机械创新设计与3D打印

机械创新设计与3D打印目录引子设计概述机械设计方法3D打印简介3D打印助推创新设计结束语引子中等收人陷阱（MiddleIncomeTrap）：2006年世界银行在《东亚经济发展报告》中提出，新兴市场国家突破人均GDP1000美元的“贫困陷阱”后，很快会奔向1000美元至3000美元的“起飞阶段”，但是到了人均GDP3000美元附近时，快速发展中积聚的矛盾就会集中爆发，人均GDP无法突破1.1万美元进入高收入国家行列，这种发展停滞即“中等收入陷阱”。/news/special/zdsrxj/index.shtml“中等收入陷阱”的十大特征：经济增长回落或停滞、民主乱象、贫富分化、腐败多发、过度城市化、社会公共服务短缺、就业困难、社会动荡、信仰缺失、金融体系脆弱等。对中国，在诸多问题中如何实现国民收入与GDP和财政收入的同步增长被认为是避免陷入“中等收入陷阱”的关键。为什么会落入陷阱？错失发展模式转换时机（阿根廷等拉美国家）；难以克服技术创新瓶颈；对发展公平性重视不够；宏观经济政策出现偏差。引子为什么会落入陷阱？难以克服技术创新瓶颈：一国经济在进入中等收入阶段后，低成本优势逐步丧失，在低端市场难以与低收入国家竞争，但在中高端市场则由于研发能力和人力资本条件制约，又难以与高收入国家抗衡。在这种上下挤压的环境中，很容易失去增长动力而导致经济增长停滞。要克服这一挑战，就需要在自主创新和人力资本方面持续增加投入，培育新的竞争优势。引子可怜1.8%--苹果供应链的获利结构

加州大学和雪城大学教授研究发表《捕捉苹果全球供应网路利润》：被乔布斯咬去一小口的那只苹果，是全球众多粉丝崇拜的偶像；从利润的侧面看，咬去的绝不是一小口，2010年每卖出一台iPhone，独占58.5%利润；拿走第二大块利润的是塑胶、金属等原物料供应国或地区，占22%；作为主要组装地的中国大陆相关业者从中仅能获得可怜的1.8%；？？？引子微笑曲线尽管这些产品，包括大多数零部件都在中国生产制造，但是主要的利润流向了美国；苹果公司依然在美国保留了大部分的产品设计、软件开发、产品管理、市场营销和其他高价值分工；这是全球分工体系和价值链中的一种无奈，没有技术、没有创新就只能处于低端，就只能获得最底层最廉价的劳动力成本收益；难道我们只能靠拼劳动、拼资源、拼环境，在价值链的底层获取“可怜的1.8%”？？？？引子实际上，“中等收入陷阱”是世界性发展难题，巴西、阿根廷、智利、马来西亚等，在20世纪70年代已进入中等收入国家行列，但他们目前仍挣扎在人均GDP3000美元至5000美元的发展阶段。菲律宾，20世纪60年代人均GDP在亚洲仅次于日本，但由于未解决好发展问题，至今仍是中等收入国家，而新加坡、韩国、香港、台湾等国家和地区则后来居上，成长为“亚洲四小龙”。引子“学霸现象”及“草根创新”机制问题；学术不端和学术腐败问题（复旦大学王正敏事件？南京大学物理教授掐架事件？）；引子2000-2009NobelPrizesinScience(Sciences:Physics,Chemistry,MedicineandPhysiology,Economics)Nobelprizepercapita

人均获得诺贝尔奖比例在研发设计阶段，我们要做点什么？创新设计方法！引子设计概述设计概述：设计是人类满足生存需要、创造物质文明的活动，设计的历史与人类5000年文明史同步。对“设计”的理解有广义和狭义之分，因人而异。广义的设计指安排发展的方向、程序、细节及达到的目标；狭义的设计指将客观需求转化为满足该需求的技术系统的工程活动，也是将技术成果转化为工业产品提高产品国际市场竞争力的具体表现形式；据《三国志•魏志•高贵乡公髦(mao)传》“赂遗吾左右人，令因吾服药，密因酖(dan)毒，重相设计”。