本站原创紧紧抓住3D打印、智能机器人等新一轮工业革命的契机,大力发展智能制造和绿色制造
如果从1986年美国科学家查尔斯·哈尔开发的第一台商业3D印刷机算起,3D打印至今已走过27年的历程.2012年以来,3D打印在全球急剧升温,引起各国政府、科技、企业和投资界的高度重视.
目前,3D打印技术在新产品开发、单件小批量生产、复杂结构、现场制造、个性化写作等方面显示了较强的优势,既可以节约时间,还可以减少研发和生产成本,满足了不同客户的实际需求.
清华大学激光快速成形中心林峰教授对记者说,3D打印技术是基于离散堆积的原理来进行分层制造,由计算机辅助设计模型（CAD）直接驱动,运用金属、塑料、陶瓷、树脂、蜡、纸、砂等材料,在快速成形设备里分层制造任何复杂形状的物理实体.基本流程是,先用计算机软件设计三维模型,然后把三维数字模型离散为面、线和点,再通过3D打印设备分层堆积,最后变成一个三维的实物,好比在计算机控制下一层层盖房子.
3D打印方兴未艾
当飞行员驾驶的歼-15舰载机首次成功起飞和降落在辽宁号航母上时,每一个中国人都感到无比自豪.而你知道吗?这款绰号为“飞鲨”的歼15战机广泛采用了3D打印技术.
据了解,传统的战斗机制造流程当中,3D设计好之后,需要进行长期的投入和时间成本来制造水压成型设备,而使用3D打印这种增材制造技术之后,零件的成型速度、应用速度得以大幅度提高.
3D打印又称为快速成形、增材制造.这一新兴的技术目前广泛应用于航空航天、国防军工、汽车、机械、电子、生物医疗、玩具、服装、首饰、日用品、食品、建筑、教育等众多领域.
在军事国防领域,美国2012年把3D打印技术引入阿富汗战区,现场为士兵打印工具和设备；在航空航天领域,英国南安普敦大学工程师利用3D技术打印出世界上第一架无人飞机“SULSA”；在生活消费领域,各国研究应用百花齐放,如巴黎时装周上3D打印的比基尼、比利时工程师利用3D打印机制造的全尺寸赛车、西班牙巴塞罗那初创公司（NaturalMachines）推出3D食物打印机等
甚至不久的将来,也可以用3D打印机制造出来.美国生物科技公司Organovo承诺将在2014年年末,用“生物打印”技术成功打印出一个真正的完整的人类肝脏.目前他们已能打印出部分肝脏.
中国的3D打印技术研发和应用也取得了显著成效,在工业制造领域,清华大学在世界上率先完成无木模铸型制造工艺；北京航空航天大学的研究使我国成为世界上唯一突破飞机钛合金大型主承力结构件激光快速成形技术并实现装机应用的国家；华中科技大学及所属企业滨湖机电已自主研发出全球最大的SLS“3D打印机”（激光粉末烧结快速成形系统）；中国工程院院士、快速制造国家工程研究中心主任卢秉恒开发出具有国际首创的紫外光快速成型机；中科院重庆绿色智能技术研究院3D打印技术中心开发出液体光敏树脂紫外固化技术,打印精度能够达到微米量级；北京太尔时代的工业级快速成形设备打印了神舟七号的出舱服.
在生物制造领域,西安交大1998年开始研发活体骨骼3D打印技术,该校2001年就实施了国内第一例3D打印颌面修复手术；华南理工大学在个性化的牙科舌侧正畸托槽3D打印方面已拿到注册许可证,上百套写作化托槽产品已销往欧洲、非洲国家；世界第一台成型的3D生物打印机于2013年8月现身青岛.
在消费品制造领域,北京太尔时代研发的桌面3D打印机被美国ME杂志评选为最佳3D打印机,与全球最大的3DSystems公司和Stratasys公司相比毫不逊色,可以打印出玩具、日用品、艺术品、教学模型等,其设备远销欧洲、北美洲、大洋洲、中亚等.
3D打印的火热引起了各地政府的关注和追逐.成都、青岛、武汉、珠海等地纷纷兴建3D打印产业园.如今,3D打印装备正从高端型走向普及型.现在淘宝网上,最便宜几千元就可以写到一部3D打印机.如果你想打印出自己设计的产品,可以考虑购写一台.
