裝備制造新變革

牛祿青

緊緊抓住3D打印、智能機器人等新一輪工業革命的契機，大力發展智能制造和綠色制造

如果從1986年美國科學家查爾斯·哈爾開發的第一臺商業3D印刷機算起，3D打印至今已走過27年的歷程。2012年以來，3D打印在全球急劇升溫，引起各國政府、科技、企業和投資界的高度重視。

目前，3D打印技術在新產品開發、單件小批量生產、復雜結構、現場制造、個性化定制等方面顯示了較強的優勢，既可以節約時間，還可以減少研發和生產成本，滿足了不同客戶的實際需求。

清華大學激光快速成形中心林峰教授對記者說，3D打印技術是基于離散堆積的原理來進行分層制造，由計算機輔助設計模型（CAD）直接驅動，運用金屬、塑料、陶瓷、樹脂、蠟、紙、砂等材料，在快速成形設備里分層制造任何復雜形狀的物理實體?；玖鞒淌牵扔糜嬎銠C軟件設計三維模型，然后把三維數字模型離散為面、線和點，再通過3D打印設備分層堆積，最后變成一個三維的實物，好比在計算機控制下一層層蓋房子。

3D打印方興未艾

當飛行員駕駛的殲-15艦載機首次成功起飛和降落在遼寧號航母上時，每一個中國人都感到無比自豪。而你知道嗎？這款綽號為“飛鯊”的殲15戰機廣泛采用了3D打印技術。

據了解，傳統的戰斗機制造流程當中，3D設計好之后，需要進行長期的投入和時間成本來制造水壓成型設備，而使用3D打印這種增材制造技術之后，零件的成型速度、應用速度得以大幅度提高。

3D打印又稱為快速成形、增材制造。這一新興的技術目前廣泛應用于航空航天、國防軍工、汽車、機械、電子、生物醫療、玩具、服裝、首飾、日用品、食品、建筑、教育等眾多領域。

在軍事國防領域，美國2012年把3D打印技術引入阿富汗戰區，現場為士兵打印工具和設備；在航空航天領域，英國南安普敦大學工程師利用3D技術打印出世界上第一架無人飛機“SULSA”；在生活消費領域，各國研究應用百花齊放，如巴黎時裝周上3D打印的比基尼、比利時工程師利用3D打印機制造的全尺寸賽車、西班牙巴塞羅那初創公司（Natural Machines）推出3D食物打印機……

甚至不久的將來，人體器官也可以用3D打印機制造出來。美國生物科技公司Organovo承諾將在2014年年末，用“生物打印”技術成功打印出一個真正的完整的人類肝臟。目前他們已能打印出部分肝臟。

中國的3D打印技術研發和應用也取得了顯著成效，在工業制造領域，清華大學在世界上率先完成無木模鑄型制造工藝；北京航空航天大學的研究使我國成為世界上唯一突破飛機鈦合金大型主承力結構件激光快速成形技術并實現裝機應用的國家；華中科技大學及所屬企業濱湖機電已自主研發出全球最大的SLS“3D打印機”（激光粉末燒結快速成形系統）；中國工程院院士、快速制造國家工程研究中心主任盧秉恒開發出具有國際首創的紫外光快速成型機；中科院重慶綠色智能技術研究院3D打印技術中心開發出液體光敏樹脂紫外固化技術，打印精度能夠達到微米量級；北京太爾時代的工業級快速成形設備打印了神舟七號的出艙服。

在生物制造領域，西安交大1998年開始研發活體骨骼3D打印技術，該校2001年就實施了國內第一例3D打印頜面修復手術；華南理工大學在個性化的牙科舌側正畸托槽3D打印方面已拿到注冊許可證，上百套定制化托槽產品已銷往歐洲、非洲國家；世界第一臺成型的3D生物打印機于2013年8月現身青島。

在消費品制造領域，北京太爾時代研發的桌面3D打印機被美國MAKE雜志評選為最佳3D打印機，與全球最大的3D Systems公司和Stratasys公司相比毫不遜色，可以打印出玩具、日用品、藝術品、教學模型等，其設備遠銷歐洲、北美洲、大洋洲、中亞等。

3D打印的火熱引起了各地政府的關注和追逐。成都、青島、武漢、珠海等地紛紛興建3D打印產業園。如今，3D打印裝備正從高端型走向普及型?，F在淘寶網上，最便宜幾千元就可以買到一部3D打印機。如果你想打印出自己設計的產品，可以考慮購買一臺。

