3D打印給中國智造帶來新機遇

◎吳懷宇

3D打印給中國智造帶來新機遇

◎吳懷宇

當今，我國正處于從“中國制造”向“中國智造”邁進的重要時期，智能數字化及3D打印技術可將設計師和工程師從產品制造工藝的束縛中解放出來，更加專注于產品本身的智力創造。智能數字化和3D打印的產業化無疑將為促進我國傳統產業升級、徹底擺脫長期處于制造業產業鏈低端的局面發揮重要的推動作用。

智能數字化；3D打印

人類在經歷了18世紀以“紡織工業機器化”為標志的第一次工業革命、20世紀初以“汽車大規模流水線生產”為標志的第二次工業革命、二戰后以“電子信息化”為特征的第三次工業革命之后，正步入全球第四次工業革命時代。這一次新工業革命的特點可歸納為：智能數字化、分布式網絡化、個性定制化和綠色可持續化。特別是3D打印的推出，跨越了虛擬的比特世界和實體的原子世界之間的鴻溝，其革命性的意義超越了之前個人電腦和互聯網的出現。3D打印相關技術將給新興國家帶來更多機遇，將使制造業——尤其是制造業的上游產業鏈，進一步掌握在我國等新興國家手中（見圖1）。

智能制造與3D打印

工業革命的基本定位在于制造，只有制造出實實在在的產品，人們的生活消費水平才能得到實實在在的改善和提高。而第四次工業革命與前三次工業革命不同，強調個性化定制、先進制造、高端制造和智能制造，即以數字化、智能化為核心，提升柔性化程度、生產效率、技術水平和產品質量，并降低能源資源消耗。

1.智能制造

我國正在加大對高端裝備制造業的支持力度，已將其列入國家七大戰略性新興產業之一，而智能制造裝備又是其重點發展方向。《國務院關于加快培育和發展戰略性新興產業的決定》中明確指出：強化基礎配套能力，積極發展以數字化、柔性化及系統集成技術為核心的智能制造裝備，并出臺了相關配套政策措施。按照《智能制造裝備產業“十二五”發展規劃》的要求，2015年，我國智能裝備制造業的銷售收入超過1萬億元，年均增長率超過25%，工業增加值率達到35%，力爭到2020年，建立完善的智能制造裝備產業體系。

2.3D打印

從社會計算到社會制造的變革意義體現在，3D打印成功地將虛擬的智能數字化技術與實實在在的工業產品鏈接在一起。據預測，2020年全球3D打印市場規模將達到212億美元。作為快速成形技術的一種，3D打印以經過智能化處理后的3D數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印、迭加成形的方式來增量構造物體。

圖1 3D打印出的任意復雜設計形狀（傳統制造工藝無法加工）

圖2 利用3D智能數字化技術開展骨科手術治療示意圖

3D打印是個性化定制、先進制造、高端制造和智能制造的代表性發展方向。在高端制造領域，像F22猛禽戰斗機和波音787大客機都需要鈦合金結構件，如采用傳統鍛造和機械加工工藝，既耗時又費力，還需要數萬噸級重型液壓鍛造裝備進行加工，材料利用率通常不足10%，浪費率高達90%。但應用3D打印則徹底不同，與傳統工藝相比，材料利用率和浪費率正好顛倒過來。

3D打印實質上反映了制造業向智能化不斷演進的歷程。由于3D打印個性化定制的特點，決定了其不具備規模經濟（即所謂的“大規模生產”）效應。3D打印技術推動的未來商業模式之一是云制造，其由數百萬個小規模、自動組織的生產節點組成。這個由眾多小型制造業企業組成的超大規模分布式網絡，結合云端的智能計算服務，將形成一種全新的“批量定制”解決方案。

新工業革命之“3D智能數字化創造”

第四次工業革命的核心概念是數字化與智能化，這是一條主線。“數字化與智能化”在3D打印上的著力點便是“3D智能數字化創造”，它賦予了“萬能制造機”3D打印以鮮活的靈魂、智能的大腦、創新的精神和自由的形式。作為3D打印機的信息輸入源，一個滿足實際應用的“3D數字化模型”才是我們智力創新的成果。3D打印的優勢在于可以將任意復雜的個性化設計輕松制造出來，這無疑會激發我們每一個人的創造熱情。

1.3D智能數字化技術在高端定制環節發揮著重要作用

如在醫療外科領域，骨外科醫生若要為患者設計最優化的植入體與接骨板，就只能依靠3D智能數字化技術。具有多年研究經驗的上海交通大學教授王成燾提到，骨科手術治療包括很多環節：首先要利用CT掃描數據建立3D數字化模型，呈現患者骨頭內部的精確結構（A）。接著，根據個體的不同結構，利用智能軟件設計個性化的植入體（B）。所設計的植入體到底合適不合適呢？我們可以進一步通過智能算法來分析植入體對骨頭各區域的受力影響（C中不同的顏色代表著不同的受力大小），看力學性能分布是否合理。之后，我們就可以將模型3D打印出來。在真正的手術之前進行規劃和反復演練，待醫生熟練之后就正式實施，這樣做的目的是讓手術更加準確和精細（見圖2）。

