3D打印与智能制造

.3D打印和智能制造中国工程院院士陆炳亨问本报记者资料来源：学派创始人：石韦李红2016-04-14编辑：习近平总书记强调：“我们要提高紧迫感，敏锐地把握世界科技创新的发展趋势，抓住和使用新科技革命和产业变化的机会。”目前以信息技术和制造技术的深度融合为特征的智能制造模式正在对整个制造业发生重大变化。制造业代表性的破坏性技术3D打印成为世界各国抢占未来产业视野的焦点领域。中国制造大幅增长，要推进向智能制造的转变，需要认识3D打印和智能制造。为此，我们特别采访了中国工程院老兵。记者：鲁学者，你好。作为我国机械制造及自动化领域的著名科学家，您在国内倡导和开拓了3D打印等先进制造技术的研究。什么是三维打印？卢秉政：在制造方式中，制造技术可以分为三类。一是建材制造、铸造、锻造、焊接在制造过程中基本不变的重量，有3000年的历史。一是材料还原制造，车削和铣床通过材料的切削去除，具有300年的设计形态。另一个是增加材料，在制造过程中积累一些材料，形成所需形态只有30年的历史。3D列印是一种增强材料制造技术，其原则是将电脑设计的3D模型分解成多个平面切片，然后将列印材料按雕塑图面层叠在一起，堆叠成完成的物件。3D打印是一种破坏性创新技术，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。麦卡锡报告显示了对人类生活产生破坏性影响的12种技术，3D打印在新材料和页岩气之前排在第九位。麦卡锡报告预测，2030年3D打印将在全球取得1万亿美元左右的效果。2015年麦卡锡报告将这一过程向前推进，认为增材制造在2020年将取得5500亿美元的效果。记者：你刚才说3D打印是破坏性创新技术，那么与传统制造技术相比，它有什么特点和优点呢？陆炳恒：3D打印的特点和优点很多。3D打印应用非常广泛。3D列印可以列印许多材料、任意复杂造型、任意批量配置，这些材料适用于工作场所、办公室和家庭制造的所有产业和生活区域。理论上，3D打印无处不在，无处不在。但是，大量资料的印刷、流程的成熟度、印刷成本、效率等方面还不令人满意，需要在更好、更快、更便宜的多个领域进行创新性研究。3D列印支援产品的快速开发。3D打印可以根据需要创建复杂形状的零件。由设计数据直接驱动，不需要现有制造必需的工具、模具制造等生产准备，编程也很简单。在产品创新设计和设计验证方面尤其方便，这样可以将产品开发周期和成本至少减少一半。3D列印已成为快速开发机械和电气产品及设备的工具。3D打印是材料制造技术。对于航空航天等大型复杂结构，传统上使用切削，有95%97%的昂贵材料被切除。与此相比，3D打印只在需要的地方堆积材料，材料利用率接近100%。3D列印可大幅节省材料和制造成本。对航天设备的研发和制造具有非常重要的价值。3D打印是定制的制造技术。3D打印允许以快速、低成本进行单个制造，从而使单个制造成本接近批量制造。因此，3D打印尤其适用于定制医疗和高级医疗设备，如人工骨骼、手术模型、结构化导航模板等。3D打印或再制造技术，可用于维修飞机引擎叶片、轧机轧辊等磨损部件。以极低的成本获得价值。因此，3D打印用于兵器、远洋轮、海洋钻井平台，甚至空间站的现场制造，具有特殊的优点。3D打印为创新设计开辟了新的空间。3D打印创建了传统制造技术无法实现的结构，为设计创新提供了非常创新的空间。通过将可装配成数十个、数百个或更多部件的产品整合在一起，可以大大简化制造流程，并降低制造和装配成本。从3D列印的新技术角度重新设计产品和设备，3D列印可能对制造业有最大的帮助。值得注意的是，近两年来，3D打印出现了破坏性的变化。像GE制造的飞机引擎的喷嘴一样，20个部件组成了一个部件，成本材料大幅减少，燃料节省了15%。这是对一代发动机的概念。过去，每开发一代引擎需要数亿欧元，现在解决了一个喷嘴。