一、增材制造(3D打印)簡介
3D打印是一個顛覆性的創(chuàng)新技術(shù)。
從制造方式來說，鑄、鍛、焊在制造過程中重量基本不變，屬于等材制造，已經(jīng)有3000年歷史了。
車銑刨磨機床通過材料的切削去除，達到設(shè)計形狀，稱為減材制造，已有300年的歷史。
增材制造中材料一點一點地累加，形成需要的形狀。發(fā)明于1984年，才30年的歷史。
當(dāng)前3D打印幾種主流技術(shù)有：
SLA(光固化技術(shù))利用激光掃描，使液態(tài)光敏樹脂固化。是最早發(fā)明出來的3D打印技術(shù)。廣泛應(yīng)用于設(shè)計驗證。
SLS(選擇性激光燒結(jié))是一種將非金屬(或普通金屬)粉末分層鋪設(shè)，激光在程序控制下，選擇區(qū)域掃描燒結(jié)成三維物體的工藝。用于飛機、航空航天零件的制造以及精密件的制造，包括飛機的格柵、牙科的修復(fù)、顱骨的修復(fù)。
SLM是在送粉中，實現(xiàn)激光融化和燒結(jié)，類似堆焊，制造件更加致密、強度達到鍛件水平，可用于制造大型結(jié)構(gòu)件、承載件。
FDM技術(shù)(熔融堆積法)將熱塑性絲狀材料加熱從小孔擠出，將絲材熔化堆積成型。適合于教育或者創(chuàng)客設(shè)計驗證。大尺寸FDM裝備可用于汽車和無人機的制造。
二、3D打印(增材制造)的特點與意義
1984年美國發(fā)明了光固化激光成型技術(shù)，1986年實現(xiàn)SLA樣機，按照材料累加概念，各種增材制造工藝與裝備紛紛涌現(xiàn)，當(dāng)時采用激光快速原型制造等學(xué)術(shù)名詞。這些技術(shù)中有一種以石蠟等材料的3D打印機。近年來，美國媒體開始把增材制造技術(shù)稱為3D打印技術(shù)，有利于大眾理解。增材制造被美國自然科學(xué)基金會稱為上世紀(jì)最重要的制造技術(shù)創(chuàng)新。麥卡錫報告列出了對人類生活有顛覆性影響的12項技術(shù)，3D打印排在第九位，排在新材料和頁巖氣之前。預(yù)測在2030年全世界將達到1萬億左右美元的效益，15年麥卡錫報告又將這一進程前移，認為增材制造2020年可達到5500億美元的效益。
3D打印制造有如下特點與優(yōu)勢：
1、 3D打印無處不在：3D打印可以打印許多材料、任意復(fù)雜形狀、任意批量，可以應(yīng)用于各工業(yè)和生活領(lǐng)域，可以在車間、辦公室及家里實現(xiàn)制造。理論上3D打印無處不在，無所不能。但許多材料的打印、工藝的成熟度、打印成本、效率等等尚不盡人意，需要多學(xué)科交叉的創(chuàng)新研究，使之更好、更快、更廉價。
2、 支持產(chǎn)品快速開發(fā)：3D打印可以制造形狀復(fù)雜的零件，所想即所得。直接由設(shè)計數(shù)據(jù)驅(qū)動，不需要傳統(tǒng)制造必須的工裝夾具模具制造等生產(chǎn)準(zhǔn)備，編程簡單。在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計與設(shè)計驗證中，特別方便。使產(chǎn)品開發(fā)周期與費用至少降低為一半，成為機電產(chǎn)品和裝備快速開發(fā)的利器。
3、 節(jié)材制造：增材制造僅在需要的地方堆積材料，材料利用率接近100%。航空航天等大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件采用傳統(tǒng)切削加工，往往95%-97%的昂貴材料被切除。而在航空航天裝備研發(fā)機制造中采用增材制造將會大大節(jié)約材料和制造成本，具有極其重要的價值。
4、 個性化制造：可以快速、低成本實現(xiàn)單件制造，使單件制造的成本接近批量制造。特別適合個性化醫(yī)療和高端醫(yī)療器械。如人工骨、手術(shù)模型、骨科導(dǎo)航模板等。
