3D打印發(fā)展規(guī)劃對工程實訓教學的啟發(fā)

陳為平 林有希,2 黃 捷 王文棟 張麗嬌

1.福州大學機電工程實踐中心 福建福州 350108

2.福州大學機械工程及自動化學院 福建福州 350108

3D打印又稱增材制造(Additive Manufacturing，簡稱AM)技術(shù)，是一種快速成型技術(shù)，其對材料的處理方式實現(xiàn)了從等材、減材到增材的轉(zhuǎn)變，完全顛覆了傳統(tǒng)加工制造行業(yè)減材制造的理念和模式[1]。20世紀90年代以來，清華大學、西安交通大學、華中科技大學、北京航空航天大學等知名高校，在3D打印材料的研發(fā)技術(shù)、3D打印設(shè)備的制造技術(shù)、3D設(shè)計與成型軟件的開發(fā)以及3D打印在工業(yè)應(yīng)用中的研究與推廣等方面，開展了積極的探索，已有部分技術(shù)處于世界先進水平[2]。但是相比于歐美、日本等3D打印方面較發(fā)達的國家，我國在國際3D打印市場的占有份額、市場競爭力、抗風險能力以及技術(shù)創(chuàng)新能力等方面還有一定的差距[3]。在“中國制造2025”的大背景下，面對如此激烈的市場競爭環(huán)境，如何培養(yǎng)具有較高實踐能力、創(chuàng)新能力及工程素養(yǎng)的綜合型增材制造人才，成為當前高校工程實踐中心開展3D打印實訓教學改革的熱點課題之一。本文從美國、德國及中國等主要增材制造國家對3D打印發(fā)展現(xiàn)狀及規(guī)劃政策進行了分析和歸納，從政策和戰(zhàn)略高度分析了高校進行3D打印實訓教學的必要性和迫切性，對于工程實踐教學體系改革的有序推進具有一定的啟發(fā)作用。

1 3D打印發(fā)展現(xiàn)狀及規(guī)劃

從3D打印首次商業(yè)化，經(jīng)過30年的發(fā)展，目前全球增材制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展格局已基本形成并保持穩(wěn)定，即以歐洲、美國等發(fā)達國家為主導，以中國、韓國等亞洲國家后起而追趕。之所以形成這樣的發(fā)展格局，與各個國家的政策息息相關(guān)。美國在金融危機后不斷提出制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，把增材制造提升到國家戰(zhàn)略的高度，注重技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展；歐盟及其成員國通過工業(yè)聯(lián)盟，在金屬增材制造技術(shù)的研究和推廣方面取得了巨大的發(fā)展，其同時注重增材制造的產(chǎn)業(yè)發(fā)展與技術(shù)應(yīng)用；俄羅斯利用自身在激光領(lǐng)域特有的技術(shù)優(yōu)勢，積極探索和發(fā)展激光技術(shù)在增材制造中的應(yīng)用和推廣；日本不斷加大增材制造研發(fā)財政預(yù)算，在成立研究會的同時鼓勵企業(yè)進入3D打印領(lǐng)域，希望能通過增材制造技術(shù)的發(fā)展來鞏固其制造強國的地位。本文將重點介紹和分析美國、德國及中國在增材制造發(fā)展方面的國家政策和發(fā)展規(guī)劃，以期為我國增材制造人才的培養(yǎng)和發(fā)展、工程實訓教學體系的改革和創(chuàng)新提供一定啟發(fā)。

