1、激光3D打印将中国制造业逼上梁山14页精选文档激光3D打印将中国制造业“逼上梁山”我国古代的读书人,从上学之日起,就日诵不辍,一般在几年内就能识记几千个汉字,熟记几百篇文章,写出的诗文也是字斟句酌,琅琅上口,成为满腹经纶的文人。为什么在现代化教学的今天,我们念了十几年书的高中毕业生甚至大学生,竟提起作文就头疼,写不出像样的文章呢?吕叔湘先生早在1978年就尖锐地提出:“中小学语文教学效果差,中学语文毕业生语文水平低,十几年上课总时数是9160课时,语文是2749课时,恰好是30%,十年的时间,二千七百多课时,用来学本国语文,却是大多数不过关,岂非咄咄怪事!”寻根究底,其主要原因就是腹中无物。特
2、别是写议论文,初中水平以上的学生都知道议论文的“三要素”是论点、论据、论证,也通晓议论文的基本结构:提出问题分析问题解决问题,但真正动起笔来就犯难了。知道“是这样”,就是讲不出“为什么”。根本原因还是无“米”下“锅”。于是便翻开作文集锦之类的书大段抄起来,抄人家的名言警句,抄人家的事例,不参考作文书就很难写出像样的文章。所以,词汇贫乏、内容空洞、千篇一律便成了中学生作文的通病。要解决这个问题,不能单在布局谋篇等写作技方面下功夫,必须认识到“死记硬背”的重要性,让学生积累足够的“米”。 虽然对第三次工业革命何时到来，国内各界仍普遍持谨慎态度。然而，3D打印、人工智能、新材料、新一代信息技术等一系
3、列关键技术的成熟和产业化，都透露出新一轮工业革命并非空穴来风。死记硬背是一种传统的教学方式,在我国有悠久的历史。但随着素质教育的开展,死记硬背被作为一种僵化的、阻碍学生能力发展的教学方式,渐渐为人们所摒弃;而另一方面,老师们又为提高学生的语文素养煞费苦心。其实,只要应用得当,“死记硬背”与提高学生素质并不矛盾。相反,它恰是提高学生语文水平的重要前提和基础。 传统制造业的国际分工格局，正逐渐被新技术带来的分散化生产以及消费者多元化的需求打破。特别是2019年金融危机之后，那些走向产业空心化的国家深刻认识到制造业对于国民经济的重要性，遂寄望于新技术将制造业拉回。课本、报刊杂志中的成语、名言警句等俯
4、首皆是,但学生写作文运用到文章中的甚少,即使运用也很难做到恰如其分。为什么?还是没有彻底“记死”的缘故。要解决这个问题,方法很简单,每天花3-5分钟左右的时间记一条成语、一则名言警句即可。可以写在后黑板的“积累专栏”上每日一换,可以在每天课前的3分钟让学生轮流讲解,也可让学生个人搜集,每天往笔记本上抄写,教师定期检查等等。这样,一年就可记300多条成语、300多则名言警句,日积月累,终究会成为一笔不小的财富。这些成语典故“贮藏”在学生脑中,自然会出口成章,写作时便会随心所欲地“提取”出来,使文章增色添辉。 如果未来在以3D打印为代表的数字化制造技术上失去话语权，中国制造业将遭遇残酷的打击：传统
5、的制造手段和生产模式将被取代；人力成本低廉等比较优势必然丧失；中国企业踯躅于产业链低端的现实将进一步恶化。而中国是否能抓住这一轮技术创新的机遇，很大程度上是在逼问中国是否有能力改革现有的创新体系。颜永年决心最后一搏。74岁的他，在2019年创立了昆山永年先进制造技术有限公司，并出任董事长，为此，他把家从北京搬到了昆山阳澄湖边。 相比创办企业，颜永年在学术上的成就已有定论，正是他在清华大学任教时把3D打印的概念和早期技术引入国内。在颜永年看来，制造科学如果脱离了产业化， 含金量就大打折扣，因此退休五年后，他仍打算实现在校任教时未能完成的心愿办一家完全市场化的公司，将研究成果产业化，3D打印就是那
