3D打印技術發展的哲學思考

李文佳++陳海秋

摘要：近年來，美歐等國政府以及航空制造商動作頻頻，以期促進3D打印技術在更多領域的應用。隨著我國綜合國力的增強，剖析先進制造技術發展的內在動因和各種要素之間的關系顯得尤為重要，本文擬從3D打印技術的本質、發展動因、先決條件、基本源泉和普遍規律等方面入手，探討3D打印技術發展的哲學問題。

關鍵詞：3D打印；技術；科技哲學

科學技術哲學是關于科學技術的哲學理論，是對科學技術的歷史成果和科學技術活動的哲學反思。長期以來，由于歷史與現實的諸多原因，我們對于技術的發展更多關注的是“其然”，而不是“其所以然”。目前，新一輪工業革命正在醞釀之中，其中一些先進國家非常具有代表性的做法，比如德國工業4.0、美國工業互聯網、日本工業4.1J。為了可以在新的一輪工業革命中占得先機，我國也制定了“中國制造2025”戰略，加強統籌規劃和宏觀部署，以智能制造為重點、發展高端制造，擬通過10年的努力，使中國進入世界制造強國，提升我國對美、歐、日等先進工業國家的戰略競爭力。實現數字化智能制造的關鍵技術有人工智能、智能機器人、3D打印技術等，在新一輪工業革命中，3D打印必然將迎來自己的蓬勃發展期，迫切需要從哲學層面思考和回答大量的“所以然”問題。

一、3D打印技術的本質

在科技哲學視野下研究3D打印技術，其技術本質是我們必須要探討的最基本問題?！百|”是某一事物區別于其他事物的內在規定性?！氨举|是決定物質體系發展的主要特征和趨向的一些深刻聯系、關系以及內在規律的總和?！彼裕挥姓嬲斫?D打印技術本質，才能確切理解3D打印技術與人，技術與世界的本源關系，才能真正了解3D技術。

對于技術的本質，我們很難用一句話概括出來。馬克思、恩格斯始終從普遍聯系、辨證發展的原理考察技術，把技術與生產密切結合起來，從生產力和它們之間的相互關系兩方面論述了技術的本質。馬克思認為，“技術是人的本質力量的對象化的產物。它是人類征服自然和改造自然的勞動手段，是一種生產力?！奔夹g作為一種潛在的生產力，不僅使勞動工具和設備得以改進，擴大了勞動對象，而且還提高了勞動者素質，提升了勞動生產率。從3D打印技術的產生與發展來看，3D打印技術起步于20世紀80年代末，早些年該技術主要應用于專業化的工業設計與生產。隨著現代科技的不斷發展變更，其應用領域得到不斷的擴展與深化，直到上世紀90年代中期，3D打印技術開始逐漸進入大眾的視野。

事實上，3D打印技術是一種利用三維模型數據，通過材料的逐層累加，將數字化電腦模型變成固態物體的一系列技術，可以大幅降低工裝模具需求，減少材料消耗，縮短制造時間，還可以成形常規方法無法實現的新穎零件和復雜結構。由此可見，3D打印技術的發展將會深刻影響先進制造業、工業設計業、生產性服務業、文化創意業、電子商務業及制造業信息化工程。當今，越來越多的產品可以不斷被3D打印技術出來，背后隱藏著諸多社會規律、經濟規律和自然規律。從這個角度上看，3D打印技術的應用發展將會拓展人類視野，會是人類新的生產力性質和水平的標志。

綜上，3D打印技術是合目的性的自然物質運動規律發展的產物，是主體要素和客體要素的統一，同時技術本身也經歷了一個從潛在形態到現實形態的發展過程，體現了現代社會生產力性質和水平，完全符合技術的基本屬性。

