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对话卢秉恒院士:3D打印与智能制造的机遇与挑战

2016年04月21日 11:39中国机床商务网作者:石伟 李红点击:3964

  【中国机床商务网 机床上下游】习近平总书记强调:“我们必须增强忧患意识,敏锐把握世界科技创新发展趋势,紧紧抓住和用好新一轮科技革命和产业变革的机遇。”当前,以信息技术与制造技术深度融合为特征的智能制造模式,正在引发整个制造业的深刻变革。作为制造业有代表性的颠覆性技术,3D打印正逐步成为世界各国抢占未来产业制高点的焦点领域。要推动中国制造由大变强,实现向智能制造转型,必须了解认知3D打印和智能制造。为此,我们专门采访了中国工程院院士卢秉恒。
  
  作为我国机械制造与自动化领域的著名科学家,您在国内倡导并开拓了3D打印等先进制造技术的研究。能否请您给我们介绍一下,什么是3D打印?
  
  卢秉恒:从制造方式上看,制造技术可以分为三类。一种是等材制造,铸、锻、焊在制造过程中重量基本不变,已经有3000年历史了。一种是减材制造,车铣刨磨机床通过材料的切削去除,达到设计形状,已有300年的历史。还有一种是增材制造,在制造过程中材料一点一点地累加,形成需要的形状,才30年的历史。
  


中国工程院院士卢秉恒
  
  3D打印就是增材制造技术,原理是将计算机设计出的三维模型分解成若干层平面切片,然后把打印材料按切片图形逐层叠加,最终堆积成完整的物体。
  
  3D打印是一项颠覆性的创新技术,被美国自然科学基金会称为20世纪最重要的制造技术创新。麦卡锡报告列出了对人类生活有颠覆性影响的12项技术,3D打印排在第九位,在新材料和页岩气之前。麦卡锡报告预测在2030年3D打印将在全世界达到1万亿美元左右的效益。2015年麦卡锡报告又将这一进程前移,认为增材制造2020年可达到5500亿美元的效益。
  
  您刚才说3D打印是一项颠覆性的创新技术,那么它与传统制造技术相比具有什么样的特点和优势呢?
  
  卢秉恒:3D打印的特点和优势很多。
  
  3D打印应用非常广泛。3D打印可以打印许多材料、任意复杂形状、任意批量,可以应用于各工业和生活领域,可以在车间、办公室及家里实现制造。在理论上,3D打印无处不在,无所不能。但许多材料的打印、工艺的成熟度、打印成本、效率等尚不尽如人意,需要多学科交叉的创新研究,使之更好、更快、更廉价。
  
  3D打印支持产品快速开发。3D打印可以制造形状复杂的零件,所想即所得。直接由设计数据驱动,不需要传统制造必须的工装夹具模具制造等生产准备,编程简单。在产品创新设计与设计验证中,特别方便,可以使产品开发周期与费用至少降低为一半。3D打印已经成为机电产品和装备快速开发的利器。
  
  3D打印是节材制造技术。航空航天等大型复杂结构件,传统上往往采用切削加工,95%~97%的昂贵材料被切除。相比而言,3D打印仅在需要的地方堆积材料,材料利用率接近100%。3D打印大大节约了材料和制造成本。在航空航天装备研发及制造中有极其重要的价值。
  
  3D打印是个性化制造技术。3D打印可以快速、低成本实现单件制造,使单件制造的成本接近批量制造。因此,3D打印特别适合个性化医疗和高端医疗器械,如人工骨、手术模型、骨科导航模板等。3D打印还是再制造技术,可以用于修复磨损零部件的再制造,如飞机发动机叶片、轧钢机轧辊等。它可以以极少的代价,获得超值。所以,3D打印应用在军械、远洋轮、海洋钻井平台乃至空间站的现场制造上,都具有特殊的优势。
  
  3D打印开拓创新设计的新空间。3D打印可以制造传统制造技术无法实现的结构,为设计创新提供了非常大的创新空间。可以将数十个、数百个甚至更多的零件组装的产品一体化一次制造出来,大大简化了制造工序,节约了制造和装配成本。以3D打印新工艺的视角对产品、装备再设计,可能是3D打印为制造业带来的最大效益所在。值得注意的是,近两年,3D打印已经显现出颠覆性变革。如GE公司做的飞机发动机的喷嘴,把20个零件做成了一个零件,成本材料大幅度减少,还节省燃油15%。这是一代发动机的概念。过去,每开发一代发动机要上亿欧元,现在一个喷嘴就解决了。美国3D打印的概念飞机,重量可以减轻65%。
  