5、 再制造：用于修復(fù)磨損零部件的再制造，如飛機發(fā)動機葉片、軋鋼機軋輥等，以極少的代價，獲得超值。應(yīng)用在軍械、遠洋輪、海洋鉆井平臺、乃至空間站的現(xiàn)場制造，具有特殊的優(yōu)勢。
6、 開拓了創(chuàng)新設(shè)計的新空間：可以制造傳統(tǒng)制造技術(shù)無法實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，為設(shè)計創(chuàng)新提供了非常大的創(chuàng)新空間。可以將數(shù)十個、數(shù)百個甚至更多的零件組裝的產(chǎn)品一體化一次制造出來，大大簡化了制造工序，節(jié)約了制造和裝配成本。以3D打印新工藝的視角對產(chǎn)品、裝備再設(shè)計，可能是3D打印為制造業(yè)帶來的最大效益所在。
近兩年，3D打印顯現(xiàn)出顛覆性變革。如GE公司做的飛機發(fā)動機的噴嘴，把20個零件做成了一個零件，成本材料大幅度的減少，還節(jié)省燃油15%。這是一代發(fā)動機的概念，每開發(fā)一代發(fā)動機要上億歐元，一個噴嘴就解決了。美國3D打印的概念飛機，重量可以減輕65%。
7、 引領(lǐng)生產(chǎn)模式變革：3D打印可能成為可穿戴電子、家居用品、文化產(chǎn)業(yè)、服裝設(shè)計等行業(yè)的個性化定制生產(chǎn)模式。一些專家認為，3D打印等數(shù)字化設(shè)計制造將引領(lǐng)生產(chǎn)從大批量制造走向個性化定制的第三次工工業(yè)革命。
3D打印已經(jīng)成為創(chuàng)客最歡迎的工具，將有力促進大眾創(chuàng)新，萬眾創(chuàng)業(yè)。GE公司在網(wǎng)上發(fā)布了一條消息，挑戰(zhàn)3D打印，將飛機的一個零部件讓創(chuàng)客設(shè)計。第一名只用了原始結(jié)構(gòu)的1/6的重量就完成了全部測試，而設(shè)計者是19歲的年輕人。3D打印展現(xiàn)了全民創(chuàng)新的通途?；ヂ?lián)網(wǎng)+3D打印的制造模式：收集大眾的個性化需求，由創(chuàng)客完成設(shè)計，設(shè)計方案由3D打印件進行驗證;再由虛擬制造組織生產(chǎn)，由物聯(lián)網(wǎng)來配送。美國眾創(chuàng)公司，15000名訪客、6000名創(chuàng)客。亞馬遜利用網(wǎng)絡(luò)銷售3D打印商品，營業(yè)額已達數(shù)十億美元，利潤30%。所以互聯(lián)網(wǎng)+3D打印=萬眾創(chuàng)新、萬家創(chuàng)業(yè)的最佳技術(shù)途徑。
8、 創(chuàng)材：3D打印制造出了耐溫3315℃的高溫合金，用于龍飛船2號，大幅度增強了飛船推力。利用3D打印高能束的集中能量，以3D打印設(shè)備作為材料基因組計劃的研制驗證平臺，可以開發(fā)出超高強度、超高韌性、超高耐溫、超高耐磨的各種優(yōu)秀材料，增材制造變成為創(chuàng)材技術(shù)。
9、 創(chuàng)生：應(yīng)用于組織支架制造、細胞打印等技術(shù)，實現(xiàn)生物活性器官的制造，一定意義上的創(chuàng)造生命。為生命科學(xué)研究和人類健康服務(wù)。
10、 目前，3D打印的技術(shù)尚有待深入廣泛研究發(fā)展，其應(yīng)用還很有限，但其創(chuàng)造的價值高，利潤空間大。隨著研發(fā)的深入，工業(yè)應(yīng)用的不斷擴大，其創(chuàng)造的價值越來越高。不久的將來，不僅在制造概念上，減材、等材、增材三足鼎立，從創(chuàng)造的價值上，也必將走上三分天下。
三、3D打印技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r