1.1 美國3D打印發(fā)展規(guī)劃

美國在2008年金融危機后，提出了“再工業(yè)化”的戰(zhàn)略以提升傳統(tǒng)制造業(yè)的戰(zhàn)略地位。2011年6月，美國聯(lián)邦政府發(fā)布“先進制造伙伴關(guān)系(AMP)”計劃。2012年2月，美國國家科學技術(shù)委員會發(fā)布了《先進制造業(yè)國家戰(zhàn)略計劃》，正式把先進制造產(chǎn)業(yè)提升為國家戰(zhàn)略。2012年3月，美國聯(lián)邦政府提出“美國國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)(NNMI)”計劃，聯(lián)邦支持資金為10億美元，用于建立全國范圍內(nèi)基于制造業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)學研聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)。2012年4月，經(jīng)過嚴格的技術(shù)評估，3D打印被確定為首個制造業(yè)創(chuàng)新中心。2012年8月，“國家增材制造創(chuàng)新機構(gòu)(NAMII)”宣布成立。該創(chuàng)新中心服從美國國家國防制造與加工中心(NCDMM)領(lǐng)導，同時國防部、商務(wù)部、教育部、宇航局、能源局和國家自然科學基金委員會6個部門均參與其中，聯(lián)盟成員覆蓋了從俄亥俄州、賓夕法尼亞州到西弗吉尼亞州的科技帶，包括40個制造型企業(yè)、11個非營利性組織、9所研究型大學及5所社區(qū)大學。該創(chuàng)新中心成立之初分別得到聯(lián)邦政府5 500萬美元和非聯(lián)邦政府5 500萬美元的巨額資金投入。該創(chuàng)新中心的成立標志著美國聯(lián)邦政府已將3D打印提升為國家戰(zhàn)略性新興技術(shù)以及發(fā)展先進制造業(yè)的核心技術(shù)[4-6]。2013年8月，“國家增材制造創(chuàng)新機構(gòu)(NAMII)”正式更名為“美國制造”(American Makes)，強化和鞏固了3D打印在美國先進制造中的地位。美國政府關(guān)于3D打印發(fā)展的政策和布局并不是簡單、孤立的單一戰(zhàn)略，其與“材料基因組計劃”等其他政府重點工作有著千絲萬縷的互助互利關(guān)系。2016年3月，美國高校發(fā)布了《下一代增材制造材料戰(zhàn)略路線圖》，該路線圖由美國國家標準與技術(shù)研究院出資，由來自賓夕法尼亞州立大學、應(yīng)用研究實驗室等“政產(chǎn)學”界的120位專家、學者聯(lián)合完成編寫，旨在從戰(zhàn)略層面為未來10年間增材制造的設(shè)備研發(fā)、材料設(shè)計及應(yīng)用推廣等提供強有力的戰(zhàn)略路線支持[7]。2017年2月，“美國制造”聯(lián)合美國國家標準協(xié)會(ANSI)共同發(fā)布了《增材制造標準化路線圖(1.0版)》，為加強增材制造技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用中標準和規(guī)范的開發(fā)和制訂奠定了基礎(chǔ)；2018年6月，又推出了《增材制造標準化路線圖(2.0版)》，為制訂技術(shù)標準和指導方針邁出了第一步。

1.2 德國3D打印發(fā)展規(guī)劃

2008年，德國成立了直接制造研究中心(DMRC)，該研究中心是以增材制造技術(shù)為主要的技術(shù)研究對象，其資助與合作伙伴包括西門子公司，空客公司，波音公司，3D Systems，Stratasys，SLM Solutions等多家知名單位，并于2011至2013年先后推出了《超前思維3D打印的未來—工業(yè)前景分析》《超前思維3D打印的未來—未來應(yīng)用》《超前思維3D打印的未來—需求創(chuàng)新路線圖》系列報告，對德國3D打印的發(fā)展有著非常重要的影響。2010年7月，德國政府發(fā)布了《德國2020高技術(shù)戰(zhàn)略》，該戰(zhàn)略是2006年發(fā)布的國家總體規(guī)劃《德國高科技戰(zhàn)略》之后，對德國制造未來新的發(fā)展方向的積極布局，工業(yè)4.0就是10大項目之一，旨在提升德國制造業(yè)的智能化水平。由于3D打印能夠?qū)崿F(xiàn)智能化、個性化、社會化訂制生產(chǎn)，因此被納入工業(yè)4.0計劃，成為智能工廠的主要組成部分。2014年底，德國發(fā)布的《新高科技戰(zhàn)略—為德國而創(chuàng)新》是之前國家高新技術(shù)戰(zhàn)略的升級版，旨在穩(wěn)固德國在科技和經(jīng)濟領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，并成為創(chuàng)新世界領(lǐng)導者[8,9]。工業(yè)4.0不僅僅是針對某個國家、某個地區(qū)的封閉、單一的概念，更是一個跨地區(qū)、無國界尋求通力合作的方針、戰(zhàn)略。為進一步推動工業(yè)4.0實現(xiàn)全球范圍內(nèi)智能化、標準化，2016年，德國工業(yè)4.0平臺(Platform Industrie 4.0)和法國未來工業(yè)(Industrie du Futur)聯(lián)盟就數(shù)字化工業(yè)的生產(chǎn)方面共同發(fā)布了相關(guān)行動方案，并將于新的工業(yè)背景下開展多方面合作，其中包括工業(yè)生產(chǎn)及應(yīng)用、標準化工作、技術(shù)及其測試設(shè)施及相關(guān)職業(yè)培訓等。2017年，德國、法國、意大利除了雙邊合作外，三個國家又聯(lián)合將工業(yè)4.0的合作推向了一個新的階段[10]。

