中国工程院院士谈：3D打印与智能制造

1、.3D打印和智能制造中国工程院院士吕秉恒答本报记者问资料来源：学习时报作者：石伟李红2016-04-14编者依据：习近平总书记强调：“我们必须增强忧虑意识，敏锐地把握世界科技创新的发展趋势，抓住和利用新的科技革命和产业变革的机遇。” 目前，以信息技术和制造技术深度融合为特征的智能制造模式正在引起制造业整体的深刻变革。 作为制造业代表性的霸权技术，3D印刷已经成为世界各国夺取未来产业顶点的焦点领域。 要大力加强中国制造，实现智能制造的转型，必须理解认知的3D印刷和智能制造。 为此，我们采访了中国工程院院士吕秉恒。记者：卢院士，你好。 作为我国机械制造和自动化领域的著名科学家，在国内提倡和开拓了3

2、D印刷等先进的制造技术的研究。 能给我介绍一下什么是3D打印吗？吕秉恒：从制造方式来看，制造技术可分为三种。 一是等材制造，铸造、锻造、焊接在制造过程中重量几乎不变，已有3000年的历史。 一是减材制造，铣削加工机通过材料切削去除，达到设计形状，已有300年的历史。 另一种是增材制造，在制造过程中材料一点一点地积蓄，形成必要的形状，是30年的历史。3D印刷是增材制造技术，原理是将计算机设计的三维模型分解成几层平面片，将印刷材料按片段图案叠加，最终堆积到完成的物体上。3D打印是霸权创新技术，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。 麦卡锡列举了12种对人类生活有霸权影响的技术，3D

3、打印排在第9位，排在新材料和页气之前。 麦卡锡预测2030年3D打印将在世界上受益1兆美元左右。 2015年麦卡锡报告称，推进这一过程，增材制造在2020年达到5500亿美元的利润。记者：刚才我说3D打印是一种霸权创新技术，它与传统制造技术相比有什么特点和优点？吕秉恒： 3D打印的特点和优点很多。三维印刷的用途非常广泛。 3D印刷可印刷多种材料，任何复杂形状，任何批次，可应用于各工业和生活领域，可在工厂、办公室和家里制造。 理论上，三维打印无处不在。 但是，许多材料的印刷、技术成熟度、印刷成本、效率等还不够，需要很多学科交叉的创新研究，使之更好、更快、更便宜。快速开发三维打印支持产品。 3D打

4、印可以制造形状复杂的零件。 由于是根据设计数据直接驱动的，所以不需要以往制造所需的工装夹具、模具制造等生产准备，编程简单。 在产品创新设计和设计验证中特别方便，可以将产品开发周期和费用至少减少一半。 三维印刷已经成为机电产品和装备的快速开发工具。3D印刷是节材制造技术。 航空宇宙等大型复杂的构造物，传统上采用切削加工，95%97%的高价材料被切除。 相比之下，3D打印只在必要的地方堆积材料，材料利用率接近100%。 三维打印大大节省了材料和制造成本。 对航空航天设备的开发和制造有着极其重要的价值。3D打印是一种个性化的制造技术。 3D印刷，能够以高速、低成本实现单品制造，使单品制造的成本接近于

5、批量生产。 因此，3D印刷特别适用于个人化医疗和高端医疗设备，如人工骨、手术模型、骨科导航模板等。 3D印刷和再制造技术可以用于飞机发动机的叶片、轧机的轧辊等磨损部件的再制造。 以很小的成本就能获得价值。 因此，3D印刷应用于武器、远洋轮、海洋钻井平台、空间站现场制造，具有特殊的优势。三维印刷开拓了创新设计的新空间。 3D打印可以制造出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。 可以一次制造组装了数十个、数百个、更多零件的产品，大幅度简化了制造工序，节约了制造和组装成本。 以3D打印新技术的角度重新设计产品、装置可能是3D打印给制造业带来的最大利益。 值得注意的是，近两年来

