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宗贵升:实现智能制造,平台化运作将成核心
宗贵升:实现智能制造,平台化运作将成核心
2015/7/3
  当今世界范围内,3D打印被炒得越来越热。全球最大的航空航天业公司波音公司的飞机上使用了约300种超20000件不同的3D打印零部件;通用电气公司近年来也在高调发展增材制造能力,发动机传感器外壳,到量产燃油喷嘴,再到低压涡轮叶片,引领着美国高端增材制造;中国首款国产大飞机C919的主风挡窗框、中央翼缘条均为3D打印制造。


  3D打印这项以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术,其应用已遍及航空航天、船舶、汽车制造、电子、铸造、医疗、专业设计、文化艺术等领域。如今,从汽车、房屋,到义肢、假牙,甚至巧克力、飞机发动机,无论是工程师、设计师还是艺术家,都可以借助3D打印机将想法快速转化为现实。可见,发展3D打印已是大势所趋。而究竟该如何发展?笔者认为,工业级3D打印将会成为智能制造的核心技术,为找准产业突破点,搭建专业平台、整体规划将会是重点。


3D打印产业现状


  近年来,3D打印发展迅猛。美国《时代》周刊称其为十大增长最快的工业技术之一。3D打印行业正以年均约30%的速度在增长。全球市场规模预计将由当前的40亿美元增长至2020年的200多亿美元。2013年,中国的3D打印市场规模为20亿元,且市场潜力巨大,预计仅文体、娱乐用品、家具等可3D打印直接制造的行业年产值便可达万亿规模,全球产业规模将达万亿美元。


  从技术角度来看,随着3D打印成本的日趋下降,其软件更加易用,具备了更复杂的设计能力;从快速原型(RP)到直接零件制造(DM)已成主流趋势;金属直接成型特别是选区激光熔融技术(SLM)快速发展,成型材料已涵盖不锈钢、工具钢、钛合金、镍基高温合金等常用金属材料;喷射成型(inkjet)技术趋于成熟,在成型精度上已接近激光成型,在成型尺寸和效率上优势明显。


  设备方面,据Wohlers报告显示,当前全球市场仍以工业级3D打印设备为主导,占比94%。美国为全球3D打印设备生产和采购的龙头,占全球专业工业级3D打印设备的38%;其次是日本、德国,分占9.7%和9.4%;第四位是中国,占8.7%。美国Stratasys公司在工业打印机领域占统治地位,2012年占全球专业打印机销量的58%。国内工业级3D打印主要企业有北京隆源成型、武汉滨湖机电、湖南华曙高科等,其中北京隆源成型作为国内最早的工业级3D打印老牌企业,专注于选区激光粉末烧结(SLS)快速成型机的研发、应用及服务。


  市场应用方面,3D打印应用主要分三个层面:一是高端层面——航空航天、汽车、医疗等方面的应用已非常成熟,实现了缩减开发周期、缩减开发成本、直接制造等;二是专业人士应用——工程师、设计师等做设计验证,快速模型模具;三是民用层面——桌面3D打印机可以作为很好的创客工具。我们要分析当前国内实际的工业发展状况,来研究3D打印可以适用于哪些领域——如铸造,3D打印对铸造企业的升级改造可以见效很快。再就是高端应用,今年发布的首个“国家计划”中,就重点提出要发展增材制造在航空、医疗领域的应用。


  政策层面,全球制造业国家纷纷出台竞争策略。美国奥巴马政府将3D打印列为刺激制造业回流、加速美国经济增长的重要“武器”;欧盟设置基金支持3D打印技术,将航空航天等尖端领域作为3D打印产业的发展重点;德国提出“工业4.0”战略,支持工业领域新一代革命性技术的研发与创新,抢占信息化、工业化融合发展中的技术制高点。国内,《国家增材制造产业发展推进计划(2015—2016年)》提出至2016年初步建立较为完善的增材制造产业体系,产业销售收入实现年均增长30%以上,航空航天等直接制造领域达到国际先进水平等目标;《中国制造2025》规划中明确了实现长期制约制造业发展的关键共性技术突破,提升我国制造业整体竞争力的任务和目标。


  总体来看,定制化、个性化需求,市场的快速增长,国家政策层面的推动及3D打印在航空航天、汽车、铸造、医疗、专业设计、民用等多领域的应用成为行业发展的动力。但3D打印行业目前在成型材料的设计和制造方面仍很缺乏,同时还面临着打印参数包、软件及设备核心部件等发展瓶颈,仍需基础研究来解决。针对这些问题,已有国内企业迈出了应对的步伐。如3D打印领先企业三帝打印科技公司专注发展3D打印核心技术和应用,目前拥有多项发明专利及专有材料数据包,针对应用需求开发专用3D打印设备和材料。


  对于国内3D打印行业当前发展中面临的技术、产品、研发、应用、标准、政策等多方面挑战,建议通过企业牵头、人才聚集、政府扶持和高度市场化来应对。政府部门及行业企业应转变思路,从之前各自为政、零散研发、销售孤军作战、缓慢自然增长的发展模式,逐步转变为平台化运作、整体规划、立项研发、协同作战、并购增长,并通过行业协会搭建的专业平台,进行技术交流、参与行业标准制定等,最终通过资源整合实现合作共赢。