第三次工业革命浪潮
人类经历了两次工业革命,在实现机械化、规模化、城市化的同时,也带来了资源枯竭、能源短缺、环境污染、交通拥堵等诸多问题.随着互联网的普及以及物联网、云计算、大数据、智能软件、新能源、新材料、机器人、3D打印等新技术的应用,第三次工业革命呼之欲出.
对于第三次工业革命,目前比较主流的看法来自美国未来学家杰里米·里夫金.他认为,接下来的半个世纪里,集中经营活动将被第三次工业革命的分散经营方式取代.未来将是社会化协作、分布式能源和行业专家、技术劳动力为特征的新时代.
2012年,旨在重振美国制造业的“制造创新国家网络”计划将3D打印作为首个发展方向.英国《经济学人》杂志也发表封面文章称,3D打印技术是第三次工业革命的重要标志之一,“这场革命不仅将影响到如何制造产品,还将影响到在哪里制造产品.”
北京长城企业战略研究所所长王德禄认为,在第三次工业革命中,产业链条的关键进一步转移至研发设计等环节,制造环节将被压缩至“一步实现”.除3D打印外,机器人技术、人工智能技术、纳米科技、新材料、新能源等技术也将是第三次工业革命的重要组成部分.而3D打印则被誉为是“第三次工业革命最具标志性的生产工具”.
王德禄指出,3D打印技术极有可能和互联网一样深入到我们生活工作的任何一个角落,会在第三次工业革命中产生巨大的推动作用,而且它会衍生出许多原创产业,如皮肤打印、3D打印设计和怎么写作平台、消费品写作等.就像蒸汽机发明以后,不仅仅是蒸汽机产业本身,还渗透到许多行业中,这也是它的革命意义.
中国社科院工业经济研究所邓洲博士表示,新的制造业革命所包含的变化不只是3D打印技术,最核心的变化是反映在制造业生产方式和组织方式的颠覆上.目前制造业最重要的转型之一是“智能制造”对“自动化制造”的替代.智能化的工业机器人能够自我修正错误,甚至自主进行工艺改进和流程优化,无需看护和调试.迄今为止,信息技术革命主要表现在对脑力劳动的替代上,而今后将在制造业、农业、流通等领域进一步解放人的体力劳动,逐步实现国民经济系统整体网络化、智能化和绿色化.
据报道,谷歌近半年来已收购了8家机器人公司,亚马逊最近也表示计划未来用无人机送包裹.据国际机器人工业联合会预测,不久的将来中国将成为全球最大工业机器人市场.但值得注意的是,目前国外机器人品牌占据了我国国内市场90%的份额,德、美、日等国在信息化和制造业数字化领域中仍占据着国际制高点.
据中国工程院院士李伯虎透露,我国“863”计划项目已建成为企业怎么写作的“制造云”,利用这片“云”,航空、汽车等领域的工业设计变得更为智能、高效,将推动我国制造业的升级发展.
所谓“云制造”,是一种基于各种网络及其组合、面向企业进行怎么写作的智能制造平台.利用这种平台,企业用户无需招聘员工、购写昂贵的专业软件和制造设备,只要通过平台终端就能完成产品的设计、工艺、制造、采购、营销等各个环节.李院士指出,将3D打印技术与云制造相结合,这条智能制造产业链会变得更加高效.
在《机械工业“十二五”发展总体规划》中,明确提出以“绿色为先”的发展战略,指出机械产品的设计和制造要更加关注体现全生命周期的绿色理念.日前,在天津召开的第三届绿色制造技术论坛上,中国机械工业联合会执行副会长薛一平强调,绿色制造是机械工业转型升级的重要组成部分.
正视差距和不足
对于3D打印技术对制造业的影响,见仁见智.激进派认为,传统工程师使用的车床、钻头、冲压机、制模机等将一去不复返,甚至将颠覆整个传统制造业,开启社会化制造新时代.
而一些业内专家和企业人士持谨慎态度.“我们应对3D打印有一个正确的定位和认识.3D打印技术在生产制造中所占的比例正在上升,但对传统制造业更多是补充而非颠覆.”中国工程院院士卢秉恒说.
北京太尔时代总经理郭戈也比较低调,3D打印目前还没有那么大的能量,从行业现状看,3D打印的市场规模还较小,虽然3D打印有很多创新和优势,但从综合的经济社会效率上来看,它还处于整个制造业的边缘.
虽然我国的3D打印在基础研究和产业化方面有了一定进展,但我国3D打印产业的发展与美国相比仍有较大差距.如没有形成产业链、工业环境不配套、企业规模小、研发投入不够等.此外,在一些核心技术和关键器件上,如3D打印机中的激光器、高端材料,仍然对国外依赖较大.
