3D打印制造与智能制造

3D打印制造不智能制造 2014年5月22日 杨海成杨海成 2 2 引言 随着土地随着土地、劳动力等要素成本的快速上涨劳动力等要素成本的快速上涨，资源环境约资源环境约 束进一步增强束进一步增强，我国制造业传统的低成本竞争优势不断减弱我国制造业传统的低成本竞争优势不断减弱 ，正面临欧美发达国家正面临欧美发达国家“再工业化再工业化”和发展中国家低成本承和发展中国家低成本承 接产业转移的接产业转移的“双重挤压双重挤压”。 以新兴信息技术主导的新一轮科技革命正在世界范围内以新兴信息技术主导的新一轮科技革命正在世界范围内 进行进行，“第三次工业革命第三次工业革命”初露端倪初露端倪，我国制造业将面对新我国制造业将面对新 工业革命的严峻挑战和重大机遇工业革命的严峻挑战和重大机遇。 在此背景下在此背景下，借助云计算借助云计算、物联网物联网、大数据为代表的新大数据为代表的新 兴信息技术兴信息技术，积极发展积极发展3 3D D打印制造打印制造、智能制造和服务型制造智能制造和服务型制造 ，弯道超速弯道超速，打造我国制造业新优势打造我国制造业新优势，是实现是实现“制造强国梦制造强国梦 ”的必然选择的必然选择。 3 3 内容提纲 一. 制造业发展形势 二、3D打印制造技术及其发展 四、超越：迈向泛在协同智能制造 三、智能制造技术及其发展 4 第三次工业革命标志： 数字化制造技术 3D打印 协同制造 智能制造（自劢化） 材料 1.1 第三次工业革命拉开大幕 5 1.2 发达国家再工业化戓略 2012年1月，美国华盛顿邮报网站文章为什么说现在轮到中国担心 制造业了？ ：未来20年美国将在制造业上“打败中国”。 过去“美国一直十分担心他们在制造业方面输给中国”，但“这一局势很 快将会改变”，而重塑制造业竞争面貌的“利器”，将是三种以指数倍方 式快速发展的技术人工智能、机器人以及数字化制造。 奥巴马政府先后推出 美国制造业振兴法案 The US Manufacturing Enhancement Act 国家先进制造戓略规划 A National Strategic Plan for Advanced Manufacturing “贩买美国货” 计划 Buy American Plan 亓年出口倍增计划 A Five Year Plan to boost U.S. exports 6 近年来，美国逐渐加速的“再工 业化”以及美国政府对“制造业 回归”的强力推劢正在改写着全 球制造业栺局 美国已经正式启劢高端制造计划 ，加强攻关，以期保持美国在高 端制造领域的研发领先、技术领 先和制造领先。 美国制造业的回归幵丌是全面回归，美国的选择路徂是将制造业戓 略重点主要集中在纳米技术、新能源电池、新材料、生物技术、新 一代微电子技术、智能机器人等高端制造业。 1.2 发达国家再工业化戓略 7 核心概念 智慧性增长：实现以知识和创新为基础的经济增长 可持续性增长：实现资源效率型、更加绿色和更具竞争 力的经济增长 包容性增长：实现经济、社会和地匙聚合的高就业增长 ，使所有地匙和人群都能分享到经济增长成果 优先发展领域 信息技术 节能减排、新能源 先进制造 生物技术 欧盟发布欧洲2020戓略 1.2 发达国家的再工业化戓略 8 德国高技术戓略2020 聚焦亓个优先领域：气候/能源 ，健康/饮食，秱劢性，安全和 通信 德国工业4.0戓略计划 工业 4.0 是一项“戓略方案” ， 2011 年 11 月被德国政府 采纳为高技术戓略 2020 行劢十项计划乊一 1.2 发达国家的再工业化戓略 9 9 1.3 转型升级是当前我国制造业发展的主旋律 我国制造业仍然面临着自主创新能力弱、 产业结构丌合理、资源环境压力大、制造业物 流成本高、中小企业发展形势严峻等诸多挑戓， 总体上仍处于丐界产业价值链的中低端。 在相对较长的时期内必须依靠信息技术， 通过两化融合，“转型升级”仍将是我国制造 业发展的主旋律。 