6、，3D印刷已经显示了霸权变革。 就像PS公司制造的飞机发动机喷嘴一样，20个零件合为一个零件，成本材料大幅减少，燃料节约了15%。 这是世代引擎的概念。 以前，每次开发一代发动机都需要亿欧元，现在用一个喷嘴解决了。 美国的三维印刷概念飞机可以减少65%的重量。3D印刷引领生产模式的变革。 今后，3D印刷有可能成为电子、家庭用品、文化产业、服装设计等行业的定制生产模式。 有些专家甚至认为，3D印刷等数码设计制造会将生产从大量生产引导到定制的第三次产业革命。3D打印是创造者最受欢迎的工具。 PS公司在互联网上发表了挑战3D打印，让创造者设计飞机零件的消息。 第一名以原始结构的1/6的重量结束了所有

7、的测试，但设计者是19岁的年轻人。 3D印花标志着全国人民的革新之路。 此外，网络3D印刷的制造模式也备受瞩目：收集群众的个人需求，由创造者完成设计，用3D印刷验证设计方案，虚拟制造组织生产，并通过物联网发送。 美国的创业公司有15000名来访者和6000名创业者。 亚马逊通过互联网销售3D印刷商品，销售额达数十亿美元，利润达30%。 今后，对中国来说，互联网3D打印很有可能成为推动群众创业、推动群众创新的亮点。3D打印很有创造性和创造性。 在创材方面，通过3D印刷制造耐温3315的高温合金，用于龙宇宙船2号，大幅度增强了飞船的推力。 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

8、计划的开发验证平台，可以开发出超高强度、超高韧性、超高耐高温、超高耐磨性的各种优秀材料，增材制造成为创材技术。 在创造方面，3D印刷应用于组织支架制造、细胞印刷等领域，实现生物活性器官的制造，在一定意义上创造了生命。 3D打印可以服务于生命科学研究和人类健康。刚才提到的三维印刷支持产品的迅速开发、节材的制造、个性化制造、再制造等方面，现在已经进入应用。 今后研究的重点是建立各种标准，广泛应用，发挥更大的利益。3D印花是开拓创新设计新空间、引导生产模式变革的一个重要方向，是现在和未来都要持续、深入研究的重要方向。 在今后的515年中，会带来重要利益。 在制造业逐渐增加数量的同时，近一半的产品实现

9、个性定制生产。3D印刷的创材和创制面会给未来的材料科学和技术、生命科学和医疗技术带来很大的霸权变革。记者：现在世界各国非常重视三维印刷，为我国在这方面的研究也有很好的基础。 你能介绍一下我国三维打印技术现在的发展情况吗？吕秉恒：是啊。 在3D打印科学研究方面，中国的研究起步并不晚，20世纪90年代初，清华大学、西安交通大学、华中科技大学开始研究，“九五”期间已经基本掌握了当时的一些主要技术，掌握了其制造技术、硬件和软件控制技术，并开发了这些技术装备90年代末，北京航空宇宙大学、西北工业大学等部门开始了金属材料的增材制造研究，能制造出可与锻造品性能相媲美的大型部件。 目前，中国依靠自己开发的大型

10、金属3D印刷设备，在飞机大型耐力材料的应用上处于国际领先地位，在军机、飞机的研发上起到了急救队的作用。 而且，钛合金的大型构造物率先应用于飞机起落架和C919的开发。 目前，中国的3D印刷研究已经处于国际领先地位，论文和专利申请数量居世界第二。在应用方面，中国工业级设备的设备量居世界第四位，但金属印刷商业化设备还很薄弱，主要依靠进口。 非金属工业型打印机，超过60%的中国立足于国内。 小型FDM打印机大量出口，销量居世界前列。 但是国产工业级装备的关键部件，如激光、光学振动镜、动态聚焦镜、印刷头等主要依赖进口。 刚开始研究工业级3D印刷材料，除了个别研发能力高的公司开发了少量的材料外，3D印刷

11、材料基本上还依赖进口。从产业发展来看，我们发展得还很慢。 美国有两家最大的三维印刷公司，2015年达到了约10亿美元的规模。 我们企业基本上由学校经营企业创业，最多有1亿元以上的产值。 目前，进口设备正在“攻击”中国市场。 金属印刷设备在海外将材料、软件、设备、技术一体化销售。 我们必须开发核心技术和原始技术，构建自己的创新链和产业链。 目前国内已有几家3D印刷公司上市，科技开始与资金结合，这是个好的开始。目前，3D打印技术正处于技术井喷期、产业起步期、企业“走马丸地”期。 我们必须抓紧标准的研究。 3D打印的数据标准可能影响装备和应用两方面。 对此，我们必须掌握发言权。 在航空零件和高端医疗