6、项昭示未来的研 究成果。3D打印，是增材制造的俗称，其核心是数字化、智能化制造与材料科学的结合。与传统上对原材料进行切削的减材制造方法正相反，3D打印的过程好比用砖头砌墙，逐层增加材料，最终形成物件。以3D打印为代表的数字化制造技术，被经济学人杂志认为是引发第三次工业革命的关键因素，“其将改写制造业的生产方式，进而改变产业链的运作模式”。 首先，数字化制造技术将大大减少直接从事生产的操作工人，劳动力所占生产成本比例随之下降。此外，数字化制造的个性化、快捷性和低成本能够更快地适应本 地市场需求的变化，包括满足小批量产品的生产需求。这些都促使发达国家鼓励厂商把部分制造业迁回本国，对中国这样的传统制
7、造业大国无疑敲响了警钟。不过，中国在3D打印方面的理论研究和尝试并不算晚。富庶而开放的江浙一带已有不少企业在运用这项技术，仅昆山一地，就有20余家企业利用3D打印为周边发达的产业集群提供设计打样服务。 而距昆山1.4万多公里的美国纽约，有着3D云打印之称的Shapeways正忙着搬家，将其运营重心从荷兰移至纽约。Shapeways在皇后区占地 2.5万平方米的工厂取名为“未来工厂”，这是全世界规模最大的3D打印工厂。2019年10月18日，在工厂开业仪式上，纽约市长迈克尔布隆伯格 (Michael Bloomberg)手中那把剪彩的剪刀，就是3D打印制造。隔河相望的曼哈顿区，聚集了众多年轻的3
8、D打印企业。中国科学院自动化研究所研究员王飞跃观 察，即使在2019年金融危机后，这些企业仍保持快速发展。自从工厂出现以来，产品与消费者之间的距离从未如此接近过。3D打印给消费者带来了在大规模生产和个性化制造之间进行选择的自由。如果你想要一个与自己相貌一样的玩偶，用3D打印机制作，成本可能只要100元；如果委托工厂，也许要花1万元。业内人士将2019年的3D打印机视为像1977年个人计算机和1990年网页浏览器一样，是一个崭新的市场从萌芽期进入成长期的转折点。虽然3D打印技术目前尚未颠覆传统制造业传统制造业的规模效应依然占据优势，但前者正慢慢抢走市场份额。工信部已经嗅出了危机的味道。2019年
9、12月14日，工信部副部长苏波在增材制造技术国际论坛上透露，中国将提速3D打印技术的研发和产业化。这一信息标志着3D打印正式纳入了中国工业主管部门的视野。一、激光快速成形将是3D打印率先突破的方向 激光快速成形是较为成熟的先进制造方式，激光快速成形是3D打印制造的一种，是利用计算机模拟切片的技术，逐步利用高能激光束熔化送到熔池中的粉末，如 金属、陶瓷、塑料、砂等，从而逐步堆积成一定形状的零件和部件。说的形象点，就是先利用计算机切片，将零件分成一层一层，然后每一层利用类似于“十字绣” 的工艺，一点一点用激光配合金属粉末堆积，最后一层一层拼接起来。由于该技术将多维制造变为简单的由下至上的二维叠加，
10、大大降低了设计与制造的复杂度，甚至可以制造传统方式无法加工的奇异结构，如封闭内部空腔、多层嵌套等。快速制造技术与传统工艺相比具有独特的优越性和特点。一、突破了传统去除加工方法的限制，无需零件毛坯和大型锻造、铸造设备及模具，可实现材料制备与成型的一体化，显著缩短零件制造周期、降低制造成本、提高材料利用率；二、在同一套生产系统上可进行不同材料零件的制造，具有广泛的材料及设计适应性；三、整个生产过程数字化，可以方便地通过材料及工艺的调节与控制，实现多种材料在同一零件上的集成制造，满足零件不同部位的不同性能需要；四、由于采用非接触加工的方式，没有工具更换和磨损之类的问题，无切割噪音、振动以及废水、废料
11、等排放，符合现代绿色制造理念。快速制造思想产生于上世纪80年代。1992年，美国DTM公司(现已并入美国3DSystems公司)研制成功世界第一台采用粉末材料的激光快速制造装备。美国、德国、日本等国的制造企业将之用于蜡、砂型的快速制造，大大提升了传统铸造工艺的技术水平。激光快速成形在航空航天、汽车、船舶制造领域优势巨大 快速成形技术是一种数字化的添加材料成型技术，对于产品的几何形状并没有约束，可以说“只要你想得到，我就可以做出来”。因此，设计零部件时可以采用最 优的结构设计，而无需顾虑加工问题。而这正是快速制造技术最大优势所在拓展设计人员的设计空间，尤其是在航空航天、武器装备、汽车等动力装备结