元代尚仲贤《气英布》第一折“运筹设计，让之张良；点将出师，属之韩信”。但是这里的设计更多的是属于谋略设计。我们现在所熟悉的更具体的设计应该包括为了满足审美需求的艺术设计和为了满足功能需求的工程设计，但两者经常相互渗透甚至融为一体，即对某一产品既追求功能完备又满足审美需求。设计过程：设计离不开创新，产品设计过程本质上是一个由分析到综合的反复迭代的创新过程，是将创新构思转化为有竞争力产品的过程；传统的设计以经验公式、图表、手册为依据，常常忽略应当考虑但限于当时科技水平难以考虑的重要的甚至必要的因素，用收敛性思维方式考虑了有限的变量，过早地进入具体方案，结果只能是粗略地满足某些特定条件，感性地达到系统功能输出的要求；现代设计是过去长期的传统设计活动的延伸和发展，集近代与现代各种科学方法论之精髓运用于设计领域，特别是各种技术的创新发展与应用，使设计活动产生了质的飞跃，从随意的、经验的、感性的、静态的与手工的传统设计跃变为必然的、科学的、理性的、动态的与智能化的现代设计。设计概述随着经济全球化和企业竞争的加剧，产品开发面临极大的挑战：（1）产品适销期明显缩短，产品开发周期明显缩短。（2）产品品种数量急剧增加。个性化、订单式。（3）设计对象越来越复杂。高性能、多功能、复杂结构、傻瓜化、系统化。（4）设计过程越来越复杂。团队、网络化、并行设计。（5）对设计产品的要求越来越高。人性化、造型设计要求。功能与审美。环保要求：可拆卸全寿命设计理念。价格、交货期短，售后服务与配件设计。（6）设计风险加大。设计人员在许多不确定性因素要迅速做出设计决策，知识产权风险。设计概述设计发展历史：设计是人类创造物质文明的工程活动，设计的历史同步于人类的文明史；早在石器时代，根据经验制造的工具已经蕴涵着现代设计方法的一些基本原则。如河南新郑出土的距今7000多年前用于加工谷物的石磨盘和石磨棒，在实现碾磨谷物功能要求的同时又遵循着简省结构、方便操作等原理。随着生产和科技的迅速发展，数学方法向各学科渗透，设计方法得到了不断的发展。设计概述设计发展历史：直觉设计阶段：当人们首次遇到设计对象时，因时制宜地根据直觉需要进行自发设计。这种设计方法完全取决于人的智力、灵感与不断的试验摸索和经验积累，设计周期长，具有很大偶然性，无经验可供借鉴。鼠标发明者DougEngelbart

在实验中碰到一个单轮驱动输入设备出现划线偏差问题，因为轮子除了滚动还会滑动，他在一次会议上开小差想到了用球驱动两根垂直放置的滚轴，即通过一个球体的运动带动两根垂直布置的滚轴，而刚好可以对应屏幕上两个方向的运动。

自动锯木机也是通过直觉设计诞生的。首先靠两人手工拉锯；后来利用杠杆原理两人配合采用手摇圆锯；接着利用水力使主体运动机械化，则只要一人就可操作；然后增加了弹簧测力器及水流闸（速度控制器）等调控部件，工人只要观察锯力表，用一只手扳动杠杆调节水流大小，即可工作；最后用一条绳来根据锯木力大小自动调节速度，这样工人只要装卸木料即可工作。前后经过了几个世纪，才设计成半自动锯木机。设计概述设计发展历史：经验设计阶段：当人们有了丰富的设计实践以后，通过力学与数学的密切联系以及手工艺人和设计者间的联合协作，使用经验数学公式（如制成图、表或手册供参考）作为设计计算和类比的主要依据。针对设计对象修改这些经验数学公式，使设计水平推进一步。第二次世界大战之前，技术发达国家的产品设计大都是参考现成产品图纸或手册中的经验数据，经过二、三次设计与试制的反复循环，才能投入生产。因此设计周期仍然较长，即使局部有革新，步伐也不可能大，而且可能会因某些零件或小系统设计不当，引起样机报废。这种方法的样机试制图纸可用率平均为50%左右。如唐代的江东犁、南宋的活塞风箱、宋代的水转大纺车等依靠直觉设计和经验设计通过不断完善而使工具更加精细。