱动、智能转型、强化基础、绿色发展，加快从制造大国转向制造强国。”2016年7月，国务院印发了《“十三五”国家科技创新规划》，在“发展智能绿色服务制造技术”部分指出增材制造的发展规划为构建相对完善的增材制造技术创新与研发体系。2016年11月，为贯彻落实《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》和《中国制造2025》行动纲领，加快从制造大国向制造强国的转变，积极促进信息化与工业化间的深度融合，工业和信息化部印发了《信息化和工业化融合发展规划(2016-2020年)》，该规划指出要以激发和保持制造业的创新活力、可持续的发展潜力和强大的转型动力为主线，大力促进信息化和工业化深度融合发展，着力打造支撑制造业转型的创业创新平台。2017年12月，为进一步实现“中国制造2025”战略，保证我国增材制造产业健康有序地良性发展，积极鼓励和激发制造业展现出创新和转型的发展动力，工业和信息化部联合发展改革委、财政部、教育部、海关总署、质检总局、商务部、公安部、文化部、卫生计生委、知识产权局等重点部门共同推出了《增材制造产业发展行动计划(2017-2020年)》，该行动计划的预期目标是到2020年，保证我国增材制造产业的全年销售收入总额大于200亿元，全年平均增长速率保持在30%以上。

3 对我国工程实训教学的启发

我国虽然在增材制造方面出台了许多国家战略层面的发展规划，但是与3D打印发达国家相比，仍有不足，例如，至今没有增材制造发展战略路线图，存在增材制造产业链集成度低等问题。究其根本原因，是由于3D打印人才不足造成的。高校作为国家人才培养的摇篮，肩负着为社会各行各业输送各层次人才的神圣使命，而工程训练实践中心，是具有中国特色的工程实践教学模式，是高校培养专业人才工程素质、提高学生实践能力的重要基地；同时工程训练实践中心作为工科类高等院校中教学规模最大、学生受众人数最多的实践教学基地，具有多学科融合的天然优势，这与3D打印技术作为机械、材料、计算机技术等多学科融合技术以及新工科强调多学科交叉与融合的重要性等理念不谋而合[11]。因此，通过工程训练中心进行3D打印专业人才的培养具有重要的实际意义[12]。

4 结语

在全球掀起新一轮工业4.0的浪潮中，面对如此激烈的市场竞争环境，各国都制定了许多政策及发展规划来助力制造业的再次腾飞，先进制造、智能制造已成为各国工业发展的重点，而3D打印作为其中的代表性技术之一，更是受到前所未有的重视。应该充分认识到高校开展3D打印课程的必要性和迫切性，在不断加强国家层面的战略布局，构建3D打印顶层设计，努力强化、细化政策引导，有序推进3D打印市场良性发展之外，还应确保高校3D打印课程的开展工作得到有效落实，充分利用工程实践中心进行实训教学，以培养学生的创新精神、实践能力和工程素养，为实现从“中国制造”向“中国智造”“中国创造”的转变积蓄力量。