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    3D打印與智能制造——中國工程院院士盧秉恒答記者問
    時間:2016-04-25  瀏覽:0次  來源:  作者:

    來源:學習時報 作者:石偉 李紅

    編者按:習近平總書記強調:“我們必須增強憂患意識,敏銳把握世界科技創新發展趨勢,緊緊抓住和用好新一輪科技革命和產業變革的機遇。”當前,以信息技術與制造技術深度融合為特征的智能制造模式,正在引發整個制造業的深刻變革。作為制造業有代表性的顛覆性技術,3D打印正逐步成為世界各國搶占未來產業制高點的焦點領域。要推動中國制造由大變強,實現向智能制造轉型,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域的著名科學家,您在國內倡導并開拓了3D打印等先進制造技術的研究。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,原理是將計算機設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新技術,被美國自然科學基金會稱為20世紀最重要的制造技術創新。麥卡錫報告列出了對人類生活有顛覆性影響的12項技術,3D打印排在第九位,在新材料和頁巖氣之前。麥卡錫報告預測在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新技術,那么它與傳統制造技術相比具有什么樣的特點和優勢呢?

    盧秉恒:3D打印的特點和優勢很多。

    3D打印應用非常廣泛。3D打印可以打印許多材料、任意復雜形狀、任意批量,可以應用于各工業和生活領域,可以在車間、辦公室及家里實現制造。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新研究,使之更好、更快、更廉價。

    3D打印支持產品快速開發。3D打印可以制造形狀復雜的零件,所想即所得。直接由設計數據驅動,不需要傳統制造必須的工裝夾具模具制造等生產準備,編程簡單。在產品創新設計與設計驗證中,特別方便,可以使產品開發周期與費用至少降低為一半。3D打印已經成為機電產品和裝備快速開發的利器。

    3D打印是節材制造技術。航空航天等大型復雜結構件,傳統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打印大大節約了材料和制造成本。在航空航天裝備研發及制造中有極其重要的價值。

    3D打印是個性化制造技術。3D打印可以快速、低成本實現單件制造,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療和高端醫療器械,如人工骨、手術模型、骨科導航模板等。3D打印還是再制造技術,可以用于修復磨損零部件的再制造,如飛機發動機葉片、軋鋼機軋輥等。它可以以極少的代價,獲得超值。所以,3D打印應用在軍械、遠洋輪、海洋鉆井平臺乃至空間站的現場制造上,都具有特殊的優勢。

    3D打印開拓創新設計的新空間。3D打印可以制造傳統制造技術無法實現的結構,為設計創新提供了非常大的創新空間??梢詫凳畟€、數百個甚至更多的零件組裝的產品一體化一次制造出來,大大簡化了制造工序,節約了制造和裝配成本。以3D打印新工藝的視角對產品、裝備再設計,可能是3D打印為制造業帶來的最大效益所在。值得注意的是,近兩年,3D打印已經顯現出顛覆性變革。如GE公司做的飛機發動機的噴嘴,把20個零件做成了一個零件,成本材料大幅度減少,還節省燃油15%。這是一代發動機的概念。過去,每開發一代發動機要上億歐元,現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打印引領生產模式變革。以后,3D打印可能成為可穿戴電子、家居用品、文化產業、服裝設計等行業的個性化定制生產模式。一些專家甚至認為,3D打印等數字化設計制造將引領生產從大批量制造走向個性化定制的第三次工業革命。

    3D打印是創客最歡迎的工具。GE公司在網上發布了一條消息,挑戰3D打印,將飛機的一個零部件讓創客設計。第一名只用了原始結構的1/6的重量就完成了全部測試,而設計者是19歲的年輕人。3D打印展現了全民創新的通途。另外,互聯網+3D打印的制造模式也很值得關注:通過收集大眾的個性化需求,由創客完成設計,設計方案由3D打印件進行驗證,再由虛擬制造組織生產,由物聯網來配送。美國眾創公司有15000名訪客、6000名創客。亞馬遜利用網絡銷售3D打印商品,營業額已達數十億美元,利潤30%。今后,對于我國而言,互聯網+3D打印很可能是推動大眾創業、萬眾創新的亮點。

