论文部分内容阅读
在北京3D打印研究院，赵新副院长拿着一个3D打印的人体心瓣模型，向笔者讲述了这样一个有关3D打印应用的真实故事：传统的心脏瓣膜替换手术一般是病人做CT后根据一张张二维平面的CT片子，医生在脑海里把这些平面图叠在一起，判断心脏瓣膜的损坏程度和需要手术的位置，以确定病人的手术方案。但一旦判断不准，病人遭罪，也容易造成医患矛盾。现在北京某医院和3D打印研究院合作，把病人的CT数据提供给研究院，很快就能拿到根据医学数据3D打印出来的心瓣模型，医生用它辅助诊断，准确率得到了极大提高。
3D打印技术在我国的应用，正在取得长足进展。
快速走向实际应用
日前，在上海举行的第17届中国国际工业博览会上，3D打印展品引人注目。比如，北京航空航天大学的展品是用3D技术打印的C919机头主风挡的窗框，它是采用“同轴送粉”技术，用钛合金材料打印而成。此外，还有中国航天科技集团公司上海航天技术研究院参展的用3D打印的高性能碳纤维接头和用3D打印的铝合金空间转位捕获杆……
3D打印，又叫增材制造技术，是一种以数字模式文件为基础，运用粉末状金属、塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的快速成型技术，是制造原理上的一个重大突破。中国工程院院士、快速制造国家工程研究中心主任卢秉恒表示，增材制造与传统的等材制造和减材制造三足鼎立，互为补充。从制造方式来说，铸锻焊在制造过程中重量基本不变，属于“等材制造”，已有3000年历史；随着电动机的发明，能够车铣刨磨的机床出现，通过对材料的切削去除达到设计形状，称为“减材制造”，已有300年历史；而以3D打印为代表的“增材制造”，1984年提出，1986年实现样机，被称为“20世纪最具革命性的制造技术”。
2015年2月，工业和信息化部牵头发布《国家增材制造产业发展推进计划（2015～2016年）》；3月，国务院总理李克强主持召开国务院常务会议，部署加快推进实施“中国制造2025”。增材制造技术是实现中国制造业升级的核心技术之一。中国紧跟世界科技趋势，高度重视和全面发展3D打印技术，“急追”先进国家。
卢秉恒院士说，3D打印“热在今天，造就明天”。未来制造业将是“互联网+先进制造业+现代服务业”，大致会呈现这样一个网络服务云平台：大众需求收集-创客设计-3D打印验证设计-虚拟制造-生产分包-物联网配送。
因此，3D打印还展现了一个全民创新的通途。在大众创业、万众创新的当代，创客们设计出来的某些产品，传统制造业没有办法实现，或者成本非常高。而3D打印从技术上、成本上、快捷程度上都可以支持，使之变成现实。可以说，3D打印技术开启了个性化商品制造的商业模式。
替代传统制造有待时日
3D打印的关注度如此之高，目前在我国制造业的转型升级中，3D打印应用情况如何？
传统的减材制造是在大尺寸的原材料上进行冲压、切削、钻孔等多个环节后，得到符合要求的零件或产品。比如制作一个涡轮，可能需要用300公斤的原材料，最后制成产品，只有50公斤重。与之相比，增材制造是加法制造，从无到有逐层堆积原材料，直到得到成品。在这个过程中，没有制造工业垃圾，非常环保。据测算，3D打印节约材料大约70%～80%。此外，3D打印在制造模式上也有明显优势。传统制造都是在一个成熟的流水线上进行大批量的生产和加工，而3D打印可以实现个性化定制以及一体化打印，省略了组装环节。