  3D打印引领生产模式变革。以后,3D打印可能成为可穿戴电子、家居用品、文化产业、服装设计等行业的个性化定制生产模式。一些专家甚至认为,3D打印等数字化设计制造将引领生产从大批量制造走向个性化定制的第三次工业革命。
  
  3D打印是创客最欢迎的工具。GE公司在网上发布了一条消息,挑战3D打印,将飞机的一个零部件让创客设计。第一名只用了原始结构的1/6的重量就完成了全部测试,而设计者是19岁的年轻人。3D打印展现了全民创新的通途。另外,互联网 3D打印的制造模式也很值得关注:通过收集大众的个性化需求,由创客完成设计,设计方案由3D打印件进行验证,再由虚拟制造组织生产,由物联网来配送。美国众创公司有15000名访客、6000名创客。亚马逊利用网络销售3D打印商品,营业额已达数十亿美元,利润30%。今后,对于我国而言,互联网 3D打印很可能是推动大众创业、万众创新的亮点。
  
  3D打印有利于创材和创生。在创材方面,3D打印制造出了耐温3315℃的高温合金,用于龙飞船2号,大幅度增强了飞船推力。利用3D打印高能束的集中能量,以3D打印设备作为材料基因组计划的研制验证平台,可以开发出超高强度、超高韧性、超高耐温、超高耐磨的各种优秀材料,增材制造变成为创材技术。在创生方面,3D打印应用于组织支架制造、细胞打印等领域,实现了生物活性器官的制造,一定意义上在创造生命。3D打印可以为生命科学研究和人类健康服务。
  
  我刚才所讲的3D打印支持产品快速开发、制造节材、个性化制造以及再制造等方面,目前已经进入应用。今后,研究的重点是建立各类标准,使其能更广泛地应用,发挥更大的效益。
  
  3D打印开拓创新设计的新空间、引领生产模式变革方面,是现在和将来都要持续、深入研究的重要方向。在今后的5—15年中,它将会带来重要效益。在引起制造业逐渐量变的同时,近一半的产品将实现个性定制化生产。
  
  3D打印的创材与创生方面,则更将为未来材料科学和技术、生命科学和医疗技术带来巨大颠覆性变革。
  
  当前,世界各国都非常重视3D打印,我国在这方面的研究也有较好的基础。能否请您介绍一下我国3D打印技术目前的发展状况?
  
  卢秉恒:你说的没错。3D打印的科研方面,我国的研究起步并不晚,20世纪90年代初期,清华大学、西安交通大学、华中科技大学就开始了研究,“九五”期间,已经基本掌握了当时的几种主流技术,掌握了其制造工艺和软硬件控制技术,开发了这些技术装备,开展了推广应用。90年代末,北京航空航天大学、西北工业大学等单位开始了金属材料增材制造研究,可以制造与锻件性能媲美的大型构件。目前我国依靠自己开发的大型金属3D打印设备,在飞机大型承力件应用方面处于国际领先,在军机、大飞机研发中,充当了急救队的作用。而且,钛合金大型结构件已经率先应用于飞机起落架及C919的研发中。可以说,目前中国在3D打印方面的研究已处于国际前列,如论文和申请专利的数量处于世界第二。
  
  在应用方面,我国工业级设备装机量居全世界第四,但金属打印的商业化设备还比较薄弱,主要还依靠进口。非金属工业型打印机,我国60%以上立足国内。小型FDM打印机,已批量出口,销量跻身世界前列。但国产工业级装备的关键器件,如激光器、光学振镜、动态聚焦镜、打印头等还主要依靠进口。工业级3D打印材料的研究刚刚起步,除了个别研发能力强的公司研发了少量材料外,3D打印的材料基本依靠进口。
  
  从产业发展看,我们发展得还是太慢。美国有两家最大的3D打印公司,2015年达到近10亿美元的规模。而我们企业基本是校办企业起家,最多1个多亿人民币产值。现在进口设备大举“进攻”中国市场。金属打印装备,国外则实行材料、软件、设备、工艺一体化捆绑销售。我们必须研发核心技术与原创技术,打造自己的创新链与产业链。现在国内已经有若干3D打印公司上市,科技开始与资金结合,这是一个良好的开端。
  
  当前,3D打印技术正处于一个技术的井喷期、产业的起步期、企业的“跑马圈地”期。我们应该抓紧标准的研究,3D打印的数据标准可能影响到装备和应用两个方面,对此我们应该掌握话语权。在航空件和高端医疗器械方面,要积极研究面对3D打印个性化制造产品准入的标准,以利于新技术的应用。要加强基础研究,发展原创技术,在3D打印的新材料研发、显著提升打印件的质量和打印效率等方面实现创新;建立创新体系,为企业提供核心技术和共性技术;攻克关键核心器件,打造产业链;引导金融资本,助推3D打印企业做大做强,形成若干个具备国际竞争规模的企业。
  
  以3D打印为代表的制造业先进技术,正在推动我国制造业由大变强,向智能制造转型。请问您怎么看待我国的智能制造?对于我国制造业的发展,您有什么建议?
  