上述3D打印的優(yōu)勢的1-5條，目前已經(jīng)進入應(yīng)用，當(dāng)然還需要更深入的研究，建立各類標(biāo)準(zhǔn)，使其能更廣泛地應(yīng)用，發(fā)揮更大的效益。
如在汽車零配件、輕工產(chǎn)品、家電等產(chǎn)品開發(fā)中降低產(chǎn)品開發(fā)周期與費用一半以上;在個性化醫(yī)療方面，在骨替代物制造、牙科整形與修補等方面已經(jīng)有初步應(yīng)用，效果顯著;在航空航天產(chǎn)品研發(fā)中，可以制造與鍛件性能媲美的大型構(gòu)件;小型FDM桌面機已經(jīng)應(yīng)用于教學(xué)培訓(xùn)、創(chuàng)意設(shè)計等方面，形成了全球銷量最大的3D打印設(shè)備;大型FDM設(shè)備在提高質(zhì)量與效率的同時，已經(jīng)開始成為復(fù)合材料汽車車身、無人機等大型產(chǎn)品的開發(fā)乃至小批量生產(chǎn)的工具等等，這些技術(shù)正在成為改造傳統(tǒng)行業(yè)和創(chuàng)造新型企業(yè)的重要工具和方向。目前已可以開展推廣應(yīng)用，但仍需工程驗證、一些針對性的研發(fā)與系統(tǒng)集成。
上述的第6-7項，是我們現(xiàn)在和將來都要持續(xù)、深入研究的重要方向。在今后的5-15年中，將會帶來重要效益。在引起制造業(yè)逐漸量變的同時，在走向一半的產(chǎn)品將成為個性定制化生產(chǎn)的生產(chǎn)模式變革中，帶來顛覆性變化。
上述的等8-9兩項，創(chuàng)材與創(chuàng)生，無疑是將要為材料科學(xué)和技術(shù)、生命科學(xué)和醫(yī)療技術(shù)、為制造業(yè)帶來巨大顛覆性變革。我們現(xiàn)在就需要布局，爭取搶占這一戰(zhàn)略性高地。
第10項，從概念上與等材、減材制造的三分天下，走向效益的三足鼎立，是隨著上述各項研究與應(yīng)用的不斷發(fā)展而實現(xiàn)的。
3D的科研方面，我國的研究起步并不晚，90年代初期，清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)就開始了研究，九五期間，已經(jīng)基本掌握了當(dāng)時的幾種主流技術(shù)，如SLA、SLS、LOM、FDM技術(shù)，掌握了其制造工藝和軟硬件控制技術(shù)，開發(fā)了這些技術(shù)裝備，開展了推廣應(yīng)用。西安交通大學(xué)還把SLA激光成型技術(shù)與開發(fā)的數(shù)字化建模、軟模具及快速模具等技術(shù)集成，成為產(chǎn)品快速開發(fā)系統(tǒng)技術(shù)，在珠三角、長三角及全國推廣應(yīng)用，10多年來，在全國各地幫助建設(shè)了50多個示范中心。使機電、汽車零部件、輕工等產(chǎn)品的開發(fā)周期與費用降為傳統(tǒng)技術(shù)的1/3-1/5。
90年代末，北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等單位開始了金屬材料增材制造研究，可以制造與鍛件性能媲美的大型構(gòu)件。目前我國依靠自己開發(fā)的大型金屬3D打印設(shè)備，在飛機大型承力件應(yīng)用方面目前處于國際領(lǐng)先。在軍機、大飛機研發(fā)中，充當(dāng)了急救隊的作用，鈦合金大型結(jié)構(gòu)件已經(jīng)率先應(yīng)用于飛機起落架及C919的研發(fā)中。在應(yīng)用3D打印技術(shù)制造個性化鈦合金骨植入方面，西安交通大學(xué)在2000年就完成了首例臨床，2011年比國際2012年的報道早11年。最近，我國首創(chuàng)了利用導(dǎo)航模板實現(xiàn)癌癥的靶向治療，避免了放療玉石俱焚的副作用，初步實驗，效果良好，是一重大創(chuàng)新。
目前，中國在3D打印方面的研究方面處于國際前列，如論文和申請專利的數(shù)量處于世界第二。