目前，我国3D打印技术主要在“一高一低”两个领域应用比较普遍：“一高”是火电、核电、航空航天、军工等高科技领域。这些行业使用的高端机械，采用传统制造模式，主要依靠焊接实现零件的结合，但是焊接技术往往引起性能衰退。而3D打印可以实现一体化打印，实现了零件之间的无缝对接，具有很好的强度和精度。因此，3D打印在这些领域得到快速发展。“一低”是指制造成本低、制造周期短，有利于个性化小批量制造的产品。因为3D打印技术可以让数字文件精确复制成实物原型，所以还可以用来制作“独一无二”的创意产品，比如人偶、礼品等。在北京3D打印研究院，笔者看到琳琅满目的各种3D打印产品，有动漫公司定制的卡通人物形象、有各种奇思妙想的礼品摆设等。这些都是目前市场上3D打印普及型应用。
此外，在制造业的链条中，快速模型制造也普遍使用3D打印。传统制造做模具，成本高、开发周期长，而3D打印可以快速做出原型，符合要求后，再开模具制造。因此，在汽车业、制鞋业和一些行业的新产品开发中，经常会用3D打印进行原型制造。
赵新表示，目前，3D打印虽然已开始应用于小批量的直接制造，但是受3D打印的时间、精度和材料等限制，3D打印还不可能替代传统制造业，只是利用研发、设计开发优势，为大批量制造业做辅助。“希望媒体的宣传实事求是，有些人对3D打印认识过度，过于理想，到研究院一了解，就会很失望。”赵新说。
北京大学光华管理学院博士后刘江涛认为，3D打印技术在强调个性化、复杂化的小批量生产和模具生产上可以大显身手，同时也将充分发挥3D打印技术兼具智能制造的特点，扩大其在军工、医疗、创意等行业的应用。短期内，3D打印技术难以替代传统制造业，两者会在较长时间内并行融合。但是3D打印技术会提升传统制造业的制造形态，改进流程，提高效率，提升行业水平，实现产业升级。
技术提升需协同创新
3D打印技术是一个支撑、一个工具，它与各个行业相结合，将促进中国制造升级，实现从“中国制造”向“中国智造”的转变。卢秉恒院士表示，增材制造的远景是“创材”，即按照材料基因组，研制出超高强度、超高耐温、超高韧性、超高抗蚀的新材料。目前3D打印已制造出了耐温3315摄氏度的合金，用于“龙飞船2号”，大幅增强了飞船推力。3D打印还从“创材”到“创生”，即打印细胞制造器官，甚至把基因打印在细胞里实现基因变异。
近两年，3D打印出现了一些颠覆性技术，这一领域现在正处于技术的井喷期、产业发展的起步期和企业的跑马圈地期。
从3D打印产业链的构成来看，产业链上游包括创新设计、精密机械、数控技术、材料科学和激光技术，产业链中游主要包括3D打印设备的生产，产业链的下游主要是三维模型设计服务和打印产品应用。
目前，我国3D打印总体技术水平处于模型制作向零部件直接制造的过渡阶段，在直接制造高性能塑料和金属零件方面发展迅速，局部甚至超过国外水平，但总体上还有非常大的提升空间。
产业链上游的创新设计、精密机械、数控技术、材料科学和激光技术的核心技术大多掌握在外国大公司手中。国产的打印材料性能相对差些，可打印材料较少；工业版3D打印机的激光器存在稳定性问题，整个产业还处于起步发展阶段。国内3D打印领域走在前列的公司有陕西恒通、西安铂力特、北航公司、武汉滨湖、无锡易维等，但是总体来说，企业规模、产值、利润都还比较小。由于3D打印技术融合了光机电技术、控制技术、材料技术和软件技术等，目前我国高端装备制造的核心技术尚待加强、机器人和数控机床等底层装备的自动化信息化不够，这些也制约了3D打印技术的提升。