12、构复杂 的高端领域。激光制造技术在航空领域的应用直接体现在航空用钛合金结构件的直接制造以及航空发动机零件的快速修复方面。 欧美已将快速制造技术视为提升航空航天、汽车及武器装备等核心领域水平的关键支撑技术之一。例如，美国能源部大额资助Sandia及LosAlomos 国家实验室，开展高性能金属零部件快速制造技术。在美国空军、陆军及国防部联合资助下，该技术在波音、军火巨头洛克西德马丁公司、国防供应商诺斯洛普格 鲁曼等飞机制造企业获得实际应用。2019年在美国国防部的支持下激光快速成形技术由研究转化为F/A-18E/F、F-22、JSF等先进歼击机上的装机应用。2019年以来激光制造技术成为美国航空
13、航天国防武器装备大型钛合金结构件的核心制造新技术之一。飞机上大型机构件的传统生产主要采用“锻造+机加工”的方法，该方法工序繁多、工艺复杂、材料利用率低、机械加工量大、数控加工效率低、制造成本高、生产周期长，采用激光制造技术直接制造大型钛合金结构件显示了巨大的优势。同时，该工艺可直接制造高性能金属零部件，还可制造出薄壁、微孔、中空等特殊结构零部件，在航空航天、汽车等重要领域具有广泛的应用前景。值得一提的是，目前整个激光材料加工行业按产值从大到小排主要分激光切割、激光打标、激光钻孔、激光焊接、激光表面热处理、激光熔覆、激光合金化等子行业。其中激光切割、钻孔、焊接对激光器和机床精度和控制工艺要求较高
14、，以美、德、日为首的传统制造业强国掌握了尖端技术。但是在激光表面热处理、激光合金化及激光熔覆领域，则是我国的强项，而且我国本身占了全球激光材料加工的15%市场份额，在激光熔覆领域则占到了半壁江山。激光快速成形实际上就是激光熔覆的升级版，相对于激光熔覆是表面优质涂层的制备，直接成型则是整体制造的工艺，在控制要求上更为困难和严格，但总体来说，和熔覆是一脉相承的，也就是说，中国的科研力量在这个领域是国际领先的。我们预计，激光快速成形技术仅在钛合金制造领域，在我国航空、船舶领域的市场规模为20亿元。未来随着我国航空、航天、船舶领域的快速发展，和在其他应用领域的拓展，以及该技术带来的新市场，激光快速成形
15、技术的空间巨大。3D激光打印产业链从最初的原材料处理、设备制造直到最后的打印应用与服务，即使只有一小部分消费品通过3D激光打印的方式来制造，这也将是一个万亿规模的巨大市场。作为3D打印制造的一种，激光快速成形在航空航天、汽车、船舶制造领域优势巨大。二、革新的号角美国3D打印设备巨头3D Systems(DDD.NYSE)的创始人，查尔斯胡尔(Charles W. Hull)比颜永年小1岁，他至今仍管理着公司，担任执行副主席一职，还是公司的首席技术官。 1982年，在一家紫外线设备生产企业任职的胡尔，尝试把光学技术应用于快速成型领域。他将一种液态光敏树脂倒入大容器中，在容器里放置一个升降平台，
16、容器上方的紫外激光器根据计算机指令照射液面，所到之处，材料会发生光聚合反应，迅速从液态转变为固态，当一层打印完成后，未被照射的地方仍保持液态，此 时在液面以下0.05毫米-0.15毫米的升降平台会下降一层，激光器开始打印第二层。这个过程不断重复，直到整个物件制造完毕(参见图1)。这项立体光 刻(SLA)技术就是最早的3D打印。胡尔于1986年申请了专利，并成立3D Systems公司。“30年前发明这项技术时，我们觉得这对制造业来说是一个机会。”胡尔的合伙人、3D Systems公司总裁亚伯拉罕雷切特勒(Abraham Reichental)对财经记者说，“现在，客户比我们还要积极，推动我们进