    3D打印有利于創材和創生。在創材方面,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打印設備作為材料基因組計劃的研制驗證平臺,可以開發出超高強度、超高韌性、超高耐溫、超高耐磨的各種優秀材料,增材制造變成為創材技術。在創生方面,3D打印應用于組織支架制造、細胞打印等領域,實現了生物活性器官的制造,一定意義上在創造生命。3D打印可以為生命科學研究和人類健康服務。

    我剛才所講的3D打印支持產品快速開發、制造節材、個性化制造以及再制造等方面,目前已經進入應用。今后,研究的重點是建立各類標準,使其能更廣泛地應用,發揮更大的效益。

    3D打印開拓創新設計的新空間、引領生產模式變革方面,是現在和將來都要持續、深入研究的重要方向。在今后的5—15年中,它將會帶來重要效益。在引起制造業逐漸量變的同時,近一半的產品將實現個性定制化生產。

    3D打印的創材與創生方面,則更將為未來材料科學和技術、生命科學和醫療技術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。能否請您介紹一下我國3D打印技術目前的發展狀況?

    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,已經基本掌握了當時的幾種主流技術,掌握了其制造工藝和軟硬件控制技術,開發了這些技術裝備,開展了推廣應用。90年代末,北京航空航天大學、西北工業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件。目前我國依靠自己開發的大型金屬3D打印設備,在飛機大型承力件應用方面處于國際領先,在軍機、大飛機研發中,充當了急救隊的作用。而且,鈦合金大型結構件已經率先應用于飛機起落架及C919的研發中??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量處于世界第二。

    在應用方面,我國工業級設備裝機量居全世界第四,但金屬打印的商業化設備還比較薄弱,主要還依靠進口。非金屬工業型打印機,我國60%以上立足國內。小型FDM打印機,已批量出口,銷量躋身世界前列。但國產工業級裝備的關鍵器件,如激光器、光學振鏡、動態聚焦鏡、打印頭等還主要依靠進口。工業級3D打印材料的研究剛剛起步,除了個別研發能力強的公司研發了少量材料外,3D打印的材料基本依靠進口。

    從產業發展看,我們發展得還是太慢。美國有兩家最大的3D打印公司,2015年達到近10億美元的規模。而我們企業基本是校辦企業起家,最多1個多億人民幣產值?,F在進口設備大舉“進攻”中國市場。金屬打印裝備,國外則實行材料、軟件、設備、工藝一體化捆綁銷售。我們必須研發核心技術與原創技術,打造自己的創新鏈與產業鏈?,F在國內已經有若干3D打印公司上市,科技開始與資金結合,這是一個良好的開端。

    當前,3D打印技術正處于一個技術的井噴期、產業的起步期、企業的“跑馬圈地”期。我們應該抓緊標準的研究,3D打印的數據標準可能影響到裝備和應用兩個方面,對此我們應該掌握話語權。在航空件和高端醫療器械方面,要積極研究面對3D打印個性化制造產品準入的標準,以利于新技術的應用。要加強基礎研究,發展原創技術,在3D打印的新材料研發、顯著提升打印件的質量和打印效率等方面實現創新;建立創新體系,為企業提供核心技術和共性技術;攻克關鍵核心器件,打造產業鏈;引導金融資本,助推3D打印企業做大做強,形成若干個具備國際競爭規模的企業。

    記者:以3D打印為代表的制造業先進技術,正在推動我國制造業由大變強,向智能制造轉型。請問您怎么看待我國的智能制造?對于我國制造業的發展,您有什么建議?