因此，我国3D打印技术的发展，亟须协同创新，学科交叉发展原创，尽快建立创新链。《三生万物——3D打印：第三次工业革命的引擎》的主笔、财政部税政司调研员李旭鸿建议：加快3D打印技术的发展，要实施3D打印“重大技术突破、重要行业应用、重点企业支撑”的“三重战略”。大力加快3D打印专用材料的研发和生产，鼓励发展数字模型、专用工艺软件及控制软件，加速发展3D打印装备及核心器件；大力支持3D打印技术在重点行业应用和推广；大力发展航天、航空、电子、网络平台等领域的3D打印龙头企业。
3D打印技术在我国的应用，正在取得长足进展。
快速走向实际应用
日前，在上海举行的第17届中国国际工业博览会上，3D打印展品引人注目。比如，北京航空航天大学的展品是用3D技术打印的C919机头主风挡的窗框，它是采用“同轴送粉”技术，用钛合金材料打印而成。此外，还有中国航天科技集团公司上海航天技术研究院参展的用3D打印的高性能碳纤维接头和用3D打印的铝合金空间转位捕获杆……
3D打印，又叫增材制造技术，是一种以数字模式文件为基础，运用粉末状金属、塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的快速成型技术，是制造原理上的一个重大突破。中国工程院院士、快速制造国家工程研究中心主任卢秉恒表示，增材制造与传统的等材制造和减材制造三足鼎立，互为补充。从制造方式来说，铸锻焊在制造过程中重量基本不变，属于“等材制造”，已有3000年历史；随着电动机的发明，能够车铣刨磨的机床出现，通过对材料的切削去除达到设计形状，称为“减材制造”，已有300年历史；而以3D打印为代表的“增材制造”，1984年提出，1986年实现样机，被称为“20世纪最具革命性的制造技术”。
2015年2月，工业和信息化部牵头发布《国家增材制造产业发展推进计划（2015～2016年）》；3月，国务院总理李克强主持召开国务院常务会议，部署加快推进实施“中国制造2025”。增材制造技术是实现中国制造业升级的核心技术之一。中国紧跟世界科技趋势，高度重视和全面发展3D打印技术，“急追”先进国家。
卢秉恒院士说，3D打印“热在今天，造就明天”。未来制造业将是“互联网+先进制造业+现代服务业”，大致会呈现这样一个网络服务云平台：大众需求收集-创客设计-3D打印验证设计-虚拟制造-生产分包-物联网配送。
因此，3D打印还展现了一个全民创新的通途。在大众创业、万众创新的当代，创客们设计出来的某些产品，传统制造业没有办法实现，或者成本非常高。而3D打印从技术上、成本上、快捷程度上都可以支持，使之变成现实。可以说，3D打印技术开启了个性化商品制造的商业模式。
替代传统制造有待时日
3D打印的关注度如此之高，目前在我国制造业的转型升级中，3D打印应用情况如何？
传统的减材制造是在大尺寸的原材料上进行冲压、切削、钻孔等多个环节后，得到符合要求的零件或产品。比如制作一个涡轮，可能需要用300公斤的原材料，最后制成产品，只有50公斤重。与之相比，增材制造是加法制造，从无到有逐层堆积原材料，直到得到成品。在这个过程中，没有制造工业垃圾，非常环保。据测算，3D打印节约材料大约70%～80%。此外，3D打印在制造模式上也有明显优势。传统制造都是在一个成熟的流水线上进行大批量的生产和加工，而3D打印可以实现个性化定制以及一体化打印，省略了组装环节。
目前，我国3D打印技术主要在“一高一低”两个领域应用比较普遍：“一高”是火电、核电、航空航天、军工等高科技领域。这些行业使用的高端机械，采用传统制造模式，主要依靠焊接实现零件的结合，但是焊接技术往往引起性能衰退。而3D打印可以实现一体化打印，实现了零件之间的无缝对接，具有很好的强度和精度。因此，3D打印在这些领域得到快速发展。“一低”是指制造成本低、制造周期短，有利于个性化小批量制造的产品。因为3D打印技术可以让数字文件精确复制成实物原型，所以还可以用来制作“独一无二”的创意产品，比如人偶、礼品等。在北京3D打印研究院，笔者看到琳琅满目的各种3D打印产品，有动漫公司定制的卡通人物形象、有各种奇思妙想的礼品摆设等。这些都是目前市场上3D打印普及型应用。