17、行适用性研究。五年前，大部分客户购买设备用于设计；从两年前开始，有 一半的客户用在了直接制造上。”3D打印不需要模具，可以直接进行样品原型制造，因而大大缩短了从图纸到实物的时间。任何形状复杂的零件，都可以被分解为一系列二维制造的叠加。这种快速制造的理念还衍生出多种不同的技术类型，除了SLA，常见的有熔融沉积造型(FDM)、选择性激光烧结(SLS)、三维打印(3DP)等，其基本工作原理都是逐层增加材料，最终形成物件，因此，这些技术都被通俗地称作3D打印。许多种“耗材”都可使用3D打印：沙子、人造橡胶、塑料、金属，甚至生物材料；3D打印的应用范围已经渗入生物医疗、航空、汽车、工业设计等多个行业，且
18、仍在不断拓宽。“就连美国海军都购买了90台机器用于航空领域的研发。”雷切特勒说。全世界的实验室里，正在实践一些更具雄心的想法：澳大利亚的研究人员加快了制造金属零件的速度，试制出打印汽车金属零部件的设备；意大利的一个研究团队正开发用于特种建筑的3D打印机，计划使用月球尘埃为材料，在月球上快速建造人类基地。除了省去制造模具的成本以外，相比传统制造工艺，3D打印对材料的利用率也惊人。美国F-22猛禽战斗机大量使用钛合金结构件，如使用传统的整体锻造方法，最大的钛合金整体加强框材料利用率不到4.9，使用3D打印利用率接近100。3D打印技术通过对金属材料的烧结或熔化，直接生成出金属零部件的发展趋势，让传
19、统制造业感受到巨大压力。“如果在金属材料上得到广泛应用，3D打印就可能引领新一轮工业革命。”华中科技大学机械科学与工程学院教授张海鸥预测说。三、中国研发曲折颜永年的遗憾是，1988年错过了芝加哥的一次工业展览会，没能亲睹胡尔推出的世界第一台的商用3D打印设备SLA250。同事带回来一张SLA250宣传页，已令他唏嘘不已。与材料成型打了半辈子交道的颜永年，发现固有的知识被彻底颠覆，当时在美国做访问学者的他，迫切想一睹这台机器的真容，无奈展览已经结束。 回国后，颜永年对3D打印念念不忘，相信这是未来制造业的重要趋势。他安排学生开始做分层软件的研究进行3D打印时，必须先用分层软件将物件的数字 三维模
20、型进行均等切分，然后分层输出，分层打印。与此同时，颜永年发出很多封电子邮件，终于在1991年将美国德雷克赛尔大学教授杰克卡布雷(Jack keverian)邀请到清华大学讲学，随后又到西安交通大学和上海交通大学等多所高校传播“快速制造”的理念和技术。中国3D打印研究的序幕由此拉开，像许多科研领域一样，大学和科研院所比企业对技术创新的潮流更为敏感，因而最先启动：清华大学、西安交通大学、华中科技大学与北京隆源自动成型系统有限公司，以技术引进为主，迅速形成了国内“三校一企”的3D打印研究阵营。这一格局也映射出了中国科技创新的普遍现象：原发性的创新缺失，仍处于以跟踪模仿和消化吸收引进技术为主的阶段。上
21、世纪90年代初，一台3D打印设备价格100多万元，在清华任教的颜永年拿不出这笔钱。在国内，启动像3D打印这样从零开始的技术研究难度很大，研究者必须给出充分的预期成果和应用前景论证，更重要的是，要具备一定的前期研究基础，否则，科技主管部门一般不会为之立项并给予相应经费。由于项目面临诸多的不确定性，当时颜永年也没有说服学校领导，将3D打印作为一个重点项目来支持。而国内企业大部分还在忙于追赶传统制造业工艺和技术，亦难以顾及如此前沿的领域。在这种情况下，课题组只好自己组建实验室。1992年，颜永年发动课题组，截流了原本可作奖金发放的经费，耗尽以前“科研收益的积蓄”，兴建了一座简易的3D打印实验室。 幸
