裝備制造新變革

牛祿青

緊緊抓住3D打印、智能機(jī)器人等新一輪工業(yè)革命的契機(jī)，大力發(fā)展智能制造和綠色制造

如果從1986年美國科學(xué)家查爾斯·哈爾開發(fā)的第一臺(tái)商業(yè)3D印刷機(jī)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(yè)和投資界的高度重視。

目前，3D打印技術(shù)在新產(chǎn)品開發(fā)、單件小批量生產(chǎn)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)、現(xiàn)場制造、個(gè)性化定制等方面顯示了較強(qiáng)的優(yōu)勢，既可以節(jié)約時(shí)間，還可以減少研發(fā)和生產(chǎn)成本，滿足了不同客戶的實(shí)際需求。

清華大學(xué)激光快速成形中心林峰教授對記者說，3D打印技術(shù)是基于離散堆積的原理來進(jìn)行分層制造，由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型（CAD）直接驅(qū)動(dòng)，運(yùn)用金屬、塑料、陶瓷、樹脂、蠟、紙、砂等材料，在快速成形設(shè)備里分層制造任何復(fù)雜形狀的物理實(shí)體。基本流程是，先用計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)三維模型，然后把三維數(shù)字模型離散為面、線和點(diǎn)，再通過3D打印設(shè)備分層堆積，最后變成一個(gè)三維的實(shí)物，好比在計(jì)算機(jī)控制下一層層蓋房子。

3D打印方興未艾

當(dāng)飛行員駕駛的殲-15艦載機(jī)首次成功起飛和降落在遼寧號(hào)航母上時(shí)，每一個(gè)中國人都感到無比自豪。而你知道嗎？這款綽號(hào)為“飛鯊”的殲15戰(zhàn)機(jī)廣泛采用了3D打印技術(shù)。

據(jù)了解，傳統(tǒng)的戰(zhàn)斗機(jī)制造流程當(dāng)中，3D設(shè)計(jì)好之后，需要進(jìn)行長期的投入和時(shí)間成本來制造水壓成型設(shè)備，而使用3D打印這種增材制造技術(shù)之后，零件的成型速度、應(yīng)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(shù)目前廣泛應(yīng)用于航空航天、國防軍工、汽車、機(jī)械、電子、生物醫(yī)療、玩具、服裝、首飾、日用品、食品、建筑、教育等眾多領(lǐng)域。

在軍事國防領(lǐng)域，美國2012年把3D打印技術(shù)引入阿富汗戰(zhàn)區(qū)，現(xiàn)場為士兵打印工具和設(shè)備；在航空航天領(lǐng)域，英國南安普敦大學(xué)工程師利用3D技術(shù)打印出世界上第一架無人飛機(jī)“SULSA”；在生活消費(fèi)領(lǐng)域，各國研究應(yīng)用百花齊放，如巴黎時(shí)裝周上3D打印的比基尼、比利時(shí)工程師利用3D打印機(jī)制造的全尺寸賽車、西班牙巴塞羅那初創(chuàng)公司（Natural Machines）推出3D食物打印機(jī)……

甚至不久的將來，人體器官也可以用3D打印機(jī)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(shù)成功打印出一個(gè)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(shù)研發(fā)和應(yīng)用也取得了顯著成效，在工業(yè)制造領(lǐng)域，清華大學(xué)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(xué)的研究使我國成為世界上唯一突破飛機(jī)鈦合金大型主承力結(jié)構(gòu)件激光快速成形技術(shù)并實(shí)現(xiàn)裝機(jī)應(yīng)用的國家；華中科技大學(xué)及所屬企業(yè)濱湖機(jī)電已自主研發(fā)出全球最大的SLS“3D打印機(jī)”（激光粉末燒結(jié)快速成形系統(tǒng)）；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(fā)出具有國際首創(chuàng)的紫外光快速成型機(jī)；中科院重慶綠色智能技術(shù)研究院3D打印技術(shù)中心開發(fā)出液體光敏樹脂紫外固化技術(shù)，打印精度能夠達(dá)到微米量級(jí)；北京太爾時(shí)代的工業(yè)級(jí)快速成形設(shè)備打印了神舟七號(hào)的出艙服。