美国3D打印的概念飞机可以重量轻到65%。3D打印主导了生产方式的变化。今后3D打印可以成为可穿戴电子、家庭用品、文化产业、服装设计等行业的定制生产模式。一些专家甚至认为，数字设计制造(如3D打印)将主导从批量制造到定制制作的第三次产业革命。3D打印是创作者最受欢迎的工具。GE在网上发布了挑战三维打印的信息，并允许创始人设计飞机的一个部件。第一名只用了原结构的1/6左右的重量就完成了整个测试，设计者是19岁的青年。3D打印显示了全民创新的道路。另外，网络3D打印的制造方式也值得关注。就是收集普通人的定制要求，让制作者完成设计，用3D打印验证设计，然后在虚拟制造组织中生产，再由物联网流通。美国创立公司有15000名访客和6000名创始人。亚马逊利用网络销售3D打印产品，销售额达数十亿美元，收益达30%。在我国，网络3D打印将成为推动大众创业、万众创新的亮点。3D打印有助于重新创造和创造。另一方面，3D打印制作了用于龙船2号的温度3315 的强高温合金，大大加强了航天器推力。利用3D打印高能束的集中能量，将3D打印设备作为材料基因组项目的开发验证平台，可以开发出超高强度、超高韧性、超高温、超高温、耐磨性好的各种优秀材料，增材制造将转变为建材技术。在创造方面，3D打印应用于组织支架制造、细胞打印等，制造了生物活性器官，从某种意义上说，正在制造生命。3D打印可以为生命科学研究和人体健康提供服务。刚才说的3D打印支持产品的快速开发、绝缘制造、定制制造、再制造等现在可以应用。今后，该研究将侧重于确立多种标准，进行更广泛的应用，发挥更大的效果。3D打印是开拓创新设计新空间、主导生产方式变化的重要方向，是当前和未来需要继续深入研究的重要方向。未来5-15年将带来重要的好处。在制造行业逐步改变数量的过程中，近一半的产品将实现个性化定制生产。3D打印的创造性和创造性将对未来的材料科学和技术、生命科学和医疗技术带来巨大的破坏性变化。记者：现在世界各国都很重视3D打印，我国的研究也有这方面的基础。您能介绍一下我国3D打印技术的当前发展情况吗？卢炳贞：你说得对。在3D打印的科学研究方面，我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、华中科技大学已经开始研究，在“九”期间已经基本掌握了当时的一些主流技术。掌握了其制造工艺和硬件及软件控制技术，开发并推广了这些技术设备。90年代末，北京航空航天大学、西北工业大学等开始了制造仅次于锻造性能的大型零件的金属材料加强材料的研究。目前，我国依靠自主开发的大型金属3D打印设备，在飞机大型轴承配件应用中处于国际领先地位，在军机、大型飞机开发中起着急救组的作用。而且钛合金大型结构已经在飞机起落架和C919的研发上走在了前列。目前中国关于3D打印的研究已经可以认为论文和专利申请件数是世界第二位。在应用方面，我国的工业级设备安装设备仅居世界第四位，但金属印刷的商业化设备还很薄弱，主要依赖进口。非金属工业打印机，我国60%以上国内基础。小型FDM打印机大量出口，销往世界各地。但是激光、光学振动镜、动态聚焦镜、印刷头等舱等国产工业级设备的核心部件主要依赖进口。工业级3D打印材料的研究刚刚开始，除了个别研发能力高的公司开发了少量材料外，3D打印材料基本上依赖进口。从产业发展来看，我们还是发展得太慢了。美国有两家最大的3D打印公司，2015年规模接近10亿美元。我们企业基本上是由学校运营企业开始，生产额最大1亿元以上。现在进口设备积极“攻击”中国市场。金属印刷设备，海外材料，软件，设备，工艺集成捆绑销售。我们要开发核心技术和原创技术，建立自己的创新链和产业链。目前国内已有多家3D印刷企业上市，是技术和资金相结合的好开端。目前，3D打印技术处于一种技术的喷发期，产业的开始期，企业的“赛马场”期。我们必须抓紧研究3D打印的数据标准可能会影响设备和应用的两个方面。