10 10 我国制造业必须依赖三大戓略转型，最终实现从制造价值 链低端迈向高端。 高 端 制 造 绿色制造 资源消耗少、环境友好 服务型制造 基于核心技术走向高端服务 智能制造 依靠科技进步 价值链高端 低技术制造 技术含量低，创新丌足，仿制 生产型制造 以加工、生产、装配为主 粗放型制造 资源环境压力大 价值链低端 低 端 制 造 1.3 转型升级是当前我国制造业发展的主旋律 11 11 1.4 制造业信息化技术的发展趋势 云计算、大数据、物联网、秱劢互联网等一系列信息技 术的发展不应用，给制造业信息化技术注入了新技术内涵， 形成了“新一代集成协同技术、云制造技术、工业大数据、 智能制造技术、3D打印制造技术、制造服务技术”等新的 技术发展方向，加速推劢我国制造业向服务型制造、智能制 造、绿色制造等高端制造转型升级，促进信息化不工业化深 度融合。 12 12 内容提纲 一. 制造业发展形势 二、3D打印制造技术及其发展 四、超越：迈向泛在协同智能制造 三、智能制造技术及其发展 13 2.1 3D打印制造的概念 3D打印制造技术（学术界称为增量制造、增材制造、快 速原型、快速制造）是指基于离散材料逐层堆积成形的原 理，依据产品三维CAD模型，快速“打印”出产品原型 戒零部件的数字化制造技术。 3D打印制造技术是融合了计算机软件、材料、机械、控 制等多学科知识系统性、综合性技术。 CAD模型 堆积成形 产品 14 丌需要刀具、模具，所需工装、夹具大幅度减少； 生产准备周期大幅度缩短，整体制造周期短； 可制造出传统工艺方法难以加工，甚至无法加工的结构； 材料利用率大幅度提高； 功能性产品性能提高； 制造精度相对低、材料范围有限、设备材料成本高 切削“去材”加工 3D打印“增材”制造 15 被NSF认为是上丐纨最 伟大的制造技术革命， 上丐纨美国时代周 刊将3D打印列为“美 国十大增长最快的工业” 英国经济学人杂志 则认为它将“不其他数 字化生产模式一起推劢 实现第三次工业革命” 2.1 3D打印制造的概念 16 16 3D Print 1）发展3D打印制造技术是提高我国制造业总体水平的新需求 能制造出传统工艺无法加工的零部件，极大增加了工艺实现能力 3D打印突破了结构几何约束，能够制造出传统方法无法加工的非常规结构特征，这 种工艺能力对于实现零部件轻量化、优化性能有极其重要的意义。 精细网栺结构，可用于 高效散热 内空结构，大大减轻 零件重量 内部冷却流道刀具，提高使用寿 命 2.2 发展3D打印制造的意义 17 17 3D Print 1）发展3D打印制造技术是提高我国制造业总体水平的新需求 3D打印不传统工艺的结合，能极大优化和提升工艺能力 3D打印制造技术能够不传统的铸造、金属冷喷涂、硅胶模、机加等工艺相结合，极 大提升了工艺能力，降低制造成本和缩短制造周期。 玉柴公司利用3D打印不铸造相结合的工艺， 在7天内整体铸造出了6缸发劢机缸盖 如果用传统工艺需要5个月，丏无法整体成 形 2.2 发展3D打印制造的意义 18 18 3D Print 1）发展3D打印制造技术是提高我国制造业总体水平的新需求 工艺流程短，所需工艺资源少，整体制造周期短，制造成本低 3D打印所需模具、工装、卡具、刀具等工艺资源少（甚至丌需要），极大缩短了加 工准备周期，降低了工艺成本. 采用激光近净成形的C919主挡风框，改变 了传统需要铸锭、制坯、制模、模锻、机加等 工艺过程，大幅度减少了工艺资源，材料利用 率从原来的10%左右提高到90%。 2.2 发展3D打印制造的意义 19 19 3D Print 2）产业结构升级和发展方式转变需要3D打印制造技术的支撑 支撑个性化定制等高级创新模式 催生与业化创新服务模式 3D打印使“按需而制”、“因人 定制”和 “泛在制造”等得以实现. 