二、3D打印技術發展的根本動因

一般來說，制造技術的創新主要由材料、工藝裝備、軟件等基礎技術的進步而推動。近年來，智能設備、高性能計算、大數據等技術的發展進一步推動了制造業向精益化、智能化、柔性化、敏捷化的方向創新發展，在多個領域掀起了制造模式的變革。一直以來，先進裝備的發展對制造技術影響最廣泛的四個特征就是：系統結構日益復雜、先進材料日益增加、研制周期日益緊迫、成本要求日益嚴格。由于傳統技術無法解決新的挑戰，因而制造技術創新的原則非常明確，那就是在制造的三個核心環節——成形、加工、裝配——中植入能夠改變現有模式的新方法、新手段、新設備，形成突破傳統的創新技術領域，為先進裝備創新的實現提供保障。目前，這些新的領域主要包括3D打印技術、復合材料非熱壓罐成形技術、自適應加工技術、自主化裝配技術、智能人工增強技術。在過去的20年中，3D打印的技術創新可以稱之為利用最少量的因素影響整個經濟體系，繼而成為全球化體系的。在這個過程中，現實需求是技術發展的前提與基礎。一旦有了需求，技術能否發展以及如何發展，則取決于技術自身的發展狀態，即技術能否滿足當前及未來一個時期的現實需求。因此，可以說技術創新發展驅動的根本原因就在于事物自身內部的矛盾性。

（一）設計自由度與制造可行性之間的矛盾

高性能產品的結構越來越復雜，個性化、新穎設計的自由度越來越高，傳統減法式的制造工藝難以實現這些設計，對于設計與制造的要求也越來越高，拓撲優化、薄壁輕質結構、復雜的三維形狀、革命性的微結構、功能梯度材料結構等復雜的設計和制造問題都對傳統制造方法提出了新的要求。以拓撲優化技術與3D打印技術聯合，實現在結構形成過程中植入傳感器和布線，或者接合部件以節省時間和金錢、減少節點或者其他可能導致失效的接頭數目。為節約材料，自然界與工程界大量采用輕質薄壁的結構形式，作為發生沖擊碰撞等突發事件時的緩沖吸能結構。同一產品由于服役環境不同，對于自身材料提出新的要求，可以沿某一維度呈現功能梯度變化，使材料的物理、化學和力學性能在空間上具有相應梯度變化。上述的種種設計和制造問題，都是新時期產品發展過程中所必須面臨和解決的新問題，與之相應的就是要求出現新的技術來解決這種矛盾。任何一種技術的發展與使用都是與其時代特征匹配，正是這種矛盾的沖突推動了新技術的創新發展。

（二）研制周期與市場先機之間的矛盾

借助CAD軟件的數字化建模功能，3D打印技術可以直接將數字化模型利用3D打印機，制造出三維的部組件，極大縮短了研制周期，同時，這種數字化文檔還可以借助網絡傳遞，實現異地制造，快速占領有潛力市場。3D打印制造工藝流程短、全自動、可實現現場制造，無需工裝模具，整體一次成型，直接制造更快速、更高效，設計生產周期往往可以提升一倍，復雜、個性化產品研制周期漫長，在技術趨同的形勢下可以更快搶占市場先機。著眼于歷史的發展，正是由于技術的從簡單到復雜，從低效到高能，從單一到體系的發展，從而推動了整個制造業的不斷發展、日臻完善。

（三）經濟性盈虧的矛盾

結構設計中，3D打印技術可以優化產品設計，提升復雜結構設計的完整性，同時還可以根據設計需要，快速制作模型，檢驗是否滿足用戶需求，避免重大設計更改和技術狀態變更；在制造過程中，不僅可以提高制造環節材料使用率，大幅縮短研制周期，降低生產成本。無論設計還是制造環節，材料利用率、研制周期、生產成本幾個要素平衡發展，都是制造業始終追求的目標之一。傳統制造業可能在某一要素上可能具有相當大的經濟優勢，但就綜合集成來講，3D打印技術還是具有其顯著經濟特征的。

三、3D打印技術發展的條件

技術的產生和發展一般都是在一定條件下發生的，大體應該包含物質條件、知識條件和人的條件，某種角度上說，這三方面因素缺一不可，3D打印技術概莫能外?，F代3D打印發展這幾十年，正是基于這些主客觀條件，呈現出有目的性的發展態勢，同時也關系到了技術的發展趨勢和發展速度。