设计概述设计发展历史：中间试验辅助设计（半经验半理论设计阶段）：随着科技发展，强化了设计的基础理论和试验的深入研究，逐步形成了一套半经验半理论的设计方法，采用局部试验、模拟试验作为设计过程辅助手段。测试取得系统或机器工作过程内在规律的数据，来指导结构与参数的选择。如20世纪50年代后期逐渐吸取飞机模型风洞试验等经验，对机器的关键部件，通过模型试验确定较好的结构与参数。样机试制后基本达到设计要求，设计图纸可用率达到了70~80%。试制周期缩短，人力物力大大节省，并得到逐步推广。设计概述设计发展历史：现代设计方法：研究设计程序、设计规律、设计思维与工作方法，是以设计产品为目标的知识群体，在设计各阶段采用某些合宜的、有效的方法和技术。这种方法设计质量高，周期短。现代设计方法是随着数学方法、控制理论及计算机的发展，并在前三阶段的发展进程中逐渐形成自身的科学体系。这个阶段可分为三个时期：萌芽期（17世纪中叶至20世纪40年代）：牛顿—莱布尼兹发明了微积分，德国F.Reuleaux在《理论运动学》中提出了“过程规划”的模型，Kesselring提出五项结构设计原理：最低成本原理、最小尺寸原理、最小质量原理、最低损耗原理和最方便操作原理。发展期（20世纪40年代至60年代）：提出“关键在于设计”口号，将设计进程明确划分为方案设计、技术设计、工艺设计三个阶段，慕尼黑大学W.G.Rodenacker第一个被任命为从事设计方法学研究的教授，提出对设计过程、设计中的转换等的研究方向。普及期（20世纪60年代至今）：机械工程设计引入系统科学、信息科学理论与方法，更广泛借助现代数学方法和计算技术，设计目标被综合为功能—质量—成本的系统优化。设计概述培养高层次设计人才的需要：设计工程师是推动知识创新和设计技术发展的主体。机械设计方法学是一门综合性学科，使学生从整体上认识与把握现代设计方法在机电产品设计中的应用，掌握机械现代设计的基本理论与技能，提高机电产品设计水平。设计概述3D打印简介华中科技大学史玉升教授，材料成型与模具技术国家重点实验室：铸型3D打印技术与应用等材制造减材制造增材制造？？制造铸/锻/焊等切削加工等粉片液丝等？？？锻造机床等切削机床3D打印机等？？？千年百年20年？年制造技术分类原理工艺设备方法论制造技术分类3D打印简介北京航空航天大学王华明教授，航空科学与技术国家实验室（筹）航空高性能大型金属构件激光增材制造增材制造/3D打印：分类第1类1984年提出非金属模型样机增材制造：间接制造用途：新产品设计开发；文化艺术创造第2类非金属生物医学“支架”增材制造：间接制造用途：硬组织/软组织、人体器官的体外或体内“培养”第3类1992年开始高性能金属构件增材制造：直接制造用途：国防及工业机械装备制造3D打印简介3D打印助推科技创新与产业发展高峰论坛：参会11（10？）位院士：西安交通大学（南京增材制造研究院）卢秉恒，快速制造，中国工程院院士；浙江大学谭建荣，机械数字化设计与制造，中国工程院院士；南京航空航天大学朱荻，电化学制造技术，中国科学院院士；南京航空航天大学赵淳生，机械结构力学与控制国家重点实验室，中国工程院院士；上海交通大学医学院附属第九人民医院戴尅戎，骨科生物力学，中国工程院院士；北京化工大学高金吉，诊断与自愈工程，中国工程院院士；天津大学精密仪器系叶声华，测试计量技术与仪器，中国工程院院士；沈阳航空航天大学杨凤田，飞机总体设计，中国工程院院士；沈阳自动化研究所王天然，自动化控制与机器人，中国工程院院士；西北工业大学张立同，超高温复合材料，中国工程院院士；美国DREXEL大学和Michigan大学、北京航空航天大学、西北工业大学、华中科技大学、上海交通大学、西安交通大学、机械科学研究总院、北京航空和制造工程研究所、沈阳飞机工业（集团）有限公司、南京航空航天大学以及科技部、教育部、中国机械工程学会、中国机械制造工艺协会、省科技厅、南京市科委、江宁区代表和比利时Materialise公司、世界增材制造协会（湖南华曙科技公司）等国内外企业代表共200余人参加大会。