华南理工大学机械工程学院教授杨永强认为,这既与我国制造业发展急功近利、喜欢做短平快的技术和产品有关,也与国家导向过分强调产业化和经济效益,忽视基础研究有关.
“3D打印技术本身内涵很多,难题也很多.现在的问题是恨不得今天结婚,明天就生孩子,拔苗助长.”杨永强说.
在应用方面,我国的3D打印也远未达到美国的丰富程度.据卢秉恒介绍,目前我国3D打印的大部分应用仍然集中在军工领域的开发与模具的制造上.从设备数量上看,美国目前各种3D打印设备的数量占全世界40%,而中国只有8%左右.
滨湖机电总经理周建国对记者说,我国与美国的差距主要表现在：产业化进程缓慢,市场需求不足；产品的快速制造水平有待提高；烧结的材料尤其是金属材料,质量和性能比我们好；国内企业的收入结构单一,主要靠卖3D打印设备,而美国的公司是多元经营,设备、怎么写作和材料基本各占销售收入的1/3.
有调查结果显示,在全球3D模型制造技术的专利实力榜单上,美国3DSystems公司、日本松下公司和德国EOS公司遥遥领先.
此外,国内的3D打印产业规模很小.根据全球最知名的3D打印行业研究机构WohlersAssociates的报告,2010～2012年,全球3D打印市场的复合年增长率为27.4%,2012年市场规模为22.04亿美元,约合135亿元人民币,而中国3D打印市场规模只有10亿元人民币.
应与传统制造相融合
在过去的20多年里,3D打印技术之所以未产生太大影响,一个很重要的原因,就是用户和企业对3D打印技术缺乏足够的信心,市场需求始终没有被激发.
与传统制造的大规模、大批量的加工制造相比,3D打印在少批量、小尺寸、高精度、造型复杂的零部件研发和生产方面更具优势.因此,3D打印可以与传统产业优势互补,融合发展,开发出适合传统制造业所需要的技术和产品,帮助传统制造业改进生产工艺,从而为传统制造业的创新发展注入新的活力和动力.
北京航空航天大学材料加工工程及自动化系教授王华明表示,增材制造技术最近很“热”,需要科学理性地对待.增材制造只是制造技术大家庭一个成员而已,实际上装备制造不可能依赖一种技术.制造技术体系完整,减材制造不是说传统制造,其实传统制造技术非常多.增材制造与减材制造并不是对立的事情,增材制造产品需要后续少量的减材加工.增材制造不可能颠覆或取代减材制造.
大连理工大学材料工程系教授姚山认为,3D打印这个技术从新产品研发角度讲,应该说有绝对优势.等产品定型以后,到大批量生产,它的优势会变小,但是并不一定没有应用.比如传统制造也是先把模具做出来,然后用压力加工等方法成型.但模具也是单件的、小批量的产品,如果用3D打印去做模具,就是很好的应用.
姚山进一步指出,大家不要把3D打印和传统技术相对立,好像3D打印一定要取代传统.不是这样的.我觉得3D打印第一步是融合传统,改变部分流程或工艺,最后可能随着材料技术的发展,材料和设备成本降下来,3D打印可能直接走到应用,形成批量的制造能力.美国有一家做检测牙的公司,一个企业有150台3D打印机.这个例子提示我们,3D打印一定不能批量吗?这是一个相对的概念.
卢秉恒则充分肯定发展3D打印对于中国的意义,“中国是制造大国,制造能力过剩,但设计研发能力不足.而3D打印技术正是辅助和加速设计与研发的手段.我们应该高度重视这一技术,投入科研和其他力量,并大力推广,这样才能真正使我们国家变成制造强国.”
据Wohlers预测,到2025年,3D打印技术潜在的经济影响将达到2300—2500亿美元.面对3D打印的广阔前景,各地纷纷兴建3D打印产业园,并出台各项优惠政策.当然,发展3D打印等新兴技术,离不开政府的政策扶持,但应该进行科学规划布局,避免在发展初期一哄而上,形成恶性竞争,重蹈光伏的覆辙.
当前,全球经济持续低迷,外需疲软,内需不振,制造企业在打造经济升级版中扮演着重要角色.紧紧抓住3D打印、智能机器人、新材料、能源互联网等新一轮工业革命的契机,大力发展智能制造和绿色制造,使其在产业升级和结构调整中发挥重要引领作用.