12、设备方面，积极研究个人制造产品面向3D印刷的准入标准，有利于新技术的应用。 加强基础研究，发展原始技术，建立在开发3D打印新材料、提高打印质量和打印效率等方面实现创新的创新体系，攻克为企业提供核心技术和通用技术的重要核心设备，构建产业链引导金融资本，使3D打印企业大幅增长记者：以3D印刷为代表的制造业先进技术，中国的制造业越来越大，正在推进智能制造的变革。 你怎么看我国智能制造？对我国制造业的发展，你有什么建议？吕秉恒：比较中，德、美三国、德国的工业优势质量严格、基础雄厚、技术严格的美国优势是，社会创新、高科技优势、聚集全球资源和精英的中国重要优势是，比较完善的工业体系、内需市场巨大、人才丰富

13、面对我们存在的阶段性差异，在需要工业2.0、3.0补习(质量优先、机器人和高级数控机床等自动化技术)的同时，还需要工业4.0发展。 因此，必须追赶克服政府科学和强大的控制作用，聚集有限的社会资源，进行协同创新。我们巨大的市场需求必须保护和利用我们的装备制造来引导和支持。 某个领域的需求可以带动装备领域的发展。 例如航空宇宙、汽车领域对高级数控机床的需求。 我们如何通过大型飞机、两机专业和军需技术改造的机会，牵引中国机床工业，同时为高端装备形成充分的发展基础？ 建议项目购买采用信息安全的一票拒绝制。 各项计划、各行业的相互合作发展，是我们大国制造应该认真考虑的问题。我国可以借鉴德国和美国两国的路

14、径，探索我国国情和实现中国制造2025任务的道路。 建立能与社会创新资源合作，为产业提供核心技术和共同技术的创新中心。 避免技术资源浪费和低水平重复研究。在产学研合作方面，要正确理解企业是主体。 企业成为投资研发、应用成果、集成成果的主体。 产学研形成长期合作体制，调动科研机构、人员和企业创新的积极性。 在整个社会的协同机构中，加强科技计划合作，按照技术成熟度，各部委分工合作，各计划形成接力。 国家科研计划应该以标准、基础研究为先，重视产业化共同技术，以创新思想、发明专利为审查依据。在金融和科技产业合作方面，改善制造业的资金环境。 使金融资金更快流向实体经济，流向有潜力的先进制造业，加强资金对

15、创新的支持力，及时获得创新力的资金支持，是我国制造2025能否顺利实施的重要问题。在人才合作方面，确立正确的学科评价标准，引导创新和工程能力的培养。 提倡科研人员的论文多写在产品上，写在装备上。 中国制造2025需要培养工业4.0时代的企业家和科技领袖，精通制造技术，具有互联网思考，可以利用社会创新资源。 创新型社会需要很多创始人、极客，需要口罩式的人物，有科学的兴趣和强烈的创新欲。中国制造2025的主要攻击方向和推进技术是发展智能制造。 智能制造主要是工业互联网和基础智能两部分。在工业互联网方面，形成了万人的创造者网络、CAD/CAE/CAM数字制造服务网络、3D打印、性能测试服务网络，完成

16、产品的开发和数字制造。 在工业互联网上组成高科技服务业，构建新机制创新体系，推进知识信息流。 企业的资源有限。 我们使用互联网把全国、整个社会的人才、资源汇集在一起，达到社会资源的最佳组合，这是智能制造的精华。 走出工厂的围墙。 流动知识，弥补中国制造业开发能力弱的短板。 这是互联网发展制造业的真正目的，是最大的利益。在基础智能方面，主要是机器人、智能制造设备和3D打印。 机器人是提高生产灵活性、提高效率、降低成本的工具。 智能机床的关键是信息获取、流程优化软件和流程质量管理。 智能机床可以监视加工状态，判断和控制被加工材料达到的精度。 能加倍提高加工品质和加工效率。 在数字设计和三维印刷中，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