3D打印简介3D打印助推科技创新与产业发展高峰论坛：演讲专家：西安交通大学（南京增材制造研究院）卢秉恒院士：增材制造发展路线图；浙江大学谭建荣院士：创新设计与数字化设计研究前沿及共性技术；南京航空航天大学赵淳生院士：超声电机的发展与应用；上海交通大学医学院戴尅戎院士：3D打印技术的医学应用及其后续效应；另有12位业内顶尖专家也分别作了专题报告，涉及3D打印装备、材料、工艺、软件、创意等各个领域，全面交流、探讨了3D打印技术的发展现状：北京航空航天大学王华明教授；西北工业大学黄卫东教授，中国铸造学会理事长；美国DrexelUniversity周功耀教授，Bio-Nano-MicroDesign&Manufacturing；上海交通大学王成涛教授，数字医学临床转化教育部工程研究中心；华中科技大学史玉升教授，材料成型与模具技术国家重点实验室；西安交通大学李涤尘教授，机械制造系统工程国家重点实验室，快速制造国家工程研究中心；……3D打印简介3D打印（3Dprinting）：一种利用光固化和层叠等的快速成型技术，以三维数字设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，逐层打印最终叠加成型，构造三维物体。传统制造业要通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削以最终生产成品，而3D打印采用数字化制造模式将三维实体变为若干二维平面，通过对材料处理并逐层叠加，不需要复杂的工艺、不需要庞大的机床，使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸，极大地降低制造复杂度。3D打印技术在工业设计、机器人、汽车零部件（当然包括玩具车）、航空航天、枪支、地理信息系统、土木工程、建筑工程、珠宝、鞋类、食物、牙科和医疗产品、教育设备以及其他领域都有所应用。3D打印概述3D打印简介西安交通大学（南京增材制造研究院）卢秉恒院士：技术应用领域-2012年报告：消费商品和电子：23.7%→20.3%；飞行器：9.9%→12.1%；医疗和口腔牙科：13.6%→15.9%3D打印概述3D打印简介各国应用比较-2012年报告—增材制造设备的数量比例：中国6.5%→8.6%；美国41.1%-→38.3%；1988-2011年主要国家和地区的AM设备量3D打印概述西安交通大学（南京增材制造研究院）卢秉恒院士3D打印简介技术发明：1892年，Blanther在其专利中，曾建议用分层制造法构成地形图；1902年，CarloBaese在一专利中提出用光敏聚合物制造塑料件的原理；1986年美国的Hull发明了SLA（立体光刻技术，Stereolithography，alsoknownasopticalfabrication,photo-solidification,solidfree-formfabricationandsolidimaging）；1988年Feygin发明了LOM（分层实体制造，Laminatedobjectmanufacturing）；1989年Deekard发明了SLS（选区激光烧结，Selectivelasersintering）；1992年Crump发明了FDM（熔融沉积造型，Fuseddepositionmodeling）；1993年MIT发明了喷头3D打印技术（3DP）；3D打印发展历史西安交通大学（南京增材制造研究院）卢秉恒院士3D打印简介3D打印发展历史3D打印简介3D打印发展历史3D打印简介SLA立体光刻技术LOM分层实体制造SLS选区激光烧结3DPFDM熔融沉积造型3D打印技术3D打印简介3DP（3DPrinter）：最早由MIT于1993年开发，通过喷墨打印技术使液态连结体将铺有粉末的各层固化，逐层创建各部件，ZCorp公司开发了3D打印成型机。