在生物制造領(lǐng)域，西安交大1998年開始研發(fā)活體骨骼3D打印技術(shù)，該校2001年就實(shí)施了國內(nèi)第一例3D打印頜面修復(fù)手術(shù)；華南理工大學(xué)在個(gè)性化的牙科舌側(cè)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(chǎn)品已銷往歐洲、非洲國家；世界第一臺(tái)成型的3D生物打印機(jī)于2013年8月現(xiàn)身青島。

在消費(fèi)品制造領(lǐng)域，北京太爾時(shí)代研發(fā)的桌面3D打印機(jī)被美國MAKE雜志評(píng)選為最佳3D打印機(jī)，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(shù)品、教學(xué)模型等，其設(shè)備遠(yuǎn)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(guān)注和追逐。成都、青島、武漢、珠海等地紛紛興建3D打印產(chǎn)業(yè)園。如今，3D打印裝備正從高端型走向普及型?，F(xiàn)在淘寶網(wǎng)上，最便宜幾千元就可以買到一部3D打印機(jī)。如果你想打印出自己設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，可以考慮購買一臺(tái)。

第三次工業(yè)革命浪潮

人類經(jīng)歷了兩次工業(yè)革命，在實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、規(guī)模化、城市化的同時(shí)，也帶來了資源枯竭、能源短缺、環(huán)境污染、交通擁堵等諸多問題。隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及以及物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、智能軟件、新能源、新材料、機(jī)器人、3D打印等新技術(shù)的應(yīng)用，第三次工業(yè)革命呼之欲出。

對于第三次工業(yè)革命，目前比較主流的看法來自美國未來學(xué)家杰里米·里夫金。他認(rèn)為，接下來的半個(gè)世紀(jì)里，集中經(jīng)營活動(dòng)將被第三次工業(yè)革命的分散經(jīng)營方式取代。未來將是社會(huì)化協(xié)作、分布式能源和行業(yè)專家、技術(shù)勞動(dòng)力為特征的新時(shí)代。

2012年，旨在重振美國制造業(yè)的“制造創(chuàng)新國家網(wǎng)絡(luò)”計(jì)劃將3D打印作為首個(gè)發(fā)展方向。英國《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志也發(fā)表封面文章稱，3D打印技術(shù)是第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志之一，“這場革命不僅將影響到如何制造產(chǎn)品，還將影響到在哪里制造產(chǎn)品?！?/p>

北京長城企業(yè)戰(zhàn)略研究所所長王德祿認(rèn)為，在第三次工業(yè)革命中，產(chǎn)業(yè)鏈條的關(guān)鍵進(jìn)一步轉(zhuǎn)移至研發(fā)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，制造環(huán)節(jié)將被壓縮至“一步實(shí)現(xiàn)”。除3D打印外，機(jī)器人技術(shù)、人工智能技術(shù)、納米科技、新材料、新能源等技術(shù)也將是第三次工業(yè)革命的重要組成部分。而3D打印則被譽(yù)為是“第三次工業(yè)革命最具標(biāo)志性的生產(chǎn)工具”。

王德祿指出，3D打印技術(shù)極有可能和互聯(lián)網(wǎng)一樣深入到我們生活工作的任何一個(gè)角落，會(huì)在第三次工業(yè)革命中產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用，而且它會(huì)衍生出許多原創(chuàng)產(chǎn)業(yè)，如皮膚打印、3D打印設(shè)計(jì)和服務(wù)平臺(tái)、消費(fèi)品定制等。就像蒸汽機(jī)發(fā)明以后，不僅僅是蒸汽機(jī)產(chǎn)業(yè)本身，還滲透到許多行業(yè)中，這也是它的革命意義。

中國社科院工業(yè)經(jīng)濟(jì)研究所鄧洲博士表示，新的制造業(yè)革命所包含的變化不只是3D打印技術(shù)，最核心的變化是反映在制造業(yè)生產(chǎn)方式和組織方式的顛覆上。目前制造業(yè)最重要的轉(zhuǎn)型之一是“智能制造”對“自動(dòng)化制造”的替代。智能化的工業(yè)機(jī)器人能夠自我修正錯(cuò)誤，甚至自主進(jìn)行工藝改進(jìn)和流程優(yōu)化，無需看護(hù)和調(diào)試。

迄今為止，信息技術(shù)革命主要表現(xiàn)在對腦力勞動(dòng)的替代上，而今后將在制造業(yè)、農(nóng)業(yè)、流通等領(lǐng)域進(jìn)一步解放人的體力勞動(dòng)，逐步實(shí)現(xiàn)國民經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)整體網(wǎng)絡(luò)化、智能化和綠色化。