1.3 中國3D打印發(fā)展規(guī)劃

中國在2013年8月由工業(yè)和信息化部印發(fā)的《信息化和工業(yè)化深度融合專項行動計劃(2013-2018年)》中將3D打印納入先進制造技術(shù)。2015年2月，工業(yè)和信息化部、財政部、發(fā)展改革委研究印發(fā)了《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃(2015-2016年)》，旨在確保我國的增材制造產(chǎn)業(yè)能沿著正確的方向快速發(fā)展，同時也首次確立了3D打印在國家戰(zhàn)略層面的發(fā)展范疇。2015年3月，李克強總理在政府工作報告中提出：“要實施‘中國制造2025’，要堅持創(chuàng)新驅(qū)動、智能轉(zhuǎn)型、強化基礎(chǔ)、綠色發(fā)展，加快從制造大國轉(zhuǎn)向制造強國。”2016年7月，國務(wù)院印發(fā)了《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》，在“發(fā)展智能綠色服務(wù)制造技術(shù)”部分指出增材制造的發(fā)展規(guī)劃為構(gòu)建相對完善的增材制造技術(shù)創(chuàng)新與研發(fā)體系。2016年11月，為貫徹落實《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》和《中國制造2025》行動綱領(lǐng)，加快從制造大國向制造強國的轉(zhuǎn)變，積極促進信息化與工業(yè)化間的深度融合，工業(yè)和信息化部印發(fā)了《信息化和工業(yè)化融合發(fā)展規(guī)劃(2016-2020年)》，該規(guī)劃指出要以激發(fā)和保持制造業(yè)的創(chuàng)新活力、可持續(xù)的發(fā)展?jié)摿蛷姶蟮霓D(zhuǎn)型動力為主線，大力促進信息化和工業(yè)化深度融合發(fā)展，著力打造支撐制造業(yè)轉(zhuǎn)型的創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新平臺。2017年12月，為進一步實現(xiàn)“中國制造2025”戰(zhàn)略，保證我國增材制造產(chǎn)業(yè)健康有序地良性發(fā)展，積極鼓勵和激發(fā)制造業(yè)展現(xiàn)出創(chuàng)新和轉(zhuǎn)型的發(fā)展動力，工業(yè)和信息化部聯(lián)合發(fā)展改革委、財政部、教育部、海關(guān)總署、質(zhì)檢總局、商務(wù)部、公安部、文化部、衛(wèi)生計生委、知識產(chǎn)權(quán)局等重點部門共同推出了《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃(2017-2020年)》，該行動計劃的預(yù)期目標是到2020年，保證我國增材制造產(chǎn)業(yè)的全年銷售收入總額大于200億元，全年平均增長速率保持在30%以上。

3 對我國工程實訓教學的啟發(fā)

我國雖然在增材制造方面出臺了許多國家戰(zhàn)略層面的發(fā)展規(guī)劃，但是與3D打印發(fā)達國家相比，仍有不足，例如，至今沒有增材制造發(fā)展戰(zhàn)略路線圖，存在增材制造產(chǎn)業(yè)鏈集成度低等問題。究其根本原因，是由于3D打印人才不足造成的。高校作為國家人才培養(yǎng)的搖籃，肩負著為社會各行各業(yè)輸送各層次人才的神圣使命，而工程訓練實踐中心，是具有中國特色的工程實踐教學模式，是高校培養(yǎng)專業(yè)人才工程素質(zhì)、提高學生實踐能力的重要基地；同時工程訓練實踐中心作為工科類高等院校中教學規(guī)模最大、學生受眾人數(shù)最多的實踐教學基地，具有多學科融合的天然優(yōu)勢，這與3D打印技術(shù)作為機械、材料、計算機技術(shù)等多學科融合技術(shù)以及新工科強調(diào)多學科交叉與融合的重要性等理念不謀而合[11]。因此，通過工程訓練中心進行3D打印專業(yè)人才的培養(yǎng)具有重要的實際意義[12]。

4 結(jié)語

在全球掀起新一輪工業(yè)4.0的浪潮中，面對如此激烈的市場競爭環(huán)境，各國都制定了許多政策及發(fā)展規(guī)劃來助力制造業(yè)的再次騰飛，先進制造、智能制造已成為各國工業(yè)發(fā)展的重點，而3D打印作為其中的代表性技術(shù)之一，更是受到前所未有的重視。應(yīng)該充分認識到高校開展3D打印課程的必要性和迫切性，在不斷加強國家層面的戰(zhàn)略布局，構(gòu)建3D打印頂層設(shè)計，努力強化、細化政策引導，有序推進3D打印市場良性發(fā)展之外，還應(yīng)確保高校3D打印課程的開展工作得到有效落實，充分利用工程實踐中心進行實訓教學，以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神、實踐能力和工程素養(yǎng)，為實現(xiàn)從“中國制造”向“中國智造”“中國創(chuàng)造”的轉(zhuǎn)變積蓄力量。