2.3D打印產業的迅猛發展必然會對3D智能數字化技術提出新的要求

過去，3D打印通常面向模具制造、工業設計和醫療衛生等專業領域，都是聘請專業的技術人員做算法的開發與設計，并沒有向大眾普及的需要。但現在，3D打印從高端工業走向大眾化，需要軟件設計也向大眾化轉型，這將開啟一個巨大的3D智能數字化產品消費市場。3D智能數字化設計者可以把自己編寫的專業軟件以云端智能化服務的形式提供給普通用戶和開發者，以降低3D智能數字化技術的應用門檻。同時，作為“智能云網”的重要組成部分，“云端智能服務”與“云制造”一樣，也是一種可行的商業贏利模式。目前我國科研單位（如中國科學院、浙江大學、清華大學和北京航空航天大學等）在3D智能數字化方面已有很強的技術儲備，基本解決了相關的技術難點，可先針對需求較為單一的細分行業進行突破，并以本土化的優勢服務于“個人智造”“家庭智造”和 “網絡社區智造”。

3D打印不是一個單一和孤立的學科，實際上，僅憑單項技術是不可能、也無法掀起一次工業革命的。3D打印已逐漸發展成為一個新興的交叉學科和豐富的泛技術群，包括信息技術、先進制造技術、新材料技術、新能源技術、生物技術、航空航天技術和海洋技術等。目前，我國正在加大對這些關鍵技術領域的投入和支持力度，以期通過占據核心產業制高點，形成“中國智造”新模式，推動全球第四次工業革命向有利于我國的方向發展。

轉向“中國智造”的產業機遇

1.在3D打印技術領域，我國和國際相比雖然還有一定的差距，但已不太大

我國自20世紀90年代初開始追蹤3D打印技術研究，目前已取得了一批基礎研究成果，部分甚至處于世界領先水平。如北京航空航天大學、西北工業大學開展的金屬熔敷成形技術研究，在國際上首次突破了鈦合金、超高強度鋼等難加工大型復雜整體關鍵構件激光成形工藝。然而，與國外相比，國內的產業規模化程度不高。現在市場上無論3D掃描還是3D打印，無論高端還是低端，大部分都是國外的產品。因此，智能數字化和3D打印在我國具有巨大的發展機遇。

2.作為3D打印的前端和上游產業鏈，3D智能數字化掃描是一項關鍵技術

對于家庭的日常3D打印任務而言，最重要的一個環節是進行全（半）自動的數字化建模。目前國內的3D掃描設備在采集質量和速度上與國外的同類產品相差不大，價格也僅為國外同類產品的1/4左右，但在市場化和產業化上仍有明顯差距，大部分產品都出自小型公司，尚未形成有影響力的品牌。這方面有待于政府和商業機構進一步加大支持和投入的力度。待時機成熟，國產3D掃描設備完全可以占據絕大部分國內市場甚至國際市場。

特別需要指出的是，在3D數字處理軟件方面，我國與國外的差距仍然較大。實際上，待3D硬件設備成熟之后，國際3D打印市場的核心競爭將轉移到相關的配套軟件上來。目前國內的3D掃描廠商大多直接采用國外的大型成熟商業軟件，如美國的Geomagic Studio等。原因在于3D數字處理軟件的研發需要巨額的資金投入和長期的技術積累，目前國內的小型公司難以承受研發風險以及可能的知識產權侵權風險，但從長遠來看，擁有國產化的3D數字處理軟件是十分必要的，且是可行的，因為目前國內的科研單位（如中國科學院、浙江大學、清華大學等）已基本解決了相關的技術難點，只是沒有資金實力形成功能完整的大型軟件系統。

可以預見的是，以視覺計算、模式識別及深度機器學習等為代表的智能化技術將獲得廣泛的工業化應用，配以低成本的傳感設備，可以進行自動感知捕獲、特征提取、統計分析以及智能化定制設計，以滿足高附加值“大批量定制”的工業需求。

3.零技能制造為研發高附加值、個性化定制的產品提供了可能

2014年，我國大約有1.5億人從事制造業，約占全球制造業工人的40%。同時，我國的競爭優勢早已不僅僅是低成本的普通勞動力，還有大量雇傭成本適中的中等技術人才、工程師、科研人員，以及完善的產業鏈條、高度適應性的巨大產能和本身巨大的市場。當前工業制造的主要門檻是復雜的制造工藝和設備，而一站式3D打印的主要優勢恰恰是零技能制造，這給我國廣大技術人員研發高附加值、個性化定制的創新產品開啟了廣闊天地。同時，我國巨大的人口基數，又可把原本的利基市場變成大眾市場。即使在由“批量生產”轉向“批量定制”的時代，以3D打印為代表的“第四次工業革命”仍有很大的希望在我國落地生根，形成“中國智造”的新模式。智能數字化技術將深刻改變傳統行業的產業模式，為我國制造業的轉型發展帶來前所未有的機遇。

（作者系中國3D科技創新產業聯盟副理事長）

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