第三次工業革命浪潮

人類經歷了兩次工業革命，在實現機械化、規?；?、城市化的同時，也帶來了資源枯竭、能源短缺、環境污染、交通擁堵等諸多問題。隨著互聯網的普及以及物聯網、云計算、大數據、智能軟件、新能源、新材料、機器人、3D打印等新技術的應用，第三次工業革命呼之欲出。

對于第三次工業革命，目前比較主流的看法來自美國未來學家杰里米·里夫金。他認為，接下來的半個世紀里，集中經營活動將被第三次工業革命的分散經營方式取代。未來將是社會化協作、分布式能源和行業專家、技術勞動力為特征的新時代。

2012年，旨在重振美國制造業的“制造創新國家網絡”計劃將3D打印作為首個發展方向。英國《經濟學人》雜志也發表封面文章稱，3D打印技術是第三次工業革命的重要標志之一，“這場革命不僅將影響到如何制造產品，還將影響到在哪里制造產品?！?/p>

北京長城企業戰略研究所所長王德祿認為，在第三次工業革命中，產業鏈條的關鍵進一步轉移至研發設計等環節，制造環節將被壓縮至“一步實現”。除3D打印外，機器人技術、人工智能技術、納米科技、新材料、新能源等技術也將是第三次工業革命的重要組成部分。而3D打印則被譽為是“第三次工業革命最具標志性的生產工具”。

王德祿指出，3D打印技術極有可能和互聯網一樣深入到我們生活工作的任何一個角落，會在第三次工業革命中產生巨大的推動作用，而且它會衍生出許多原創產業，如皮膚打印、3D打印設計和服務平臺、消費品定制等。就像蒸汽機發明以后，不僅僅是蒸汽機產業本身，還滲透到許多行業中，這也是它的革命意義。

中國社科院工業經濟研究所鄧洲博士表示，新的制造業革命所包含的變化不只是3D打印技術，最核心的變化是反映在制造業生產方式和組織方式的顛覆上。目前制造業最重要的轉型之一是“智能制造”對“自動化制造”的替代。智能化的工業機器人能夠自我修正錯誤，甚至自主進行工藝改進和流程優化，無需看護和調試。

迄今為止，信息技術革命主要表現在對腦力勞動的替代上，而今后將在制造業、農業、流通等領域進一步解放人的體力勞動，逐步實現國民經濟系統整體網絡化、智能化和綠色化。

據報道，谷歌近半年來已收購了8家機器人公司，亞馬遜最近也表示計劃未來用無人機送包裹。據國際機器人工業聯合會預測，不久的將來中國將成為全球最大工業機器人市場。但值得注意的是，目前國外機器人品牌占據了我國國內市場90%的份額，德、美、日等國在信息化和制造業數字化領域中仍占據著國際制高點。

據中國工程院院士李伯虎透露，我國“863”計劃項目已建成為企業服務的“制造云”，利用這片“云”，航空、汽車等領域的工業設計變得更為智能、高效，將推動我國制造業的升級發展。

所謂“云制造”，是一種基于各種網絡及其組合、面向企業進行服務的智能制造平臺。利用這種平臺，企業用戶無需招聘員工、購買昂貴的專業軟件和制造設備，只要通過平臺終端就能完成產品的設計、工藝、制造、采購、營銷等各個環節。李院士指出，將3D打印技術與云制造相結合，這條智能制造產業鏈會變得更加高效。

在《機械工業“十二五”發展總體規劃》中，明確提出以“綠色為先”的發展戰略，指出機械產品的設計和制造要更加關注體現全生命周期的綠色理念。日前，在天津召開的第三屆綠色制造技術論壇上，中國機械工業聯合會執行副會長薛一平強調，綠色制造是機械工業轉型升級的重要組成部分。

正視差距和不足

對于3D打印技術對制造業的影響，見仁見智。激進派認為，傳統工程師使用的車床、鉆頭、沖壓機、制模機等將一去不復返，甚至將顛覆整個傳統制造業，開啟社會化制造新時代。

而一些業內專家和企業人士持謹慎態度。“我們應對3D打印有一個正確的定位和認識。3D打印技術在生產制造中所占的比例正在上升，但對傳統制造業更多是補充而非顛覆。”中國工程院院士盧秉恒說。

北京太爾時代總經理郭戈也比較低調，3D打印目前還沒有那么大的能量，從行業現狀看，3D打印的市場規模還較小，雖然3D打印有很多創新和優勢，但從綜合的經濟社會效率上來看，它還處于整個制造業的邊緣。

雖然我國的3D打印在基礎研究和產業化方面有了一定進展，但我國3D打印產業的發展與美國相比仍有較大差距。如沒有形成產業鏈、工業環境不配套、企業規模小、研發投入不夠等。此外，在一些核心技術和關鍵器件上，如3D打印機中的激光器、高端材料，仍然對國外依賴較大。