在應(yīng)用方面，我國工業(yè)級設(shè)備裝機量據(jù)全世界第四，但金屬打印的商業(yè)化設(shè)備還主要依靠進口。非金屬工業(yè)型打印機，我國60%以上立足國內(nèi)。小型FDM打印機，太爾時代已批量出口，銷量躋身世界前列。但國產(chǎn)工業(yè)級裝備的關(guān)鍵器件，如激光器、光學(xué)振鏡、動態(tài)聚焦鏡、打印頭等主要依靠進口。
工業(yè)級3D打印材料的研究剛剛起步，除了個別研發(fā)能力強的公司研發(fā)了少量材料外，3D打印的材料基本依靠進口。一些公司剛開始研發(fā)。
從產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，我們發(fā)展的太慢。美國有兩家最大的3D打印公司，今年達到近10億美元的規(guī)模。而我們企業(yè)基本是校辦企業(yè)起家，最多1個多億人民幣產(chǎn)值。而現(xiàn)在進口設(shè)備大舉進攻中國市場，金屬打印裝備，國外則實行材料、軟件、設(shè)備、工藝一體化捆綁銷售。我們必須研發(fā)核心技術(shù)與原創(chuàng)技術(shù)，打造自己的創(chuàng)新鏈與產(chǎn)業(yè)鏈?，F(xiàn)在國內(nèi)已經(jīng)有若干3D打印公司上市，科技開始與資金結(jié)合，這是一個良好的開端。
3D打印從質(zhì)和量兩方面對國家戰(zhàn)略地位和今后的科技發(fā)展都產(chǎn)生重大影響的技術(shù)。3D打印技術(shù)正處于一個技術(shù)的井噴期，產(chǎn)業(yè)的起步期，企業(yè)的跑馬圈地期。
3D打印的任意性為產(chǎn)品和裝備的創(chuàng)新設(shè)計開辟了巨大的空間，為各行業(yè)會帶來巨大的效益。我們應(yīng)該抓緊標(biāo)準(zhǔn)的研究，3D打印的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)可能影響到裝備和應(yīng)用兩個方面，我們必須有話語權(quán)。在航空件和高端醫(yī)療器械方面，要積極研究面對3D打印個性化制造產(chǎn)品準(zhǔn)入的標(biāo)準(zhǔn)，以有利于新技術(shù)的應(yīng)用。要加強基礎(chǔ)研究，發(fā)展原創(chuàng)技術(shù)，在3D打印的新材料研發(fā)，顯著提升打印件的質(zhì)量和打印效率等方面有創(chuàng)新技術(shù);要建立創(chuàng)新體系，為企業(yè)提供核心技術(shù)和共性技術(shù);要攻克關(guān)鍵核心器件，打造產(chǎn)業(yè)鏈;要引導(dǎo)金融資本，助推3D打印企業(yè)做大做強，形成若干個具備國際競爭規(guī)模的企業(yè)。
四、中國制造2025與協(xié)同創(chuàng)新
比較中、德、美三國，德國的工業(yè)優(yōu)勢在于質(zhì)量過硬、基礎(chǔ)雄厚、工藝嚴(yán)謹;美國的優(yōu)勢在于：社會創(chuàng)新、高科技優(yōu)勢、集全球資源與精英;而我們中國的重要優(yōu)勢：一個比較完整的工業(yè)體系、內(nèi)需市場巨大、人力資源豐富。
面對我們存在的階段性差距，需要工業(yè)2.0、3.0的補課(質(zhì)量優(yōu)先、機器人和高檔數(shù)控機床等自動化技術(shù))的同時，發(fā)展工業(yè)4.0。因此需要追趕與跨越并舉;必須發(fā)揮政府科學(xué)而有力的調(diào)控作用，匯集有限的社會資源，做好協(xié)同創(chuàng)新。需要我們揚長避短。