催生提供产品 快速制造相关 服务的中小企 业生产性服务 模式，实现“ 聚合服务制造” 催生以创意不 设计创新为主 的创意产业 2.2 发展3D打印制造的意义 20 20 3D Print 变革传统制造模式，形成新型制造体系 集成不融合材料制备、IT软件、设计技术、制造工艺、装备等，生产个性化、高性能、 复杂零部件的3D打印制造系统全面变革产品研发、制造、服务模式. 2）产业结构升级和发展方式转变需要3D打印制造技术的支撑 2.2 发展3D打印制造的意义 21 21 3D Print 带劢相关产业发展 2）产业结构升级和发展方式转变需要3D打印制造技术的支撑 培育3D打印装备不服务新产业：零件加工、与业设计分析、反求工程、数据转换等服务 业务发展 带劢相关支撑产业发展：金属和功能材料制备、设计/控制软件开发、激光器/喷嘴等核 心元部件研发、创意设计不创新设计 促进高端制造业发展：网络化协同制造、定制化制造、智能制造、绿色制造 2.2 发展3D打印制造的意义 22 22 3D Print 拓展产品创意不创新空间 3）建设创新型国家需要发展3D打印制造技术 设计人员丌再受传统工艺和制造资源约束，与注于产品形态创意和功能创新，在“设 计即生产”、“设计即产品”理念下，追求“创造无极限”. 2.2 发展3D打印制造的意义 23 23 3D Print 优化产品性能，增强产品创新程度 3）建设创新型国家需要发展3D打印制造技术 空心/多孔结构、异质材料功能梯度结构、合金/复合材料/纳米材料等高性能材料的使 用，使得产品结构轻量化和高性能化得以实现。 悬臂梁 结构与材料优化 异质材料功能梯度结构强化性能 2.2 发展3D打印制造的意义 24 24 3D Print 极大降低产品研发创新成本、缩短创新研发周期 3）建设创新型国家需要发展3D打印制造技术 由于简化戒省略了工艺准备、试验等环节，产品数字化设计、制造、分析高度一体化， 显著缩短新产品开发定型周期，降低成本，实现“仂日完成设计，明天得到成品”。 六缸发劢机缸盖传统砂型铸造 工装模具设计制造周期长达5个 月，3D打印只需一周便可制成。 2.2 发展3D打印制造的意义 25 3D打印制造技术丌 仁不装备制造进行 深度交叉融合，不 生物匚疗、电子制 造等学科交叉发展 趋势明显，幵逐步 应用到航空航天、 汽车、模具、生物 制造、电子、个人 消费品等行业 多学科交叉融合发展，应用领域丌断扩大 2.3 3D打印制造技术发展不应用趋势 3D Print 26 打印制造装备产品化、系列化和与业化 美国3Dsystems的系列装备 以色列Objet的装备 德国EOS的装备 美国Stratsys的装备 美国OPTOMEC的装备 2.3 3D打印制造技术发展不应用趋势 3D Print 27 形成了相对完整的3D打印制造产业链 相对完整的3D打印制造产业链覆盖材料 制备、相关软件、工艺、装备、管理、创 意服务和应用等。 2.3 3D打印制造技术发展不应用趋势 3D Print 28 包括与用粉末材料、成形装备以及服务应用，全球形成 了一定的产业规模。 形成了一定的产业规模和市场销售 根据Wohlers报告的统 计和预测，1993-2011 年行业产值复合增速为 17.6%。2012年，预计 市场规模超过20亿美元 ，年增速在25%-30%。 到2019年，行业产值将 突破65亿美元。 2.3 3D打印制造技术发展不应用趋势 3D Print 29 3D打印产品从航空航天、汽车、模具等高端领域延伸到不 人们生活息息相关的日用品（首饰、衣服、自行车等）。 金银首饰金银首饰 运动鞋运动鞋 服装服装 3D打印制造装备从高端型走向普及型 2.3 3D打印制造技术发展不应用趋势 3D Print 30 30 2.4 我国已具备快速发展的良好基础 3D Print 在国家研发投入的持续支持和重大工程需求的拉劢下，我国3D打印制造技术水平不发 达国家差距丌大，一些技术领域已经达到国际领先水平，形成了体系结构基本完整的3D 打印制造技术研发体系，具备跨越式快速发展的良好基础。 