華南理工大學機械工程學院教授楊永強認為，這既與我國制造業發展急功近利、喜歡做短平快的技術和產品有關，也與國家導向過分強調產業化和經濟效益，忽視基礎研究有關。

“3D打印技術本身內涵很多，難題也很多。現在的問題是恨不得今天結婚，明天就生孩子，拔苗助長?！睏钣缽娬f。

在應用方面，我國的3D打印也遠未達到美國的豐富程度。據盧秉恒介紹，目前我國3D打印的大部分應用仍然集中在軍工領域的開發與模具的制造上。從設備數量上看，美國目前各種3D打印設備的數量占全世界40%，而中國只有8%左右。

濱湖機電總經理周建國對記者說，我國與美國的差距主要表現在：產業化進程緩慢，市場需求不足；產品的快速制造水平有待提高；燒結的材料尤其是金屬材料，質量和性能比我們好；國內企業的收入結構單一，主要靠賣3D打印設備，而美國的公司是多元經營，設備、服務和材料基本各占銷售收入的1/3。

有調查結果顯示，在全球3D模型制造技術的專利實力榜單上，美國3D Systems公司、日本松下公司和德國EOS公司遙遙領先。

此外，國內的3D打印產業規模很小。根據全球最知名的3D打印行業研究機構Wohlers Associates的報告，2010～2012年，全球3D打印市場的復合年增長率為27.4%，2012年市場規模為22.04億美元，約合135億元人民幣，而中國3D打印市場規模只有10億元人民幣。

應與傳統制造相融合

在過去的20多年里，3D打印技術之所以未產生太大影響，一個很重要的原因，就是用戶和企業對3D打印技術缺乏足夠的信心，市場需求始終沒有被激發。

與傳統制造的大規模、大批量的加工制造相比，3D打印在少批量、小尺寸、高精度、造型復雜的零部件研發和生產方面更具優勢。因此，3D打印可以與傳統產業優勢互補，融合發展，開發出適合傳統制造業所需要的技術和產品，幫助傳統制造業改進生產工藝，從而為傳統制造業的創新發展注入新的活力和動力。

北京航空航天大學材料加工工程及自動化系教授王華明表示，增材制造技術最近很“熱”，需要科學理性地對待。增材制造只是制造技術大家庭一個成員而已，實際上裝備制造不可能依賴一種技術。制造技術體系完整，減材制造不是說傳統制造，其實傳統制造技術非常多。增材制造與減材制造并不是對立的事情，增材制造產品需要后續少量的減材加工。增材制造不可能顛覆或取代減材制造。

大連理工大學材料工程系教授姚山認為，3D打印這個技術從新產品研發角度講，應該說有絕對優勢。等產品定型以后，到大批量生產，它的優勢會變小，但是并不一定沒有應用。比如傳統制造也是先把模具做出來，然后用壓力加工等方法成型。但模具也是單件的、小批量的產品，如果用3D打印去做模具，就是很好的應用。

姚山進一步指出，大家不要把3D打印和傳統技術相對立，好像3D打印一定要取代傳統。不是這樣的。我覺得3D打印第一步是融合傳統，改變部分流程或工藝，最后可能隨著材料技術的發展，材料和設備成本降下來，3D打印可能直接走到應用，形成批量的制造能力。美國有一家做假牙的公司，一個企業有150臺3D打印機。這個例子提示我們，3D打印一定不能批量嗎？這是一個相對的概念。

盧秉恒則充分肯定發展3D打印對于中國的意義，“中國是制造大國，制造能力過剩，但設計研發能力不足。而3D打印技術正是輔助和加速設計與研發的手段。我們應該高度重視這一技術，投入科研和其他力量，并大力推廣，這樣才能真正使我們國家變成制造強國。”

據Wohlers預測，到2025年，3D打印技術潛在的經濟影響將達到2300—2500億美元。面對3D打印的廣闊前景，各地紛紛興建3D打印產業園，并出臺各項優惠政策。當然，發展3D打印等新興技術，離不開政府的政策扶持，但應該進行科學規劃布局，避免在發展初期一哄而上，形成惡性競爭，重蹈光伏的覆轍。

當前，全球經濟持續低迷，外需疲軟，內需不振，制造企業在打造經濟升級版中扮演著重要角色。緊緊抓住3D打印、智能機器人、新材料、能源互聯網等新一輪工業革命的契機，大力發展智能制造和綠色制造，使其在產業升級和結構調整中發揮重要引領作用。