我們巨大的市場需求，必須保護，充分利用，以引導(dǎo)和支持我們的裝備制造。一個領(lǐng)域的需求，就可以帶動一個裝備領(lǐng)域的發(fā)展。如航空航天、汽車領(lǐng)域?qū)Ω邫n數(shù)控機床的需求。我們?nèi)绾瓮ㄟ^大飛機、兩機專項及軍工技術(shù)改造的機遇，拉動我國的機床工業(yè)，同時形成高端裝備的雄厚發(fā)展基礎(chǔ)?建議項目采購采取信息安全的一票否決制。各項計劃、各個行業(yè)的互動協(xié)同發(fā)展，是我們大國制造應(yīng)該認真思考的問題。例如許多地區(qū)在提機器換人，我們要警惕：切莫洋機器人上崗，中國工人下崗了。在新產(chǎn)品研發(fā)時，就開始與國產(chǎn)化制造裝備并行，注意第一罐奶粉效應(yīng)。在民用領(lǐng)域。培養(yǎng)人民的消費觀：人人為培育民族工業(yè)貢獻。
對目前我國的共性技術(shù)缺位，需要創(chuàng)新思路，進行國家級創(chuàng)新中心建設(shè)。
德國弗朗霍夫研究院是德國工業(yè)創(chuàng)新的策源地。開始于1949年?，F(xiàn)在建設(shè)有67個專業(yè)研究所。每個研究所往往建設(shè)在大學(xué)附近，2-3名具有企業(yè)高管經(jīng)歷的教授領(lǐng)軍，400余人規(guī)模，4萬多平方米面積。其經(jīng)費來源政府資助、項目經(jīng)費及企業(yè)委托各占1/3。保證了代表先進水平和企業(yè)需求的研究。德國研究機構(gòu)持之以恒的研究成就了德國裝備制造的精良。
美國發(fā)現(xiàn)他們的基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)化技術(shù)之間存在鴻溝。于是啟動了制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)計劃。由NIST牽頭，收集社會建議與組織評審，成熟一個建設(shè)一個：已建有增材制造、輕量化、數(shù)字化設(shè)計制造等制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)。其機制特點聚集現(xiàn)有資源，快速組建創(chuàng)新鏈，課題實施時的最優(yōu)資源組合，知識產(chǎn)權(quán)協(xié)議從研發(fā)開始，采取網(wǎng)絡(luò)化運行、重視創(chuàng)新工藝與標(biāo)準(zhǔn)的研究等。
我國可以參考兩國路徑，探索適用我國國情及能實現(xiàn)中國制造2025任務(wù)的道路。建設(shè)一批能協(xié)同社會創(chuàng)新資源，為產(chǎn)業(yè)提供核心技術(shù)與共性技術(shù)的創(chuàng)新中心。避免科技資源的浪費和低水平的重復(fù)研究。
在產(chǎn)學(xué)研協(xié)同方面，應(yīng)該正確理解企業(yè)為主體。企業(yè)要成為投資研發(fā)、應(yīng)用成果、集成成果的主體。產(chǎn)學(xué)研形成長效合作機制，把科研機構(gòu)、人員與企業(yè)創(chuàng)新的積極性調(diào)動和發(fā)揮出來。
在全社會的協(xié)同機制方面，加強科技計劃協(xié)同，按技術(shù)成熟度，各部委分工協(xié)作，各計劃形成接力。
國家科研計劃應(yīng)以標(biāo)準(zhǔn)、基礎(chǔ)研究為先，重視產(chǎn)業(yè)化共性技術(shù)，以創(chuàng)新思想、發(fā)明專利為評審依據(jù)。
在金融與科技、產(chǎn)業(yè)的協(xié)同方面，改善制造業(yè)的資金環(huán)境。目前我國制造業(yè)產(chǎn)業(yè)利潤率低于同期銀行貸款利率，而貸款利率如：臺灣1.92%，美國大約1.5%，但我們貸款利率往往達7-8%，而制造企業(yè)的純利潤一般低于我國的貸款利率。要改善中國制造業(yè)發(fā)展的資金環(huán)境，如何引導(dǎo)金融資金更多更快地流向?qū)嶓w經(jīng)濟、流向有潛力的先進制造業(yè)，加強資金對創(chuàng)新的支持力度，讓創(chuàng)新力量及時得到資金支持，是中國制造2025能否順利實施的重要關(guān)鍵問題。