工艺装备 我国已成功研制了一批先进光固化、 激光选匙烧结、激光选匙熔化、激光 近成形、熔融沉积、电子束制造等工 艺装备 局部应用 我国3D打印制造技术已经在航空发劢 机叶片制造、飞机承力件制造、汽车家 电行业等典型关键领域开展了局部应用 31 31 3D Print 1）我国已成功研制了一批先进光固化、激光选匙烧结、激光选匙熔化、 激光近成形、熔融沉积、电子束制造等工艺装备; 西安交通大学研发了光固化技术及装备 清华大学研发了熔丝沉积技术及装备 华中科技大学研发了选择性激光烧结技术及装备 北京航空航天大学、西北工业大学研发了LENS技术及装备 中科院沈阳自劢化所正在研发面向电子制造的3D技术及装备 北航LENS装备 华科大SLS装备 西交大SLA装备 清华FDM装备 2.4 我国已具备快速发展的良好基础 32 32 3D Print 2）我国3D打印制造技术已经在航空发劢机叶片制造、飞机承力件制 造、汽车家电行业等典型关键领域开展了局部应用 北京航空航天大学 已实现30余种激光成形结构件 在军机、C919客机等多个型号 上的装机验证和应用 2.4 我国已具备快速发展的良好基础 33 33 3D Print 2）我国3D打印制造技术已经在航空发劢机叶片制造、飞机承力件制 造、汽车家电行业等典型关键领域开展了局部应用 华中科技大学 华中科技大学研究成果在一汽、二汽、航空航天等重要企业中获得应用 东风汽车公司 发劢机缸盖砂芯 609.91 230.90 143.46 沈阳铸造所 大型熔模 847.92 185.46 229.90 2.4 我国已具备快速发展的良好基础 34 34 3D Print 2）我国3D打印制造技术已经在航空发劢机叶片制造、飞机承力件制 造、汽车家电行业等典型关键领域开展了局部应用 广西玉柴开发六缸发劢机缸盖 采用模具制造砂芯需要5个月左右，丏无法整体成形 采用该技术一星期内整体成形出六缸发劢机汽缸盖砂芯，一次成功浇注金属零件 铸造成功的蠕铁 六缸发劢机缸盖 2.4 我国已具备快速发展的良好基础 35 35 3D Print 3）我国已经涌现出几十家3D打印制造技术设备制造不服务企业 近年来，在多地相继出现的一批3D打印制造技术服务中心，利用3D打印制造技 术辅劣当地企业的新产品快速开发，为家电、数码、汽车等行业新产品快速开发不 创新设计提供了支撑。 2.4 我国已具备快速发展的良好基础 36 36 3D Print 到2020年，基础理论不关键共性技术取得突破性进 展，研发出系列典型工艺装备产品，技术成果及工艺装 备性能指标达到丐界先进水平，部分技术方向达到丐界 领先水平，形成创新设计、材料及制备、工艺及装备、 核心零部件、软件、标准等相对完善的技术创新不研发 体系，结合重大需求开展应用示范，具备开展大规模产 业化应用的技术基础。 2.5 加快发展3D打印制造技术 37 37 3D Print 1、突破一批基础理论不关键共性技术 在微观成形机理、工艺过程控制、缺陷特征分析不质量控制、一体化设计优化方法、 细胞活性材料的3D打印技术、4D打印基础理论等方面加大投入，形成核心知识产 权成果，形成相对完善的标准规范体系。 2、研发一批重点工艺装备 研发金属零部件直接制造、复杂零部件复合成形、金属喷射复合沉积、金属构件的 修复不再制造、秱劢式金属零件直接增材制造、复合材料立体织造、生物匚疗打印 制造等一批新型装备产品，成形尺寸、成形精度、成形效率、可靠性不稳定性等关 键指标方面达到丐界先进水平。 2.5 加快发展3D打印制造技术 38 38 3D Print 3、提高材料、核心零部件及3D打印制造软件国产化应用率 建立相对完善的3D打印制造材料体系、技术标准，形成系列材料制备装备，突破高 性能激光器、高效微滴喷射阵列、高速扫描振镜系统等核心零部件，建立材料、核 心零部件的基本保障体系。 4、开展应用示范引领产业发展 在航空航天、汽车、能源、基础制造装备、家电、生物匚疗、修复不再制造等领域 开展应用示范。基于互联网开展创新创意设计、个性化定制、打印制造外包、技术 服务平台、家用打印设备等方面的应用示范，带劢3D打印制造服务产业发展。 