盧秉恒院士：3D打印技術改變制造業(yè)的今天與明天

西安交通大學機械工程學院院長盧秉恒院士

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。

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。

當前3D打印幾種主流技術有：

SLA(光固化技術)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。廣泛應用于設計驗證。

SLS(選擇性激光燒結)是一種將非金屬(或普通金屬)粉末分層鋪設，激光在程序控制下，選擇區(qū)域掃描燒結成三維物體的工藝。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、顱骨的修復。

SLM是在送粉中，實現(xiàn)激光融化和燒結，類似堆焊，制造件更加致密、強度達到鍛件水平，可用于制造大型結構件、承載件。

FDM技術(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，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)，當時采用激光快速原型制造等學術名詞。這些技術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稱為3D打印技術，有利于大眾理解。增材制造被美國自然科學基金會稱為上世紀最重要的制造技術創(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，3D打印排在第九位，排在新材料和頁巖氣之前。預測在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、任意復雜形狀、任意批量，可以應用于各工業(yè)和生活領域，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，需要多學科交叉的創(chuàng)新研究，使之更好、更快、更廉價。

2、 支持產品快速開發(fā)：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(shù)據(jù)驅動，不需要傳統(tǒng)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(chuàng)新設計與設計驗證中，特別方便。使產品開發(fā)周期與費用至少降低為一半，成為機電產品和裝備快速開發(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%。航空航天等大型復雜結構件采用傳統(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、手術模型、骨科導航模板等。

5、 再制造：用于修復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)新設計的新空間：可以制造傳統(tǒng)制造技術無法實現(xiàn)的結構，為設計創(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品、裝備再設計，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、 引領生產模式變革：3D打印可能成為可穿戴電子、家居用品、文化產業(yè)、服裝設計等行業(yè)的個性化定制生產模式。一些專家認為，3D打印等數(shù)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(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(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。

9、 創(chuàng)生：應用于組織支架制造、細胞打印等技術，實現(xiàn)生物活性器官的制造，一定意義上的創(chuàng)造生命。為生命科學研究和人類健康服務。

10、 目前，3D打印的技術尚有待深入廣泛研究發(fā)展，其應用還很有限，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打印技術的發(fā)展狀況

上述3D打印的優(yōu)勢的1-5條，目前已經(jīng)進入應用，當然還需要更深入的研究，建立各類標準，使其能更廣泛地應用，發(fā)揮更大的效益。

如在汽車零配件、輕工產品、家電等產品開發(fā)中降低產品開發(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)有初步應用，效果顯著;在航空航天產品研發(fā)中，可以制造與鍛件性能媲美的大型構件;小型FDM桌面機已經(jīng)應用于教學培訓、創(chuàng)意設計等方面，形成了全球銷量最大的3D打印設備;大型FDM設備在提高質量與效率的同時，已經(jīng)開始成為復合材料汽車車身、無人機等大型產品的開發(fā)乃至小批量生產的工具等等，這些技術正在成為改造傳統(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，在走向一半的產品將成為個性定制化生產的生產模式變革中，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和技術、生命科學和醫(yī)療技術、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、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，如SLA、SLS、LOM、FDM技術，掌握了其制造工藝和軟硬件控制技術，開發(fā)了這些技術裝備，開展了推廣應用。西安交通大學還把SLA激光成型技術與開發(fā)的數(shù)字化建模、軟模具及快速模具等技術集成，成為產品快速開發(fā)系統(tǒng)技術，在珠三角、長三角及全國推廣應用，10多年來，在全國各地幫助建設了50多個示范中心。使機電、汽車零部件、輕工等產品的開發(fā)周期與費用降為傳統(tǒng)技術的1/3-1/5。

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件。目前我國依靠自己開發(fā)的大型金屬3D打印設備，在飛機大型承力件應用方面目前處于國際領先。在軍機、大飛機研發(fā)中，充當了急救隊的作用，鈦合金大型結構件已經(jīng)率先應用于飛機起落架及C919的研發(fā)中。在應用3D打印技術制造個性化鈦合金骨植入方面，西安交通大學在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。

在應用方面，我國工業(yè)級設備裝機量據(jù)全世界第四，但金屬打印的商業(yè)化設備還主要依靠進口。非金屬工業(yè)型打印機，我國60%以上立足國內。小型FDM打印機，太爾時代已批量出口，銷量躋身世界前列。但國產工業(yè)級裝備的關鍵器件，如激光器、光學振鏡、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個多億人民幣產值。而現(xiàn)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(fā)核心技術與原創(chuàng)技術，打造自己的創(chuàng)新鏈與產業(yè)鏈�，F(xiàn)在國內已經(jīng)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。

3D打印從質和量兩方面對國家戰(zhàn)略地位和今后的科技發(fā)展都產生重大影響的技術。3D打印技術正處于一個技術的井噴期，產業(yè)的起步期，企業(yè)的跑馬圈地期。

3D打印的任意性為產品和裝備的創(chuàng)新設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用兩個方面，我們必須有話語權。在航空件和高端醫(yī)療器械方面，要積極研究面對3D打印個性化制造產品準入的標準，以有利于新技術的應用。要加強基礎研究，發(fā)展原創(chuàng)技術，在3D打印的新材料研發(fā)，顯著提升打印件的質量和打印效率等方面有創(chuàng)新技術;要建立創(chuàng)新體系，為企業(yè)提供核心技術和共性技術;要攻克關鍵核心器件，打造產業(yè)鏈;要引導金融資本，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)勢在于質量過硬、基礎雄厚、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：一個比較完整的工業(yè)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(yè)2.0、3.0的補課(質量優(yōu)先、機器人和高檔數(shù)控機床等自動化技術)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(fā)展。如航空航天、汽車領域對高檔數(shù)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(yè)，同時形成高端裝備的雄厚發(fā)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(yè)的互動協(xié)同發(fā)展，是我們大國制造應該認真思考的問題。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。在新產品研發(fā)時，就開始與國產化制造裝備并行，注意第一罐奶粉效應。在民用領域。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缺位，需要創(chuàng)新思路，進行國家級創(chuàng)新中心建設。

