工业化3D打印

　　受国际金融危机和欧债危机的影响， 欧美等发达国家纷纷推行以重振制造业为核心的"再工业化"战略，积极抢占先进制造业制高点，以关键领域技术创新为核心，力图掌控新一轮技术创新主导权，并积极谋求生产方式的变革与商业模式创新，以确立在第三次工业革命进程中的优势地位。

　　欧美发达国家还通过信息网络技术与数字化制造技术的结合加速推进生产方式向个性化、定制化转变。美国政府在2012年年初开展了一个新项目，计划在未来四年内在1000所美国学校配备3D打印机和激光切割机等数字制造工具。Autodesk（欧克特）、PTC（美国参数技术公司）和3D Systems等产业巨头发布了供业余爱好者甚至儿童使用的免费设计软件，同时提供了可将设计上传并制作成3D打印或激光切割成品的服务端。消费者可以通过在网上下载相应的CAD软件，选择利用3D打印机等功能强大的数字桌面制造工具，自己动手完成产品的制造，在部分领域实现由传统的大规模批量生产向个性化、定制化生产方式转变。

　　奥巴马称3D打印技术将推动美国经济增长

　　美国总统奥巴马在最近的国情咨文演讲中多次强调3D打印技术的重要性，称其将加速美国经济的增长。奥巴马指出：政府不仅已经在俄亥俄州扬斯敦成立了首个制造创新中心，而且还有3个创新研究中心在筹建当中，最终将会发展成一个3D打印制造业的全美网络，美国一些落后地区将再次创造奇迹，成为全球新的高科技中心。

　　媒体预计奥巴马的演讲将会带动3D打印概念股票的上涨，事实也是如此，3D Systems上周三股价增长了4%，Stratasys去年累计上涨超过5倍，不久前刚在纳斯达克上市的ExOne也累计上涨了47%。

　　3D打印源自100多年前的照相雕塑和地貌成形技术，上世纪80年代已有雏形，其学名为“快速成型”。它的原理是：把数据和原料放进3D打印机中，机器会按照程序把产品一层层造出来。打印出的产品，可以即时使用。

　　美国计划成立15个创新中心：3D打印成焦点

　　美国总统奥巴马在国情咨文演讲中表示，计划建设一个包含15个制造创新中心的全国性网络，希望专注于3D打印和基因图谱等各种新兴技术。

　　 “现在是时候达到太空竞赛之后从未实现过的研发投入了。”奥巴马说。

　　奥巴马提到了在杨斯顿(Yongstown)新建的美国国家增材制造创新学会(National Additive Manufacturing Innovation Institute)，这个创新中心由美国联邦政府出资，并得到了60所高校和企业的协助。该中心的目的是研究如何利用3D打印技术全面提升美国制造业。

　　奥巴马称，还将在其他地方新建类似的中心，并宣布启动另外3个制造中心，使得企业与美国国防部和能源部合作将落后于全球化的地区，转变成全球的高科技中心。

　　 “3D打印”的故事

　　 在有关“新工业革命”的争论中，最热门的概念莫过于“3D打印”。

　　电影《十二生肖》中演示了这种神奇机器的魅力：成龙饰演的窃宝大盗，只需把狗头、鸡头等雕塑的三维模型数据扫描输入电脑，世界另一头的3D打印机就能在第一时间把一模一样的复制品迅速打印出来。

　　通常来说，3D打印是工业制造领域“快速成型机”的俗称，如今却成了“一项改变世界的新技术”。3D打印的最初原理，早在100多年前的照相雕塑和地貌成形技术中就有应用。但只是到了20世纪90年代信息革命之后，数据分析大规模普及，这项技术才开始逐渐应用在工业领域。

　　最近几年，欧美发达国家通过3D打印技术，成功地“打印”出了手枪、自行车、汽车、电控飞行器等实物，虽然其质地和耐久程度与传统工艺还有差距，但确实正在开启制造业的新空间。

　　美国比较顶尖的3D打印服务提供商Shapeways的首席执行官曾表示，他们已经“打印”了75万种产品，使用的材料包括塑料、不锈钢、银、陶瓷和玻璃等。同时，在珠宝制造和模型制作以及时装业、电影业、建筑业等10多个不同的行业和领域，3D打印正在获得更广泛的应用。美国《时代周刊》甚至将3D打印产业列为“2012年美国十大增长最快的工业”。

　　年逾七旬的清华大学教授颜永年是我国大型模锻液压机的设计者之一。这位传统机械制造领域的顶尖级专家，早在1988年就在美国感受了3D打印技术初创时的“颠覆性”冲击。

　　传统工业机床的切、削、割、磨、钻、铣等加工工艺，都是“减法”制造；而3D打印“反其道而行”，通过计算机分层软件将物体的三维模型进行均等切分，还原成二维的“切面”，然后一层一层累积“打印”出来，这是典型的“加法”制造。