  对于国内3D打印行业当前发展中面临的多方挑战,建议通过企业牵头、人才聚集、政府扶持和高度市场化来应对。政府部门及行业企业应转变思路,从之前各自为政、零散研发、销售孤军作战、缓慢自然增长的发展模式,逐步转变为平台化运作、整体规划、立项研发、协同作战、并购增长,并通过行业协会搭建的专业平台,进行技术交流、参与行业标准制定等,最终通过资源整合实现合作共赢。


工业级3D打印:智能制造核心技术


  2012年,英国《经济学人》杂志提出第三次工业革命,即数字化制造革命的概念。核心科技创新通常会带来工业革命,而工业革命又会推动科技的发展。前两次工业革命中,英美等发达国家抓住了先机,实现了飞跃。在第三次工业革命正在积极酝酿的今天,中国并没有在起跑线上落后太多,有的领域甚至处在领先地位,这是中国经济及制造业实现跨越的一个巨大机会。


  触发第三次工业革命的技术一般认为是信息与通讯技术(ICT)。ICT技术和制造业的结合,就产生了智能制造。3D打印是智能制造的核心技术之一,是工业革命中的“将军”,有不可替代的功能。无论多么复杂的3D设计都能制造出来。3D打印是一个有效的补充工具,而不是替代工具。


  在全球制造业挑战不断升级的今天,制造业比以往任何时期都变化得快。为了在竞争中不败,我们要提高效率(尤其是能源和资源的利用效率),缩短产品入市的时间(缩短开发时间、制造复杂产品的能力、快速获取和分析大数据的能力),并增强灵活性(大量个性化产品、急剧变化的市场、高生产率的要求),这就推动了智能制造的发展。


  智能化是工业自动化与网络化发展的一个高峰,3D打印是这个发展过程中的关键部件,是智能时代的基本要素和实现者。要实现数字化制造,就需要打破传统思维,用3D打印思维来看待,如:3D+产品设计,3D+增材制造,3D+减材制造。


  走进将来的智能制造工厂,可以看到连接、恒开、智能、软件和数据控制的各种独立设备(如3D打印),机器对机器和机器对产品的沟通全部与人互动,物联网触发并提供用于决策的信息和数据,实时处理和传送信息,工作人员可自己或团体作出决策(社会团体决策),整个产业生态系统会产生深刻的变化。


  和其他新兴产业一样,3D打印不论其技术多强大,仍需要自身依托的市场有一定的工业基础,拥有广泛的使用人群。中国众多用户和庞大的制造业基础便是优势。2010年,中国取代美国而成为了全球制造业大国,但非制造业强国。因此,中国需要通过创新来提升制造业。今年两会中将“大众创业 万众创新”、“创客”写入政府工作报告中,也显示出中国政府对创业、创新的重视。一些没有核心技术、缺乏创新、靠低劳动力成本制造低附加值产品的劳动密集型企业会受到影响。3D打印便是一个很好的创新工具,比如为创客所用,以及在教育领域中的应用等,这些应用也能创业。中国要想从一个制造大国变成一个制造强国,3D打印在“大众创业、万众创新”上会起到很好的作用。


未来:万物互联、万物打印


  相对于传统制造来说,3D打印免去了传统制造业产品成型的复杂过程,无需模具,一次成型,因此可设计、制作出更复杂的结构,特别适用于生产小批量、多品种的定制化产品及个性化大批量制造。如果不改变规则、要求和期望,3D打印相较传统制造有许多缺陷,还不能用来替代传统的成熟制造方法;而如果改变规则、要求和目标,把3D打印作为另一种制造方法,增量发展,3D打印将带来设计、制造的新纪元。


  比如,在传统的制造和销售模式中,存在设计阶段大量设计作品的浪费、产品生产与流通过程中大量资源的消耗以及终端用户对最终产品认可度等问题。如果结合3D打印“个性化定制”的优点,建立以大数据为支撑的设计师平台,打造出遍布各地的分布式制造点,通过“云”服务、“雨点”式制造,就可以很好地解决这些问题。在这种分布式制造模式下,分散式网络取代了物流等中间环节,从而消除了传统供应链中每一个阶段性的交易成本。并且即使不具备建模知识的普通消费者,也可以通过线上设计师平台来将创意建模,然后通过最近的3D打印机打印出来。这是一种全新的商业制造模式,我们可以称之为D2C(Designer to Customer)。如深圳七号科技有限公司旗下的上海万物智能打印依托专业的3D打印网上服务平台——万物打印网(www.wanwudayin.com),及移动服务平台——手机APP(滴滴滴打印),为设计师、3D打印产品厂商、3D打印服务提供商、消费者等提供3D打印的设计交易、数据服务等,为个性化、小批量生产创造云制造环境。


  如今,3D打印继打印原型(快速成型)、原型验证的1.0时代,间接、直接模具制造(砂模、铸造)的2.0时代之后,打印直接应用件的3.0时代已经开始,只是暂在局部发展,还未全面推开。3D打印的3.0时代,应该想要什么,就可以打印什么,想到即可制造。可以预见的是,在未来智能制造的背景下,将3D打印技术与物联网技术、大数据、云计算、机器人、智能材料等其他先进技术结合,将成为若干智能制造平台上的某个部分,从而实现万物互联,万物打印。(文/宗贵升  来源:千人网原文刊登于《千人》杂志2015.6月刊)

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