  卢秉恒:比较中、德、美三国,德国的工业优势在于质量过硬、基础雄厚、工艺严谨;美国的优势在于:社会创新、高科技优势、集全球资源与精英;而我们中国的重要优势是:一个比较完整的工业体系、内需市场巨大、人力资源丰富。
  
  面对我们存在的阶段性差距,需要工业2.0、3.0的补课(质量优先、机器人和高档数控机床等自动化技术)的同时,发展工业4.0。因此需要追赶与跨越并举;必须发挥政府科学而有力的调控作用,汇集有限的社会资源,做好协同创新。
  
  我们巨大的市场需求,必须保护,充分利用,以引导和支持我们的装备制造。一个领域的需求,就可以带动一个装备领域的发展。如航空航天、汽车领域对高档数控机床的需求。我们如何通过大飞机、两机专项及军工技术改造的机遇,拉动我国的机床工业,同时形成高端装备的雄厚发展基础?建议项目采购采取信息安全的一票否决制。各项计划、各个行业的互动协同发展,是我们大国制造应该认真思考的问题。
  
  我国可以参考德国、美国两国路径,探索适用我国国情及能实现中国制造2025任务的道路。建设一批能协同社会创新资源,为产业提供核心技术与共性技术的创新中心。避免科技资源的浪费和低水平的重复研究。
  
  在产学研协同方面,应该正确理解企业为主体。企业要成为投资研发、应用成果、集成成果的主体。产学研形成长效合作机制,把科研机构、人员与企业创新的积极性调动和发挥出来。在全社会的协同机制方面,加强科技计划协同,按技术成熟度,各部委分工协作,各计划形成接力。国家科研计划应以标准、基础研究为先,重视产业化共性技术,以创新思想、发明专利为评审依据。
  
  在金融与科技、产业的协同方面,改善制造业的资金环境。如何引导金融资金更多更快地流向实体经济、流向有潜力的先进制造业,加强资金对创新的支持力度,让创新力量及时得到资金支持,这是中国制造2025能否顺利实施的重要关键问题。
  
  在人才协同方面,建立正确的学科评估标准,引导创新与工程能力培养。倡导科研人员的论文更多地写在产品上,写在装备上。中国制造2025还需要培养一批工业4.0时代的企业家和科技领军人,既精通制造工艺,又具有互联网思维,能充分利用社会创新资源。创新型社会还需要一大批创客、极客,需要马斯克式的人物,有浓厚的科学兴趣和强烈的创新欲。
  
  中国制造2025的主攻方向和带动性技术是发展智能制造。智能制造主要是工业互联网和底层智能化两部分。
  
  在工业互联网方面,要形成一个万众创客网、CAD/CAE/CAM数字化制造服务网、3D打印、性能测试服务网,由众包完成产品的开发和数字化制造。用工业互联网构成一个高技术的服务业,构建新机制的创新体系,驱动知识信息的流动。企业的资源是有限的。我们用互联网把全国的、全社会的乃至全球的人才、资源都集中到一块,达到社会资源的优化组合,这就是智能制造的精华。走出工厂的围墙。让知识流动起来,补足中国制造业开发能力弱的短板。这就是互联网带动制造业发展的真谛,最大的效益所在。
  
  在底层智能化方面,主要是机器人、智能制造装备和3D打印。机器人是提高生产柔性、提高效率、降低成本的工具。智能机床的关键就是信息获取、工艺优化软件加上过程的质量控制。智能机床能够监控加工的状态并对被加工件所达到的精度做出判断和控制。它能成倍地提高加工质量和加工效率。数字化设计和3D打印中,设计是形成产品创新价值的关键。高端服务业提供设计工具、设计师和产品结构的CAE分析,而3D打印是验证设计的快速手段。3D打印可以使产品开发周期与费用降低到1/3-1/5,3D打印支持定制化生产模式。尤其重要的是,3D打印使设计师摆脱了许多可制造性的约束,极大地释放了设计创新空间,如果说机器人是今天的技术,那么3D打印是更加深刻影响今天和明天、乃至后天的技术。
  
  互联网+先进制造业+现代服务业,可以成就制造业美好的未来,制造业可能的前景是:一半以上的制造为个性化及定制,一半以上的价值由创新设计体现,一半以上的企业业务由众包完成,一半以上的创新研发为极客创客实现。
(来源:学习时报)

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