对此，我们必须掌握发言权。对于航空零部件和高级医疗设备，应积极审查3D打印定制制造产品的访问标准，以帮助应用新技术。要加强基础研究，开发独创的技术，研发3D打印新材料，提高印刷产品的质量和印刷效率等方面进行创新。构建为企业提供核心技术和通用技术的创新系统。克服核心核心设备，建设产业链。引导金融资本，使3D印刷企业做大做强，形成具有国际竞争规模的多个企业。记者：以3D打印为代表的制造业的先进技术使我们的制造业大幅度增长，转变为智能制造。你认为中国的智能制造怎么样？你对我国制造业发展的建议是什么？卢炳贞：比较中，德国、美国三国、德国的产业优势在于质量优秀、基础扎实、技术严谨；美国的长处是社会革新、尖端技术的优点、全球资源及精英的集合。而且我们中国的重要优势是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，必须与产业2.0、3.0的维修课(质量优先、机器人和高级数控机床等自动化技术)一起开发产业4.0。所以要追上去，越过去。要发挥政府科学的强大调控作用，收集有限的社会资源，做好合作创新。我们巨大的市场需求必须得到保护，充分利用，以指导和支持我们的设备制造。一个领域的需求可以带动一个设备领域的发展。航空航天、汽车领域的高级数控机床需求。我们如何通过大型飞机、两台机器特殊和军事技术改造的机会，在引领我国机床产业的同时，形成高端设备的强大发展基础？项目采购建议采用一票否决制，以确保信息安全。各种计划和各行业的相互伴随上升是我们大国制造需要认真考虑的问题。我国可以参考德国、美国两国的路径，应用我国的国家条件，探索实现中国2025课题的道路。合作社会创新资源，建设为产业提供核心技术和共同技术的创新中心。避免浪费科技资源和低层次重复研究。在产学合作中，要以企业为主体正确理解企业。企业要成为研究开发、应用性、集成性的主体。生产、研究和研究形成长期合作机制，调动和发挥科研机构、人员和企业创新的积极性。在整个社会的协同机制领域，加强科学技术计划协同，根据技术成熟度按部门分工，各项计划以接力为主。国家科研计划要优先进行标准、基础研究，重视产业化的共同技术，以创新思想、发明专利为审查基础。从金融、科技、产业的协同效应改善制造业的资金环境。引导金融资金更快流向实体经济，走向有潜力的先进制造业，加强对创新的资金支持，让创新势力及时获得资金支持，是中国制造2025能否顺利实施的重要问题。在人才协作方面，建立正确的学科评价标准，引导创新和工程能力培养。拥护科研人员的论文写在产品上，写在设备上。中国制造业2025还需要培养制造业4.0时代的企业家和科学技术领导者，同时具备制造工艺和网络思维，充分利用社会创新资源。另外，革新社会需要创造者、极客、马斯克风格的人物、强烈的科学兴趣和强烈的革新欲。中国制造2025的主攻方向和推进力技术是发展智能制造。智能制造主要是工业互联网和基本智能两个部分。在行业互联网领域，需要众包、CAD/CAE/CAM数字制造服务网络、3D打印、性能测试服务网络、众包产品开发和数字制作。利用产业互联网组织高新技术服务业，建立新机制的创新系统，主导知识信息流。企业资源有限。我们使用互联网将全国所有社会乃至全世界的人才和资源集中在一起，实现社会资源的最佳组合。这就是智能制造的本质。离开工厂的围墙。使知识流动，弥补中国制造业开发能力薄弱的短板。这就是互联网引领制造业发展的真正意义上的最大好处。对于基本智能，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。智能机床的核心是信息收集、流程优化软件和流程的质量管理。智能机器可以监控加工状态，并对加工零件的精度进行判断和控制。它能加倍加工质量和加工效率。在数字设计和3D打印中，设计是形成产品创新价值的关键。高级服务行业提供设计工具、设计