中國工程院院士談：3D打印與智能制造

3D打印與智能制造中國工程院院士盧秉恒答本報記者問來源：學習時報作者：石偉 李紅2016-04-14 編者按：習近平總書記強調(diào)：“我們必須增強憂患意識，敏銳把握世界科技創(chuàng)新發(fā)展趨勢，緊緊抓住和用好新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的機遇?！碑斍埃孕畔⒓夹g(shù)與制造技術(shù)深度融合為特征的智能制造模式，正在引發(fā)整個制造業(yè)的深刻變革。作為制造業(yè)有代表性的顛覆性技術(shù)，3D打印正逐步成為世界各國搶占未來產(chǎn)業(yè)制高點的焦點領(lǐng)域。要推動中國制造由大變強，實現(xiàn)向智能制造轉(zhuǎn)型，必須了解認知3D打印和智能制造。為此，我們專門采訪了中國工程院院士盧秉恒。記者：盧院士，您好。作為我國機械制造與自動化領(lǐng)域的著名科學家，您在國內(nèi)倡導(dǎo)并開拓了3D打印等先進制造技術(shù)的研究。能否請您給我們介紹一下，什么是3D打印?盧秉恒：從制造方式上看，制造技術(shù)可以分為三類。一種是等材制造，鑄、鍛、焊在制造過程中重量基本不變，已經(jīng)有3000年歷史了。一種是減材制造，車銑刨磨機床通過材料的切削去除，達到設(shè)計形狀，已有300年的歷史。還有一種是增材制造，在制造過程中材料一點一點地累加，形成需要的形狀，才30年的歷史。3D打印就是增材制造技術(shù)，原理是將計算機設(shè)計出的三維模型分解成若干層平面切片，然后把打印材料按切片圖形逐層疊加，最終堆積成完整的物體。3D打印是一項顛覆性的創(chuàng)新技術(shù)，被美國自然科學基金會稱為20世紀最重要的制造技術(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，在新材料和頁巖氣之前。麥卡錫報告預(yù)測在2030年3D打印將在全世界達到1萬億美元左右的效益。2015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。記者：您剛才說3D打印是一項顛覆性的創(chuàng)新技術(shù)，那么它與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比具有什么樣的特點和優(yōu)勢呢?盧秉恒：3D打印的特點和優(yōu)勢很多。3D打印應(yīng)用非常廣泛。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。在理論上，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、效率等尚不盡如人意，需要多學科交叉的創(chuàng)新研究，使之更好、更快、更廉價。3D打印支持產(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，可以使產(chǎn)品開發(fā)周期與費用至少降低為一半。3D打印已經(jīng)成為機電產(chǎn)品和裝備快速開發(fā)的利器。3D打印是節(jié)材制造技術(shù)。航空航天等大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，傳統(tǒng)上往往采用切削加工，95%97%的昂貴材料被切除。相比而言，3D打印僅在需要的地方堆積材料，材料利用率接近100%。3D打印大大節(jié)約了材料和制造成本。在航空航天裝備研發(fā)及制造中有極其重要的價值。3D打印是個性化制造技術(shù)。3D打印可以快速、低成本實現(xiàn)單件制造，使單件制造的成本接近批量制造。因此，3D打印特別適合個性化醫(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。3D打印還是再制造技術(shù)，可以用于修復(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。它可以以極少的代價，獲得超值。所以，3D打印應(yīng)用在軍械、遠洋輪、海洋鉆井平臺乃至空間站的現(xiàn)場制造上，都具有特殊的優(yōu)勢。3D打印開拓創(chuàng)新設(shè)計的新空間。3D 打印可以制造傳統(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?？梢詫?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。值得注意的是，近兩年，3D打印已經(jīng)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，成本材料大幅度減少，還節(jié)省燃油15%。這是一代發(fā)動機的概念。過去，每開發(fā)一代發(fā)動機要上億歐元，現(xiàn)在一個噴嘴就解決了。美國3D打印的概念飛機，重量可以減輕65%。3D打印引領(lǐng)生產(chǎn)模式變革。以后，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。一些專家甚至認為，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業(yè)革命。3D打印是創(chuàng)客最歡迎的工具。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。另外，互聯(lián)網(wǎng)+3D打印的制造模式也很值得關(guān)注：通過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)公司有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%。今后，對于我國而言，互聯(lián)網(wǎng)+3D打印很可能是推動大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新的亮點。3D打印有利于創(chuàng)材和創(chuàng)生。