據(jù)報(bào)道，谷歌近半年來已收購了8家機(jī)器人公司，亞馬遜最近也表示計(jì)劃未來用無人機(jī)送包裹。據(jù)國際機(jī)器人工業(yè)聯(lián)合會(huì)預(yù)測，不久的將來中國將成為全球最大工業(yè)機(jī)器人市場。但值得注意的是，目前國外機(jī)器人品牌占據(jù)了我國國內(nèi)市場90%的份額，德、美、日等國在信息化和制造業(yè)數(shù)字化領(lǐng)域中仍占據(jù)著國際制高點(diǎn)。

據(jù)中國工程院院士李伯虎透露，我國“863”計(jì)劃項(xiàng)目已建成為企業(yè)服務(wù)的“制造云”，利用這片“云”，航空、汽車等領(lǐng)域的工業(yè)設(shè)計(jì)變得更為智能、高效，將推動(dòng)我國制造業(yè)的升級(jí)發(fā)展。

所謂“云制造”，是一種基于各種網(wǎng)絡(luò)及其組合、面向企業(yè)進(jìn)行服務(wù)的智能制造平臺(tái)。利用這種平臺(tái)，企業(yè)用戶無需招聘員工、購買昂貴的專業(yè)軟件和制造設(shè)備，只要通過平臺(tái)終端就能完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、工藝、制造、采購、營銷等各個(gè)環(huán)節(jié)。李院士指出，將3D打印技術(shù)與云制造相結(jié)合，這條智能制造產(chǎn)業(yè)鏈會(huì)變得更加高效。

在《機(jī)械工業(yè)“十二五”發(fā)展總體規(guī)劃》中，明確提出以“綠色為先”的發(fā)展戰(zhàn)略，指出機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造要更加關(guān)注體現(xiàn)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(shù)論壇上，中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)執(zhí)行副會(huì)長薛一平強(qiáng)調(diào)，綠色制造是機(jī)械工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要組成部分。

正視差距和不足

對于3D打印技術(shù)對制造業(yè)的影響，見仁見智。激進(jìn)派認(rèn)為，傳統(tǒng)工程師使用的車床、鉆頭、沖壓機(jī)、制模機(jī)等將一去不復(fù)返，甚至將顛覆整個(gè)傳統(tǒng)制造業(yè)，開啟社會(huì)化制造新時(shí)代。

而一些業(yè)內(nèi)專家和企業(yè)人士持謹(jǐn)慎態(tài)度。“我們應(yīng)對3D打印有一個(gè)正確的定位和認(rèn)識(shí)。3D打印技術(shù)在生產(chǎn)制造中所占的比例正在上升，但對傳統(tǒng)制造業(yè)更多是補(bǔ)充而非顛覆?！敝袊こ淘涸菏勘R秉恒說。

北京太爾時(shí)代總經(jīng)理郭戈也比較低調(diào)，3D打印目前還沒有那么大的能量，從行業(yè)現(xiàn)狀看，3D打印的市場規(guī)模還較小，雖然3D打印有很多創(chuàng)新和優(yōu)勢，但從綜合的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效率上來看，它還處于整個(gè)制造業(yè)的邊緣。

雖然我國的3D打印在基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化方面有了一定進(jìn)展，但我國3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與美國相比仍有較大差距。如沒有形成產(chǎn)業(yè)鏈、工業(yè)環(huán)境不配套、企業(yè)規(guī)模小、研發(fā)投入不夠等。此外，在一些核心技術(shù)和關(guān)鍵器件上，如3D打印機(jī)中的激光器、高端材料，仍然對國外依賴較大。

華南理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授楊永強(qiáng)認(rèn)為，這既與我國制造業(yè)發(fā)展急功近利、喜歡做短平快的技術(shù)和產(chǎn)品有關(guān)，也與國家導(dǎo)向過分強(qiáng)調(diào)產(chǎn)業(yè)化和經(jīng)濟(jì)效益，忽視基礎(chǔ)研究有關(guān)。

“3D打印技術(shù)本身內(nèi)涵很多，難題也很多?，F(xiàn)在的問題是恨不得今天結(jié)婚，明天就生孩子，拔苗助長。”楊永強(qiáng)說。