    盧秉恒:比較中、德、美三國,德國的工業優勢在于質量過硬、基礎雄厚、工藝嚴謹;美國的優勢在于:社會創新、高科技優勢、集全球資源與精英;而我們中國的重要優勢是:一個比較完整的工業體系、內需市場巨大、人力資源豐富。

    面對我們存在的階段性差距,需要工業2.0、3.0的補課(質量優先、機器人和高檔數控機床等自動化技術)的同時,發展工業4.0。因此需要追趕與跨越并舉;必須發揮政府科學而有力的調控作用,匯集有限的社會資源,做好協同創新。

    我們巨大的市場需求,必須保護,充分利用,以引導和支持我們的裝備制造。一個領域的需求,就可以帶動一個裝備領域的發展。如航空航天、汽車領域對高檔數控機床的需求。我們如何通過大飛機、兩機專項及軍工技術改造的機遇,拉動我國的機床工業,同時形成高端裝備的雄厚發展基礎?建議項目采購采取信息安全的一票否決制。各項計劃、各個行業的互動協同發展,是我們大國制造應該認真思考的問題。

    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中國制造2025任務的道路。建設一批能協同社會創新資源,為產業提供核心技術與共性技術的創新中心。避免科技資源的浪費和低水平的重復研究。

    在產學研協同方面,應該正確理解企業為主體。企業要成為投資研發、應用成果、集成成果的主體。產學研形成長效合作機制,把科研機構、人員與企業創新的積極性調動和發揮出來。在全社會的協同機制方面,加強科技計劃協同,按技術成熟度,各部委分工協作,各計劃形成接力。國家科研計劃應以標準、基礎研究為先,重視產業化共性技術,以創新思想、發明專利為評審依據。

    在金融與科技、產業的協同方面,改善制造業的資金環境。如何引導金融資金更多更快地流向實體經濟、流向有潛力的先進制造業,加強資金對創新的支持力度,讓創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鍵問題。

    在人才協同方面,建立正確的學科評估標準,引導創新與工程能力培養。倡導科研人員的論文更多地寫在產品上,寫在裝備上。中國制造2025還需要培養一批工業4.0時代的企業家和科技領軍人,既精通制造工藝,又具有互聯網思維,能充分利用社會創新資源。創新型社會還需要一大批創客、極客,需要馬斯克式的人物,有濃厚的科學興趣和強烈的創新欲。

    中國制造2025的主攻方向和帶動性技術是發展智能制造。智能制造主要是工業互聯網和底層智能化兩部分。

    在工業互聯網方面,要形成一個萬眾創客網、CAD/CAE/CAM數字化制造服務網、3D打印、性能測試服務網,由眾包完成產品的開發和數字化制造。用工業互聯網構成一個高技術的服務業,構建新機制的創新體系,驅動知識信息的流動。企業的資源是有限的。我們用互聯網把全國的、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,補足中國制造業開發能力弱的短板。這就是互聯網帶動制造業發展的真諦,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。機器人是提高生產柔性、提高效率、降低成本的工具。智能機床的關鍵就是信息獲取、工藝優化軟件加上過程的質量控制。智能機床能夠監控加工的狀態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量和加工效率。數字化設計和3D打印中,設計是形成產品創新價值的關鍵。高端服務業提供設計工具、設計師和產品結構的CAE分析,而3D打印是驗證設計的快速手段。3D打印可以使產品開發周期與費用降低到1/3-1/5,3D打印支持定制化生產模式。尤其重要的是,3D打印使設計師擺脫了許多可制造性的約束,極大地釋放了設計創新空間,如果說機器人是今天的技術,那么3D打印是更加深刻影響今天和明天、乃至后天的技術。

    互聯網+先進制造業+現代服務業,可以成就制造業美好的未來,制造業可能的前景是:一半以上的制造為個性化及定制,一半以上的價值由創新設計體現,一半以上的企業業務由眾包完成,一半以上的創新研發為極客創客實現。

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