3D打印技術已經存在了幾十年，為什么迸發期沒有在過去，而是在現在發生？首先，3D打印技術不得不等待計算機處理能力、存儲和網絡基礎設施的改善，現在幾乎任何人都可以制造、交換和使用3D打印的物品，但在20世紀80年代末和90年代初，當第一代3D打印機在市場上面世的時候，用于3D打印模型設計的個人計算機工作站造價十分昂貴，而且在互聯網上交互大量數據的想法也不現實。然后到了今天，許多智能手機和平板電腦都足夠強大到能夠設計和存儲復雜3D模型。高速互聯網已經成為現實，意味著在線存儲和交流3D模型不再是技術上的挑戰。第二，2D打印的世界先進技術同樣幫助建立了3D打印革命的基礎。雖然3D打印不是以2D打印機為原型，但大部分還是類似于伺服電動機和送料機制——激光、噴墨打印頭和電子控制器，硬件發展在過去20年里成為支持3D打印革命的必要條件。第三，3D打印的發展同樣需要等待自身的發展以及知識的儲備。一些低成本的3D打印機硬件要依靠那些使用早期3D打印機的愛好者通過創新模型的努力來完成。從某種意義上講，從最基本的3D打印技術發展到后來確實花了些時間，這些都是知識積累的過程。第四，促進3D打印技術發展的原因是人類社會發展的數字化。十幾年前，人類上網很少，擁有數字通訊和數碼設備都很少，與之形成鮮明對比的是如今數十億人在使用互聯網，并且擁有數字音樂、照片和視頻，現在使用3D打印機在線數字資料制作成物理模型的熱情比3D打印機剛被發明出來時要高漲的多。第五，20世紀80年代末90年代初所申請的3D打印技術方面的一些專利已經或即將到期，因此現在那些阻礙3D打印的法律障礙已經越來越少了。

四、3D打印技術發展的普遍規律

唯物辯證法認為，事物發展是有規律的，規律是可以認識的，認識對于實踐具有能動作用。

（一）需要可能律，技術發展的外部條件

唯物辯證法關于“現實與可能”關系論述的具體運用，揭示了裝備發展與其外部條件之間的客觀聯系，即需求牽引、技術推動、經濟支撐。3D打印技術在短短十余年取得舉世矚目的重大發展，在醫療健康、汽車工業、國防軍事、房屋建筑設計、其他消費品等領域有著傲人的成績，在生物醫藥領域、醫學牙科等領域的市場份額不斷增長，同時在大眾消費的食品加工、服裝配飾、玩具制造等各領域也突飛猛進。

技術的發展需要其他技術的配合與支撐。3D打印技術對信息技術、計算機科學、精密機械以及材料科學有著極其重要的依賴作用。歷史表明，技術發展重大突破的時候，總是產生于科學技術發展到一定水平，特別是出現了重大科學發現或技術發明之后。與此同時，先進技術的成長還需要投入龐大的人力、物力和財力予以支持。

（二）否定完善律，技術發展的內在動力

唯物辯證法“否定之否定規律”的具體運用，揭示了技術發展與其內部矛盾的客觀聯系，即技術自身的不斷否定與完善是推動其發展的內在動力。如前所述，這種矛盾性表現為技術與現實需求之間的不完善，具體表現為復雜設計與制造的矛盾、敏捷高效制造的矛盾、以及綠色經濟的矛盾，正是這些矛盾推動了3D打印技術的不斷發展，使其由不完善變得較為完善，并趨于更加完善。當然，制造業新的需求也是發展變化的，舊的矛盾解決了，新的矛盾還會產生，如此循環往復，推動了事物螺旋式上升，使其進入了更高級的發展階段。

（三）量變質變律，技術發展的演進規律

唯物辯證法“量變質變規律”的具體運用，揭示了裝備發展演進的一般規律，即技術發展是漸進式發展與創新性變革的辯證統一。技術發展是量變與質變的互動過程，表現為漸進性發展與創新性變革交替進行。漸進性發展是一種革新，是對技術的逐步改善，是量變的積累；創新性變革是徹底的革命，是技術的質變。量變是質變的條件，質變是量變積累到一定程度的最終結果。

美歐發展3D打印技術已經跳出了制造本身，開始考慮顛覆當前產品設計以及改變傳統設計和材料開發流程上來，隨著增材制造在大型、復雜航空結構件上應用的技術成熟度和制造成熟度不斷提升，3D打印將成為航空領域主流制造技術，將航空產品設計理念帶向更具顛覆性的未來。

3D打印技術應該說是當前正在進行的第三次工業革命的重要組成部分，是當代計算機控制技術和新材料技術發展的“自然延伸”，鑒于其獨特的性質和優點，這項先進制造技術的研發也應受到高度重視。但是未來還會遇到許多新問題、新困難，只要我們更加自覺地站在世界觀與方法論的高度分析問題、認識問題。雖然不主張3D打印技術預示著新的工業革命的到來，但并不能因此忽視它的價值。隨著人類認識的不斷深入和技術的不斷進步，3D打印技術必將更加成熟，應用領域更為廣闊。

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