22、运的是，一家代理3D Systems产品的香港公司正期望获得核心控制软件的经验，双方各取所需，成立了中国第一家快速成型设备公司北京殷华激光快速成型与模具技术有限公 司(下称北京殷华)。清华提供智力支持，香港公司提供一台SLA250设备。与胡尔的机器失之交臂三年后，颜永年见到了真东西。在取得初步研究成果后，课题组终于陆续获得了国家自然科学基金、国家“863”计划、国家攻关计划项目的经费支持。 然而，彼时这一产业在国外正经历低潮期，全球总产值在10亿美元水平徘徊多年。经过一段时间后，部委机构的热情渐冷，投入3D打印领域的研究经费大减， 中国3D打印基础研究放缓。2019年左右，颜永年也将研究重点转
23、向了国家当时大力推动的重型压机领域，仅留下小部分研究力量继续开发3D打印技术。经费的减少，亦让华中科技大学和西安交通大学的3D打印科研团队感到了寒意，好在其分别成立了校办企业，经营收入反哺科研，研究得以延续。九年之后，3D打印悄然成为2019年全球最热门的科技名词。四、怠误市场转机3D打印市场徘徊多年的主要原因在于：在工业级应用上，这项技术仍欠缺强度和精度，而且，工业级设备和原材料比较昂贵，因此，在产业化初期，这项技术更为适合新产品的开发和小批量零件的生产。摸索到这一方向的国外企业，开始将定位从高端、工业级客户群体，扩宽到那些追赶潮流的消费者。正是对精度要求不高，但追求快捷、低成本的客户群，促
24、进了其商业化的蓬勃发展。近五年，全球有多家小型创业公司利用开源的计算机软件，制造出可放在个人电脑桌上的3D打印机，并将价格降低至2000美元以下。利用这些开源技术，技术发烧友也能DIY出个性化的3D打印机。胡尔和他的公司3D Systems在2019年5月就研发出一款新型打印机“立方体”(Cube)，打开了日常消费市场。顾客无须学习复杂的3D设计软件，便可直接打印如棋子、首饰、厨具等物品。这些日常用品本来多是在中国等发展中国家加工生产。然而，这一市场的风向转机，并没有被中国的3D打印企业准确把握。多数院校体系的企业仍专注于工业设计领域。而“三校一企”中的企业北京隆源自动成型系统有限公司则致力于
25、为军工和少量发动机领域提供服务。具有清华大学背景的北京太尔时代科技有限公司(下称太尔时代)是调整了产品技术方向的极少数企业，“通过与市场接触，发现小型设备在当前更具有市场推力”。其副总经理颜旭涛介绍，2019年，太尔时代售出小型机3000多台，2019年增长更快。 而在江浙一带勇于尝试新鲜事物的企业，大多数属于并不具备研发实力的中小企业。它们能做的，不过是购置几台工业级3D打印机，像提供复印服务的便利店一 样，为客户提供打样等服务。也有一些有野心的企业会从国外进口核心部件，做几款样机，或者模仿进口的3D样机做逆向研发。小型3D打印 机已激增为一块“看得见的”市场，同时，也带动工业级3D打印机市
26、场逐渐有了起色。快速制造领域国际权威报告沃勒斯报告2019显示，截至2019 年，全球累计销售4.9万台工业级3D打印机，其中近四分之三由美国制造，以色列和欧洲各国的份额分别为9.3和10.2，中国生产的设备仅占 3.6，与日本相当。而全球领先的六家3D打印设备制造公司，2019年销售收入达6.96亿美元，占行业总收入近60。此时，欧美充满活力的3D打印企业，不仅在技术上尝新，而且在商业模式上也有创意。 2019年由飞利浦提供启动资金的Shapeways，令人瞩目的就是它“云打印”概念的O-O(线上线下)商业模式。它像Facebook一样打造自 己的用户社区，社区集销售、定制、设计于一体：顾客
27、可以在网上选定产品的三维设计方案，或直接上传自己设计好的3D模型，并选择材料，支付一定费用 后，Shapeways会用3D打印机将其制造出来并邮寄上门。截至2019年6月，该公司累计打印超过100万件产品；其制造社区中有超过6000家提 供设计服务的商家和个人；还有15万活跃用户。Shapeways以技术和新的商业模式先后赢得三轮融资，总金额超过1700万美元，由此实现了其在纽约创办“未来工厂”的梦想。由于3D打印在美国制造业的巨大应用潜力清晰显现，美国总统奥巴马2019年宣布，并在2019年国情咨文中重申：政府计划每年向先进制造技术投资5亿美元，并在四年后，提高到每年10亿美元，以提升美国的