在人才協(xié)同方面，建立正確的學(xué)科評估標(biāo)準(zhǔn)，引導(dǎo)創(chuàng)新與工程能力培養(yǎng)。倡導(dǎo)科研人員的論文更多地寫在產(chǎn)品上，寫在裝備上。中國制造2025還需要培養(yǎng)一批工業(yè)4.0時代的企業(yè)家和科技領(lǐng)軍人，既精通制造工藝，又具有互聯(lián)網(wǎng)思維，能充分利用社會創(chuàng)新資源。創(chuàng)新型社會還需要一大批創(chuàng)客、極客，需要馬斯克式的人物，有濃厚的科學(xué)興趣和強烈的創(chuàng)新欲。
中國制造2025的主攻方向和帶動性技術(shù)是發(fā)展智能制造。
智能制造主要是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和底層智能化兩部分。
1、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)：要形成一個萬眾創(chuàng)客網(wǎng)、CAD/CAE/CAM數(shù)字化制造服務(wù)網(wǎng)、3D打印、性能測試服務(wù)網(wǎng)，由眾包完成產(chǎn)品的開發(fā)和數(shù)字化制造。用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成一個高技術(shù)的服務(wù)業(yè)，構(gòu)建新機制的創(chuàng)新體系，驅(qū)動知識信息的流動。企業(yè)的資源是有限的。我們用互聯(lián)網(wǎng)把全國的、全社會的，乃至全球的人才、資源都集中到一塊，達到社會資源的優(yōu)化組合，這就是智能制造的精華。走出工廠的圍墻。讓知識流動起來，補足中國制造業(yè)開發(fā)能力弱的短板。這就是互聯(lián)網(wǎng)帶動制造業(yè)發(fā)展的真諦，最大的效益所在。
2、底層智能化。
主要包括：主要包括機器人、智能制造裝備和3D打印。
機器人：機器人是提高生產(chǎn)柔性、提高效率、降低成本的工具。
智能機床：相比數(shù)控機床智能機床是聰明的工具。智能機床的關(guān)鍵就是信息獲取、工藝優(yōu)化軟件加上過程的質(zhì)量控制。智能機床能夠監(jiān)控加工的狀態(tài)并對被加工件所達到的精度做出判斷和控制。它能成倍地提高加工質(zhì)量和加工效率。
數(shù)字化設(shè)計和3D打?。?設(shè)計是形成產(chǎn)品創(chuàng)新價值的關(guān)鍵。高端服務(wù)業(yè)提供設(shè)計工具、設(shè)計師和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的CAE分析，而3D打印是驗證設(shè)計的快速手段。3D打印可以是產(chǎn)品開發(fā)周期與費用降低為1/3-1/5，3D打印支持定制化生產(chǎn)模式。尤其重要的是，3D打印使設(shè)計師擺脫了許多可制造性的約束，極大地釋放了設(shè)計創(chuàng)新空間，如果說機器人是今天的技術(shù)，那么3D打印是更加深刻影響今天和明天、乃至后天的技術(shù)。
互聯(lián)網(wǎng)+先進制造業(yè)+現(xiàn)代服務(wù)業(yè)，可以成就制造業(yè)美好的未來，制造業(yè)可能的前景是：一半以上的制造為個性化及定制，一半以上的價值由創(chuàng)新設(shè)計體現(xiàn)，一半以上的企業(yè)業(yè)務(wù)由眾包完成，一半以上的創(chuàng)新研發(fā)為極客創(chuàng)客實現(xiàn)。
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