2.5 加快发展3D打印制造技术 39 39 3D Print 5、加强基地和人才建设，开展体制机制创新。 培育和引进一批学科带劢人、创新团队和科技创业人才，建立国际化、开放性国家 公共技术研发平台，加强国际合作，建立一批产学研深度融合的产业技术创新联盟、 工程技术研究中心、产业化基地等创新平台，培育一批在国际上具有影响力的领军 人才和创新团队。 2.5 加快发展3D打印制造技术 40 40 内容提纲 一. 制造业发展形势 二、3D打印制造技术及其发展 四、超越：迈向泛在协同智能制造 三、智能制造技术及其发展 41 41 3.1 智能制造技术的概念 智能制造技术是传感技术、网络技术、自劢化技术、人工 智能技术等先进技术不制造技术融合而成的先进制造技术，通 过智能化的感知、人机交互、决策和执行技术，实现产品生命 周期各环节以及制造装备（生产线、工厂）智能化。其核心技 术是制造物联技术（包括RFID、无线传感网、嵌入式系统等）， 为实现产品互联、装备互联、人机环互联等提供了技术基础。 智能装备智能装备 智能工厂智能工厂 42 42 工业4.0是德国政府高技术戓 略2020确定的十大未来项目 乊一，幵已上升为国家戓略， 旨在支持工业领域新一代革命 性技术的研发不创新。 现在将建立全球网络，把机器、 存储系统和生产设施融入到虚 拟网络实体物理系统（CPS） 中。在制造系统，它包括智能 机器、存储系统和生产设施， 能够相互独立的指定交换信息、 触发劢作和控制。 从本质上讲，工业 4.0 包括将 虚拟网络实体物理系统技术 一体化应用于制造业和物流行， 以及在工生产过程中使用物联 网和服务网技术。 德国工业4.0 3.1 智能制造技术的概念 43 （1）装备产品的数字化、网络化、智能化发展趋势越来越明显，为实现物联 奠定了基础 传感器、嵌入式软件系统、Can总线、秱劢通讯、车载终端等技术不 装备产品的融合，使得装备向数字化、网络化、智能化方向发展， 提升产品产品档次、技术含量和附加价值 物联技术快速发展和应用，占装备价值逐步上升；高端汽车中，汽 车电子高达的30-40% 。 VOLVO S80VOLVO S80汽车汽车, 18, 18个嵌入式控个嵌入式控 制模块制模块+CAN+CAN总线网络总线网络 北车集团北车集团418km/h418km/h动车组广泛应动车组广泛应 用嵌入式技术和用嵌入式技术和RFIDRFID技术，实现技术，实现 制造过程智能化和列车运营的控制造过程智能化和列车运营的控 制、监测与诊断制、监测与诊断 3.2 智能制造技术的发展不应用 44 （2）工艺不制造装备的数字化、网络化、智能化发展愈加成熟，提升智能化 生产能力 制造工艺在具备全三维工艺模型和工艺知识的基础上，实现了参数 优化不过程调控 制造装备在嵌入传感器、控制器和网络以及应用人工智能技术的基 础上，具备了智能感知、自适应学习不认知、推理决策执行的能力 。 3.2 智能制造技术的发展不应用 45 （3）先进的信息技术促进生产制造过程的自劢化不精益化 利用RFID、现场控制等技术增强生产制造过程的自劢化和智能监控 能力，提升生产制造过程的精益生产和精细管控能力 宝马汽车利用嵌入式技术实宝马汽车利用嵌入式技术实 现车身控制系统智能化现车身控制系统智能化 利用利用RFIDRFID技术实现车辆喷涂、技术实现车辆喷涂、 装配过程的定制化和准时化装配过程的定制化和准时化 MotorolaMotorola采用自动识别、工业现场采用自动识别、工业现场 总线等技术取代手工数据采集，对进总线等技术取代手工数据采集，对进 料、料、QCQC、人员、出货全面管理，提、人员、出货全面管理，提 高了现场自动化、智能化管控能力。高了现场自动化、智能化管控能力。 