　　颜永年回国后力推3D打印的新制造理念。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一起，以技术引进为主，形成了中国“三校一企”最早的“3D打印研究阵营”。

　　但3D打印成为“大热门”却要等到20多年后了。多年徘徊的关键因素在于，这种新工艺的强度和精度一直难与传统工艺相比。比如，塑料、陶瓷制品用3D打印还勉强可以，但打印一把金属锤子就比较困难——把颗粒状、粉末状的金属材料重新粘合在一起，变成完整的物品，强度往往不够。

　　不过，最近两年来的3D打印“热潮”恰恰爆发在民用领域。那些“追赶潮流的消费者”捧红了3D打印，他们“打印”物品并不需要工业级别的高精度、高强度。

　　从大众级的应用入手，本来就是互联网时代的特性决定的，3D打印满足了崇尚个性的新一代消费者DIY（自主制造）的乐趣。当人们开始想象在自己的后院就能“打印”出极具个性化的盘子、碗和茶杯，以这种“特殊方式”款待客人时，一个全新的产业就此诞生。

　　在美国，一度上百万美元的3D打印机如今降到2000美元。而几家具有代表性的3D打印公司，股票在两年内成倍地暴涨。

　　退休之后的颜永年教授再度“创业”。2012年，他在江苏昆山成立永年先进制造技术有限公司，专注于3D打印技术。他要实现自己多年来的梦想。

　　不一样的工业革命

　　积极投身3D打印创业大潮的重要人物，还有美国著名的新技术杂志《连线》的主编克里斯·安德森。他在去年年底离开了任职12年的显赫岗位，成为机器人公司3DRobotics的首席执行官。

　　克里斯·安德森把3D打印推高到了“新工业革命”的高度。这位畅销书作家在新书《造物者：新工业革命》中说，3D打印机就像第一次工业革命时的珍妮纺织机一样有着深远的历史意义：

　　从此，那些传统的在工厂中制造的东西，将搬到消费者自家的桌面上，福特式的大规模生产时代，将被个性化定制、“自己动手”设计并制造的创新时代所替代。进而，数以百万计的发明家和爱好者的集体智慧，将不仅在网络上而且在现实中“喷薄而出”。

　　安德森以此证明自己绝不是“一时冲动”才辞掉工作的。不过，也有业内同仁评价他，只是“一位出色的演讲者和煽情大师”，并且非常怀疑，“一个只能制造塑料玩意儿的3D打印机能对现代工业产生多大的颠覆性影响？”

　　英国《金融时报》的制造业编辑彼得·马什，应该是克里斯·安德森的拥趸，他把制造业的新变化上升到了国家竞争层面。2012年他连续撰文出书鼓吹“新工业革命”，并且预测3D打印、机器人、数字制造等工艺一旦在美国和西欧国家生根开花，发达国家就有可能将失去的制造业份额，从中国等新兴国家手里抢回来。

　　他的逻辑颇有说服力。新型制造的特点是个性化“按需定制”，因此生产地点必须靠近使用地点。这样一来，原来从发达国家转移到新兴国家的制造业将“回流”。一旦3D打印等“智能制造”开始普及，加上美国能源成本持续降低，那么中国的“劳动力成本优势”就不再有从前那样的竞争力了。

　　数据显示，2000年发达国家在全球制造业产出中所占比重高达73%，2011年则下降到54%。2000年中国在全球制造业产出中所占比重为7%，2011年达到19.8%，从美国头上抢走了“第一”的桂冠。在此期间，巴西在全球制造业产出中所占份额从1.7%上升至2.9%；印度从1.2%上升至2.3%，俄罗斯则从0.8%上升至2.3%。

　　在彼得·马什看来，崇尚技术进步一直是西方发达国家的优势。在1800年，以中国为核心的经济体（今天所谓“新兴经济体”）在全球制造业产出中所占比重高达71%，而西方国家当时仅占29%。但这一份额主要基于中国的人口优势。

　　相反，正是因为发明了蒸汽机，由此爆发了“第一次工业革命”，西方实现了赶超。截至1900年，中国在全球制造业产出中所占份额下降至6%，而“新兴经济体”的合计份额则降至13%，西方国家则占据了剩余的87%。这一优势，经过后来的“电气革命”、“信息革命”，一直为西方国家所保持。

　　21世纪的“新工业革命”是否会重复“昨天的故事”？彼得·马什没有给出明确的结论，但他强调技术领先者一定会从竞争中胜出。

　　一些迹象表明，美国通用电气、卡特彼勒以及福特等大企业正在觉醒，开始在本土大规模投资先进制造业，而中国以及其他新兴经济体制造业的增长势头在2012年已显露疲态。

　　美国学者杰里米·里夫金给“新工业革命”注入了新要素。他更强调互联网与新能源结合，将对人类生活产生巨大变化。

　　去年，欧盟已经表示要把1.9亿幢建筑转化为“微型绿色发电厂”。什么意思呢？就是在传统建筑的房顶上安装太阳能设施，在屋前院后装上风能发电设备，利用地热供暖，甚至要把厨余垃圾转化成生物能源。同时，单个家庭可以利用氢存储技术和智能电力分配网连为一体，在网络上自由交换能源份额，以达到最大化集约利用。