此外，在制造业的链条中，快速模型制造也普遍使用3D打印。传统制造做模具，成本高、开发周期长，而3D打印可以快速做出原型，符合要求后，再开模具制造。因此，在汽车业、制鞋业和一些行业的新产品开发中，经常会用3D打印进行原型制造。
赵新表示，目前，3D打印虽然已开始应用于小批量的直接制造，但是受3D打印的时间、精度和材料等限制，3D打印还不可能替代传统制造业，只是利用研发、设计开发优势，为大批量制造业做辅助。“希望媒体的宣传实事求是，有些人对3D打印认识过度，过于理想，到研究院一了解，就会很失望。”赵新说。
北京大学光华管理学院博士后刘江涛认为，3D打印技术在强调个性化、复杂化的小批量生产和模具生产上可以大显身手，同时也将充分发挥3D打印技术兼具智能制造的特点，扩大其在军工、医疗、创意等行业的应用。短期内，3D打印技术难以替代传统制造业，两者会在较长时间内并行融合。但是3D打印技术会提升传统制造业的制造形态，改进流程，提高效率，提升行业水平，实现产业升级。
技术提升需协同创新
3D打印技术是一个支撑、一个工具，它与各个行业相结合，将促进中国制造升级，实现从“中国制造”向“中国智造”的转变。卢秉恒院士表示，增材制造的远景是“创材”，即按照材料基因组，研制出超高强度、超高耐温、超高韧性、超高抗蚀的新材料。目前3D打印已制造出了耐温3315摄氏度的合金，用于“龙飞船2号”，大幅增强了飞船推力。3D打印还从“创材”到“创生”，即打印细胞制造器官，甚至把基因打印在细胞里实现基因变异。
近两年，3D打印出现了一些颠覆性技术，这一领域现在正处于技术的井喷期、产业发展的起步期和企业的跑马圈地期。
从3D打印产业链的构成来看，产业链上游包括创新设计、精密机械、数控技术、材料科学和激光技术，产业链中游主要包括3D打印设备的生产，产业链的下游主要是三维模型设计服务和打印产品应用。
目前，我国3D打印总体技术水平处于模型制作向零部件直接制造的过渡阶段，在直接制造高性能塑料和金属零件方面发展迅速，局部甚至超过国外水平，但总体上还有非常大的提升空间。
产业链上游的创新设计、精密机械、数控技术、材料科学和激光技术的核心技术大多掌握在外国大公司手中。国产的打印材料性能相对差些，可打印材料较少；工业版3D打印机的激光器存在稳定性问题，整个产业还处于起步发展阶段。国内3D打印领域走在前列的公司有陕西恒通、西安铂力特、北航公司、武汉滨湖、无锡易维等，但是总体来说，企业规模、产值、利润都还比较小。由于3D打印技术融合了光机电技术、控制技术、材料技术和软件技术等，目前我国高端装备制造的核心技术尚待加强、机器人和数控机床等底层装备的自动化信息化不够，这些也制约了3D打印技术的提升。
因此，我国3D打印技术的发展，亟须协同创新，学科交叉发展原创，尽快建立创新链。《三生万物——3D打印：第三次工业革命的引擎》的主笔、财政部税政司调研员李旭鸿建议：加快3D打印技术的发展，要实施3D打印“重大技术突破、重要行业应用、重点企业支撑”的“三重战略”。大力加快3D打印专用材料的研发和生产，鼓励发展数字模型、专用工艺软件及控制软件，加速发展3D打印装备及核心器件；大力支持3D打印技术在重点行业应用和推广；大力发展航天、航空、电子、网络平台等领域的3D打印龙头企业。