在應(yīng)用方面，我國的3D打印也遠(yuǎn)未達(dá)到美國的豐富程度。據(jù)盧秉恒介紹，目前我國3D打印的大部分應(yīng)用仍然集中在軍工領(lǐng)域的開發(fā)與模具的制造上。從設(shè)備數(shù)量上看，美國目前各種3D打印設(shè)備的數(shù)量占全世界40%，而中國只有8%左右。

濱湖機(jī)電總經(jīng)理周建國對記者說，我國與美國的差距主要表現(xiàn)在：產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程緩慢，市場需求不足；產(chǎn)品的快速制造水平有待提高；燒結(jié)的材料尤其是金屬材料，質(zhì)量和性能比我們好；國內(nèi)企業(yè)的收入結(jié)構(gòu)單一，主要靠賣3D打印設(shè)備，而美國的公司是多元經(jīng)營，設(shè)備、服務(wù)和材料基本各占銷售收入的1/3。

有調(diào)查結(jié)果顯示，在全球3D模型制造技術(shù)的專利實(shí)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(lǐng)先。

此外，國內(nèi)的3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模很小。根據(jù)全球最知名的3D打印行業(yè)研究機(jī)構(gòu)Wohlers Associates的報(bào)告，2010～2012年，全球3D打印市場的復(fù)合年增長率為27.4%，2012年市場規(guī)模為22.04億美元，約合135億元人民幣，而中國3D打印市場規(guī)模只有10億元人民幣。

應(yīng)與傳統(tǒng)制造相融合

在過去的20多年里，3D打印技術(shù)之所以未產(chǎn)生太大影響，一個(gè)很重要的原因，就是用戶和企業(yè)對3D打印技術(shù)缺乏足夠的信心，市場需求始終沒有被激發(fā)。

與傳統(tǒng)制造的大規(guī)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(fù)雜的零部件研發(fā)和生產(chǎn)方面更具優(yōu)勢。因此，3D打印可以與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢互補(bǔ)，融合發(fā)展，開發(fā)出適合傳統(tǒng)制造業(yè)所需要的技術(shù)和產(chǎn)品，幫助傳統(tǒng)制造業(yè)改進(jìn)生產(chǎn)工藝，從而為傳統(tǒng)制造業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展注入新的活力和動(dòng)力。

北京航空航天大學(xué)材料加工工程及自動(dòng)化系教授王華明表示，增材制造技術(shù)最近很“熱”，需要科學(xué)理性地對待。增材制造只是制造技術(shù)大家庭一個(gè)成員而已，實(shí)際上裝備制造不可能依賴一種技術(shù)。制造技術(shù)體系完整，減材制造不是說傳統(tǒng)制造，其實(shí)傳統(tǒng)制造技術(shù)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(chǎn)品需要后續(xù)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(xué)材料工程系教授姚山認(rèn)為，3D打印這個(gè)技術(shù)從新產(chǎn)品研發(fā)角度講，應(yīng)該說有絕對優(yōu)勢。等產(chǎn)品定型以后，到大批量生產(chǎn)，它的優(yōu)勢會(huì)變小，但是并不一定沒有應(yīng)用。比如傳統(tǒng)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(chǎn)品，如果用3D打印去做模具，就是很好的應(yīng)用。

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

盧秉恒則充分肯定發(fā)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(shè)計(jì)研發(fā)能力不足。而3D打印技術(shù)正是輔助和加速設(shè)計(jì)與研發(fā)的手段。我們應(yīng)該高度重視這一技術(shù)，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(qiáng)國。”

據(jù)Wohlers預(yù)測，到2025年，3D打印技術(shù)潛在的經(jīng)濟(jì)影響將達(dá)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(chǎn)業(yè)園，并出臺(tái)各項(xiàng)優(yōu)惠政策。當(dāng)然，發(fā)展3D打印等新興技術(shù)，離不開政府的政策扶持，但應(yīng)該進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃布局，避免在發(fā)展初期一哄而上，形成惡性競爭，重蹈光伏的覆轍。

當(dāng)前，全球經(jīng)濟(jì)持續(xù)低迷，外需疲軟，內(nèi)需不振，制造企業(yè)在打造經(jīng)濟(jì)升級(jí)版中扮演著重要角色。緊緊抓住3D打印、智能機(jī)器人、新材料、能源互聯(lián)網(wǎng)等新一輪工業(yè)革命的契機(jī)，大力發(fā)展智能制造和綠色制造，使其在產(chǎn)業(yè)升級(jí)和結(jié)構(gòu)調(diào)整中發(fā)揮重要引領(lǐng)作用。