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对话卢秉恒院士:3D打印与智能制造机遇与挑战

2016-04-21 09:38
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  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。

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