28、领先地位。中国的科研、工业界也开始重新审视思考这一技术。2019年，颜永年重返3D打印领域，他发现最大的变化是：“以前需要跟政府官员讲解半天什么是3D打印，现在省了不少口舌。”五、共性技术缺失：产研学错位太尔时代，是2019年颜永年和几个学生凑钱成立的。限于清华教授的身份，颜当时未直接参与运营，其子颜旭涛是公司副总经理。在攻克小型3D打印FDM设备时，太尔时代遇到了如何能让喷头顺畅、稳定地出丝，如何提高精度，如何增加可打印材料的多样性等问题；而工业级3D打印机的研制中难啃的骨头更多：材料、微滴喷射技术和激光技术等，这些被业内人士称为“共性技术”。事实上，不仅是3D打印企业，中国目前产业升级碰到
29、的核心瓶颈，就源于产业共性技术的严重缺失。所谓共性技术是指那些蕴含潜在机会可以在多个产业中广泛应用的技术或工艺，它既是基础研究迈向市场应用的第一步，又具有被一个产业或多个产业共享的潜力。可见，共性技术的突破，与基础研究和应用研究皆密不可分。在发达国家的创新体系中，大学主要进行基础研究，研究所侧重于共性技术研究，企业主要致力于应用性研究和最后的产品化，产研学三方在市场机制下合作互补。但在中国，这三者的关系，却呈现出错位竞争的局面，致使科研与产业严重脱节。从大学来讲，对基础研究的热情正在下降。基础研究，是原始创新的基础，它意味着人才的培养、数据和成果的积累。中国科学技术发展战略研究院常务副院长王元
30、称，基础研究和前沿技术的布局，关系一个国家十年二十年的发展，因此稳定持续的投入非常重要。 然而，2019年后，中国的基础研究占研究与试验发展经费(R&D)支出的比例一直呈下降趋势。2019年至2019年，这一比例从5.36 降至4.59，而美国基础研究经费始终占R&D总支出10以上，经济合作与发展组织成员国中，法国、澳大利亚、瑞士均在20以上。与此同时，中国的大学越来越热衷于应用研究，且伸长手脚，自办企业。3D打印产业就呈现出浓厚的“高校军团”的色彩：除清华大学的北京殷华外，西安交通大学派生出陕西恒通智能机器有限公司，武汉滨湖机电技术产业有限公司则依托于华中科技大学。颜永年作为校方代表曾出任北
31、京殷华的董事长，公司团队主要由他实验室的教师和学生及外聘的几名工人组成。公司一年卖两三台3D打印设备就可以支 撑运营经费，盈利部分则需给校方分成。很快，这个校属企业就遇到了维持易、做大难的局面。由于经营业绩与个人收入的关系不大，且教师和学生对发表论文、评 职称的兴趣远超过销售产品，导致研究方向多瞄准高、精、尖题材，对来自市场的信号则表现迟钝。事实上，几家依托高校建立的3D打印企业，都未能在热销的3D打印小型设备上有所建树。中国科学院原副院长杨柏龄就指出，教授抓一帮学生，办一个小企业。这样的产业化不仅对创建研究型高校和研究机构不利，而且从企业规模上讲，对经济发展的贡献也上不了台面。实际上，它是满
32、足小团体利益的小富即安的模式。大学应在技术出了“孵化期”后，将其转给企业实现商业化，从而脱离高校管理。最早做出3DP打印技术的麻省理工学院，就通过技术转让实现了商业化，它把工艺分成四条技术路线，分别卖给四家公司，其中一家名为Z Corp的公司，现在已占据了业内领先地位。2019年，颜永年吸取往年的经验，彻底离开了大学，他找到投资方，注册了一家新公司。 从科研院所来讲，同样缺乏研究并解决共性技术的兴趣。3D打印初进入中国那几年，即2019年之前，中国的科研体系还属于计划经济体制：企业只管生产， 技术研发由科研院所进行，并无偿转让给企业，结果前者没动力，后者研发能力薄弱。是年7月，国务院下达关于加强技术