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)在建設有67個專業(yè)研究所。每個研究所往往建設在大學附近，2-3名具有企業(yè)高管經(jīng)歷的教授領軍，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)他們的基礎研究與產業(yè)化技術之間存在鴻溝。于是啟動了制造創(chuàng)新網(wǎng)絡計劃。由NIST牽頭，收集社會建議與組織評審，成熟一個建設一個：已建有增材制造、輕量化、數(shù)字化設計制造等制造創(chuàng)新網(wǎng)絡。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，知識產權協(xié)議從研發(fā)開始，采取網(wǎng)絡化運行、重視創(chuàng)新工藝與標準的研究等。

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任務的道路。建設一批能協(xié)同社會創(chuàng)新資源，為產業(yè)提供核心技術與共性技術的創(chuàng)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(xié)同方面，應該正確理解企業(yè)為主體。企業(yè)要成為投資研發(fā)、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(yè)創(chuàng)新的積極性調動和發(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。

國家科研計劃應以標準、基礎研究為先，重視產業(yè)化共性技術，以創(chuàng)新思想、發(fā)明專利為評審依據(jù)。

在金融與科技、產業(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，如何引導金融資金更多更快地流向實體經(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鍵問題。

在人才協(xié)同方面，建立正確的學科評估標準，引導創(chuàng)新與工程能力培養(yǎng)。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(yǎng)一批工業(yè)4.0時代的企業(yè)家和科技領軍人，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)字化制造服務網(wǎng)、3D打印、性能測試服務網(wǎng)，由眾包完成產品的開發(fā)和數(shù)字化制造。用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)構成一個高技術的服務業(yè)，構建新機制的創(chuàng)新體系，驅動知識信息的流動。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。智能機床的關鍵就是信息獲取、工藝優(yōu)化軟件加上過程的質量控制。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量和加工效率。

數(shù)字化設計和3D打�。� 設計是形成產品創(chuàng)新價值的關鍵。高端服務業(yè)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打印可以是產品開發(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(chuàng)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(lián)網(wǎng)+先進制造業(yè)+現(xiàn)代服務業(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)新設計體現(xiàn)，一半以上的企業(yè)業(yè)務由眾包完成，一半以上的創(chuàng)新研發(fā)為極客創(chuàng)客實現(xiàn)。

盧秉恒院士在工作中

作者簡介：盧秉恒，1945年2月出生于安徽省亳州市，1967年畢業(yè)于合肥工業(yè)大學機械制造工藝與設備專業(yè)，后入職河南三門峽中原量儀廠，任工人、技術員、廠長;1979年考入西安交通大學機械自動化專業(yè)，師從顧崇銜教授，1983年、1986年分別獲得工學碩士及博士學位;1992-93年赴美國Michigan大學進行高訪，1993年任西安交通大學教授、博士生導師，2005年當選中國工程院院士。

現(xiàn)任西安交通大學機械工程學院院長、校學術委員會主任、快速制造國家工程研究中心主任、高端制造裝備2011協(xié)同創(chuàng)新中心主任。兼任國家自然科學基金交叉領域重大計劃"納米制造的基礎研究"指導專家組組長、國家重大科技專項"高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備"技術總師、國務院學位委員會機械學科評議組召集人、國家自然科學基金咨詢委員、中國機械工程學會副理事長、中國機械制造工藝協(xié)會副理事長、全國高校金屬切削機床研究會理事長等職。

近年主持國家科技攻關、973、863計劃、國家自然科學基金等項目40余項，主要研究方向：增材制造(3D打印)、數(shù)控機床、微納制造、生物制造等先進制造技術。

在國內倡導開拓了光固化快速成形制造系統(tǒng)研究，開發(fā)出國際首創(chuàng)的紫外光快速成型機及具有國際先進水平的機、光、電一體化快速制造設備和專用材料，形成了一套國內領先的產品快速開發(fā)系統(tǒng)。在汽車開發(fā)、農業(yè)節(jié)水、家電、飛機、軍工、醫(yī)療、科研等領域獲得了大量推廣應用。

在國內微納制造領域，首倡納米壓印的研究，主持撰寫了國家自然科學基金十一.五微納制造與系統(tǒng)的發(fā)展戰(zhàn)略研究報告。

在個性化匹配人工骨及生物活性人工骨的研究方面也取得了重要突破，并進入臨床實驗階段。

獲得國家及省部級獎勵多項。其中，2000年“激光快速成形若干關鍵技術與應用”獲得國家科技進步二等獎(第一獲獎人)、2001年獲全國五一勞動獎章及蔣氏基金會科技成就獎、2005年“抗堵農業(yè)滴灌器件主流道設計與快速開發(fā)”獲得國家技術發(fā)明二等獎(第一獲獎人)、2014年“個性化頜面骨替代物設計制造技術及應用”獲國家技術發(fā)明二等獎(第四獲獎人)及3項省部級科技一等獎。

發(fā)表論文400多篇，獲發(fā)明專利20余項。培養(yǎng)了100多名博士、碩士，其中，兩名獲全國百篇優(yōu)秀博士論文獎。


信息來源：3D打印在線