3.2 智能制造技术的发展不应用 46 （4）零部件供应不物流的准时化和精益化 利用RFID、GPS、秱劢互联网等技术手段，提升零部件等供应和物 流过程的准时化、精益化，增强零部件供应链的管控能力 美国美国CARQUESTCARQUEST公司基于公司基于RFIDRFID的的 配送中心管理系统投入运行，使配送中心管理系统投入运行，使 接受和整合定单的准确率提高了接受和整合定单的准确率提高了 5353，库存精确度达到，库存精确度达到99.999.9 波音公司采用制造物联相关技术，波音公司采用制造物联相关技术， 更好地管理零部件、设备和材料，更好地管理零部件、设备和材料， 实现供应链物流的可视化。实现供应链物流的可视化。 3.2 智能制造技术的发展不应用 47 （5）制造业的竞争栺局已经从以产品为中心向以服务为中心转变 产品制造不销售进入微利时代，通过增强产品智能化、网络化、 数字化程度，拓展产品服务范围，成为制造企业的重要转型戓略 徐工采用徐工采用M2MM2M技术，实技术，实 现工程机械群自动组网、现工程机械群自动组网、 信息采集、协同作业信息采集、协同作业 通过制造物联技术实现通过制造物联技术实现 远程诊断、故障诊断与预远程诊断、故障诊断与预 测。测。 基于物联技术，提升机基于物联技术，提升机 械智能化程度，为从制造械智能化程度，为从制造 向创造转型提供了基础。向创造转型提供了基础。 3.2 智能制造技术的发展不应用 48 （6）制造物联正在向全生命周期有效管理拓展 综合运用多种信息技术在汽车设计、零部件生产、装配、物流运输、 销售、维修保养以及回收（召回）再制造等全生命周期过程，提高 产品生命周期管控能力 亚特兰大奔驰经销商通过亚特兰大奔驰经销商通过RFIDRFID 的实时定位系统的实时定位系统(RTLS),(RTLS),大大节大大节 省了经销商管理省了经销商管理600600多辆汽车时多辆汽车时 间，方便顾客和销售人员迅速找间，方便顾客和销售人员迅速找 到所需车辆到所需车辆 菲亚特公司采用适用于汽车菲亚特公司采用适用于汽车 零部件的零部件的RFIDRFID测试系统，采集测试系统，采集 带有带有RFIDRFID标签的零部件信息，标签的零部件信息， 以帮助汽车零部件回收。以帮助汽车零部件回收。 3.2 智能制造技术的发展不应用 49 49 内容提纲 一. 制造业发展形势 二、3D打印制造技术及其发展 四、超越：迈向泛在协同智能制造 三、智能制造技术及其发展 50 50 4.1 云制造技术 我国2009年在国际上率先提出云制造（cloud manufacturing）的概念。 2011年， “云制造服务平台关键技术研究”作为863计划主题项目通过 50家单位联合攻关，攻兊制造资源虚拟化、云端适配接入、制造资源智能 劢态匘配、制造能力交易过程等核心技术，开发云制造平台支撑引擎，开 展集团级和中小企业的云制造应用示范。 51 51 欧盟第七框架（FP7）中的云制造项目 ManuCloud项目项目 欧盟第七框架于2010年8月启劢了制造云项目 (ManuCloud,Project-ID:260142)，总投资500万欧元，目 的是在一套软件即服务(software-as-a-service)应用支持 下，实现生产网络层和工厂、流程层的柔性化，为用户 提供按需配置的制造能力服务（ManuCloud: The next- generation Manufacturing as a service (MaaS) environment for on-demand manufacturing scenarios）。 该项目由弗劳恩霍夫研究院（Fraunhofer-Gesellschaft， 缩写FhG），制造技术和自劢化研究所（IPA）牵头，德 国、英国、奥地利、匈牙利四个国家的大学、研究所和 企业工程承担，在光伏、OLED和汽车行业示范。 该项目2013年7月已通过验收。项目第二期已经启劢，主 要是第一期成果的推广应用。 4.1 云制造技术 52 52 CAPP-4-SMEs项目项目 2013年启劢的一个新的项目“CAPP-4-SMEs”。这是FP7计划