在創(chuàng)材方面，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)。在創(chuàng)生方面，3D打印應(yīng)用于組織支架制造、細胞打印等領(lǐng)域，實現(xiàn)了生物活性器官的制造，一定意義上在創(chuàng)造生命。3D打印可以為生命科學研究和人類健康服務(wù)。我剛才所講的3D打印支持產(chǎn)品快速開發(fā)、制造節(jié)材、個性化制造以及再制造等方面，目前已經(jīng)進入應(yīng)用。今后，研究的重點是建立各類標準，使其能更廣泛地應(yīng)用，發(fā)揮更大的效益。3D打印開拓創(chuàng)新設(shè)計的新空間、引領(lǐng)生產(chǎn)模式變革方面，是現(xiàn)在和將來都要持續(xù)、深入研究的重要方向。在今后的515年中，它將會帶來重要效益。在引起制造業(yè)逐漸量變的同時，近一半的產(chǎn)品將實現(xiàn)個性定制化生產(chǎn)。3D打印的創(chuàng)材與創(chuàng)生方面，則更將為未來材料科學和技術(shù)、生命科學和醫(yī)療技術(shù)帶來巨大顛覆性變革。記者：當前，世界各國都非常重視3D打印，我國在這方面的研究也有較好的基礎(chǔ)。能否請您介紹一下我國3D打印技術(shù)目前的發(fā)展狀況?盧秉恒：你說的沒錯。3D打印的科研方面，我國的研究起步并不晚，20世紀90年代初期，清華大學、西安交通大學、華中科技大學就開始了研究，“九五” 期間，已經(jīng)基本掌握了當時的幾種主流技術(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。90年代末，北京航空航天大學、西北工業(yè)大學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)用方面處于國際領(lǐng)先，在軍機、大飛機研發(fā)中，充當了急救隊的作用。而且，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?？梢哉f，目前中國在3D 打印方面的研究已處于國際前列，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)備裝機量居全世界第四，但金屬打印的商業(yè)化設(shè)備還比較薄弱，主要還依靠進口。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，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、光學振鏡、動態(tài)聚焦鏡、打印頭等還主要依靠進口。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。從產(chǎn)業(yè)發(fā)展看，我們發(fā)展得還是太慢。美國有兩家最大的3D打印公司，2015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?，F(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。當前，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。我們應(yīng)該抓緊標準的研究，3D打印的數(shù)據(jù)標準可能影響到裝備和應(yīng)用兩個方面，對此我們應(yīng)該掌握話語權(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)品準入的標準，以利于新技術(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實現(xiàn)創(chuàng)新;建立創(chuàng)新體系，為企業(yè)提供核心技術(shù)和共性技術(shù);攻克關(guān)鍵核心器件，打造產(chǎn)業(yè)鏈;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)。記者：以3D打印為代表的制造業(yè)先進技術(shù)，正在推動我國制造業(yè)由大變強，向智能制造轉(zhuǎn)型。請問您怎么看待我國的智能制造?對于我國制造業(yè)的發(fā)展，您有什么建議?盧秉恒：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)勢是：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。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。我國可以參考德國、美國兩國路徑，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)以標準、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。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，這是中國制造2025能否順利實施的重要關(guān)鍵問題。在人才協(xié)同方面，建立正確的學科評估標準，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。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)方面，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。在底層智能化方面，主要是機器人、智能制造裝備和3D打印。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打印中，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打印可以使產(chǎn)品開發(fā)周期與費用降低到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)?；ヂ?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)。