3D打印技术3D打印简介立体光刻技术SLA（Stereolithography，alsoknownasopticalfabrication,photo-solidification,solidfree-formfabricationandsolidimaging）：在液态的光敏树脂表面进行逐点扫描，使扫描区域树脂薄层产生聚合反应而固化.SLA3D打印技术3D打印简介分层实体制造LOM（

Laminatedobjectmanufacturing）：将背面涂有热熔胶的片材（纸片、金属箔、塑料薄膜、陶瓷膜或复合材料等）用激光切割出零件内外轮廓；LOM：Laminatedobjectmanufacturing3D打印技术3D打印简介选区激光烧结SLS（Selectivelasersintering）：让激光按照界面轮廓信息对实心部分粉末进行烧结，层层循环，堆积成型；SLS3D打印技术3D打印简介熔融沉积造型FDM（

Fuseddepositionmodeling）：将丝状的热熔性材料加热融化，同时三维喷头根据截面轮廓信息，将材料选择性地涂敷在工作台上，快速冷却后形成一层截面；FDM

Fuseddepositionmodeling3D打印技术3D打印简介增材制造发展路线图3D：增材制造（additivemanufacturing），快速原型制造；4D：智能结构，随时间轴变化后定型；5D：活性材料打印后自生长，细胞打印机、神经元打印、癌细胞打印；3D打印发展西安交通大学（南京增材制造研究院）卢秉恒院士3D打印简介4D打印：美国DrexelUniversity周功耀教授，Bio-Nano-MicroDesign&Manufacturing3D打印发展3D打印简介5D打印后变形特性：西安交通大学肝脏再创研究；打印支架/细胞/组织液；复合体植入体内；细胞种植密度、体外培养时间对体内工程化肝脏影响；研究支架、细胞复合体用于修复肝损伤的有效性；大鼠肝脏支架细胞复合体体内植入3D打印发展西安交通大学（南京增材制造研究院）卢秉恒院士3D打印简介上海交通大学医学院戴尅戎院士：3D打印技术的医学应用及其后续效应3D打印发展3D打印简介上海交通大学医学院戴尅戎院士：3D打印技术的医学应用及其后续效应日本开发的腹中胎儿3D打印模型业务：磁共振影像-三维建模-3D打印；提出问题：2013年CodyWilson用8000美元制成世界首支3D打印手枪并成功试射。人人能造枪？3D打印发展3D打印简介25岁的德克萨斯大学法律系学生CodyWilson把手枪的设计图纸（CAD文件）发布在自己的网站DEFCAD（分布式防御公司，DefenseDistributed）上，两天下载量就超过10万次，显然3D手枪打印信息已经在网上广泛传播。据《福布斯》报道称，3D手枪16个零部件，有15个都可由StratasysDimension公司提供的售价为8000美元的SST3D打印机完成，最后一个零部件是一般五金店都可买到的普通钉子。3D打印发展3D打印简介CodyWilson的DEFCAD网站此前提供多种枪支零部件下载；DEFCAD网站展示的3D枪支部件制作过程；3D打印发展3D打印简介3D打印，创艺未来不仅是生产革命、工业革命，也是一场观念的革命和社会的革命，5个任何：任何材料：塑料、玻璃、金属、彩色石膏材料、陶瓷、生物材料、巧克力、猪肉、水泥、木材、……任何产品：衣（服饰、鞋子）、食（食品、巧克力、肉类）、住（建筑设计）、行（汽车、飞机）、医（人体心脏模型与个性化永久性植入物、人体骨骼、肌肉、器官及内脏）、……任何领域：医疗、科研、教育、艺术、娱乐、考古、……任何人群：任何年龄：3D打印发展美国DrexelUniversity周功耀教授，Bio-Nano-MicroDesign&Manufacturing3D打印简介电湿润微矩阵三维组织打印系统：2007年提出并研制成功，2011年获得专利用于组织工程制造，优势：多排微阵列喷头，可以喷出多种材料和物质的骨支架结构，更高精度（-1~10微米）3D打印发展美国DrexelUniversity周功耀教授，Bio-Nano-MicroDesign&Manufacturing3D打印简介电湿润微矩阵三维组织打印系统：2007年提出并研制成功，2011年获得专利用于组织工程制造，优势：多排微阵列喷头，可以喷出多种材料和物质的骨支架结构，更高精度（-1~10微米）美国DrexelUniversity周功耀教授，Bio-Nano-MicroDesign&Manufacturing3D打印发展3D打印简介三维生物器官打印的热敏光固化高分子生物活性材料：美国DrexelUniversity周功耀教授，Bio-Nano-MicroDesign&Manufacturing3D打印发展3D打印简介多材料多功能三维生物打印系统：美国DrexelUniversity周功耀教授，Bio-Nano-MicroDesign&Manufacturing3D打印发展3D打印简介三维打印技术在硬组织外科临床中产业化应用临床医学四化方向（个性、精准、微创、远程）。四大支撑学科，8个组成部分3D打印发展上海交通大学王成涛教授，数字医学临床转化教育部工程研究中心3D打印简介三维打印技术在硬组织外科临床中产业化应用人体生物力学平台—中国力学虚拟人上海交通大学王成涛教授，数字医学临床转化教育部工程研究中心3D打印发展3D打印简介铸型3D打印技术与应用创新设计-3D打印-数值模拟-快速检测一体化华中科技大学史玉升教授，材料成型与模具技术国家重点实验室3D打印发展3D打印简介3D打印技术催生新学科和新产业西安交通大学李涤尘教授，机械制造系统工程国家重点实验室，快速制造国家工程研究中心3D打印发展3D打印简介西安交通大学李涤尘教授，机械制造系统工程国家重点实验室，快速制造国家工程研究中心3D打印发展3D打印技术催生新学科和新产业3D打印简介西安交通大学李涤尘教授，机械制造系统工程国家重点实验室，快速制造国家工程研究中心3D打印发展3D打印技术催生新学科和新产业3D打印简介网络+3D打印—云制造生产与生活方式的变革：只需要设计数据----实现远程制造----信息流替代物流设计数据上网----智慧资源共享在家制造----未来生产模式西安交通大学李涤尘教授，机械制造系统工程国家重点实验室，快速制造国家工程研究中心3D打印发展3D打印技术催生新学科和新产业3D打印简介南京航空航天大学赵淳生院士：超声电机的发展与应用3D打印发展3D打印简介3D打印发展用3D打印来预测试机械设计的效果，从而降低设计费用；英国诺丁汉大学增材制造和3D打印研究学会主管理查德-海格(RichardHague)设计的3D打印“终结者机械手臂”，是采用透明塑料个性化定制设计。3D打印助推创新设计产品停留在设计周期时间越长，推向市场的时间也会越长，这就意味着企业的潜在利润将会越来越少。（许廷涛.3D打印技术—产品设计新思维.电脑与电信，2012（9）：5-7）概念模型：在设计流程早期，使用3D打印技术去构造模型，可以检查设计产品的结构、外形和功效，发现任何缺点都可以第一时间修改设计。此后如果有需要可以再次构造、检查和为该设计，重复这个迭代过程，直到设计出最好的概念模型。将