　　里夫金来中国访问时曾表示，中国在可再生能源方面的地位正如沙特在石油产业中的地位一样，中国每平方米的可再生能源潜力要远高于大多数国家，因此，应该大力推进所谓的“第三次工业革命”。 

　　争议无处不在。互联网资深评论人士谢文认为，里夫金的说法缺乏“可行性分析”，更像是新能源产业外围游说机构的二三流脚本，“与近年光能、风能产业盛极而衰、一地鸡毛的现实相比，显得尤其可笑”。

　　有能源行业分析人士表示，像太阳能、风能、水电、生物能这些“新能源”，即便有某些技术进步，但与煤炭、石油等化石能源相比，都应是人类当下能够实现的同一技术级别的能源利用方式，并没有更高的技术含量。“它们都只不过是‘采集能源’，而非‘制造能源’”．

　　还有分析称，真正“革命”式的能源深度开发是核能。从采集食物到生产食物，农耕文明是人类技术跃进的一大步。同样，从核裂变到核聚变，人类科技深入到微观粒子层面，从采集千万年沉积下来的化石资源，到通过分析物质微观结构和分子运动，掌握其规律，从而“生产能源”，真正实现“再生和永续能源”，这才是人类又一次伟大的跨越式技术进步。

　　由此看来，不论是以3D打印为代表的“新工业革命论”，还是以“能源互联网”为基点的“第三次工业革命论”，都忽略了核能的潜在意义。

　　中国科学院大学技术创新与战略管理研究中心主任柳卸林认为，工业革命的发生要看它的资源基础是不是可持续和大量供给。煤炭、石油以及信息技术需要的硅资源，都有大规模开采和消费的潜力，而目前“新工业革命”还看不出资源利用背景的变化，所以“不可能在一夜之间到来”。

　　中国会被甩掉吗

　　不同的研究者从不同的视角定义“新工业革命”。相对而言，中国科学院中国现代化研究中心的研究比较周密。

　　他们对近代以来的科技革命进行了细分：第一次革命是近代物理学的诞生；第二次是蒸汽机和机械革命；第三次是电气和运输革命；第四次是相对论和量子力学革命；第五次是电子和信息科技革命。

　　课题组认为，目前全球都处于“第六次科技革命”的前夜，这将是一次“新生物学和再生革命”。其主要内容涉及生命科学、信息科学、纳米科学、仿生工程和机器人的结合，信息转换器、人格信息包、两性智能人、人体再生和互联网的结合等。

　　由此，人类将获得3种新的“生存形式”——网络人、仿生人、再生人。在此基础上，人类将以新的存在形式，离开地球走向太空，在更广大的宇宙中创造更高级的文明，从而引发下一次也就是第七次科技革命——“新物理学和时空革命”。

　　课题组负责人何传启预测，第六次科技革命将在2020年前后爆发，而第七次科技革命大约在2050年前后开始。

　　“这为中国科技发展提供了难得的机遇，如果我们能够超前布局，就可以抢占制高点，有可能成为‘领头羊’。相反，如果无所作为，那当然就会坐失良机。”

　　事实上，3D打印技术的深层应用的确与人类“再生工程”有关。

　　颜永年去年年底曾就“生物制造”话题做了一个详尽报告。他介绍说，目前3D打印技术正试验“打印”生物体的细胞组织结构，下一步就是要“打印”人体的皮肤、软骨、肌肉、血管、气管。这种基于3D打印原理而产生的生物技术，被称为“细胞三维受控组装工艺”。

　　这方面，中国的研发进度并不落后。清华大学相关的课题组与医疗机构联合试验，用3D打印技术制造动物骨骼支架，“一共做了24条狗，100多只兔子”。

　　作为中国3D打印技术产业联盟首席顾问，颜永年强调，3D打印使得人体组织和器官的再生手段大大丰富和加强。

　　他认为，20年后人们将弄明白自身器官的运行机理，而用不了50年就能制造出所有的人体器官。人确实有可能成为“造物者”。

　　革命性的创新技术在完全释放出它的能量之前，往往看不出什么“先进性”。但因此而缺乏紧迫感甚至跟不上趟的国家，一定会丧失机遇。

　　去年10月，中国3D打印技术产业联盟成立，与会专家一致认为，3D打印技术作为制造业领域的一次重大技术革命，已经广泛应用到航空、航天等军事领域和大型复杂构件的一次成型制造，是传统制造技术与新材料的完美结合。

　　该联盟认为，中国在3D打印技术的核心领域已经与美国、以色列等国际巨头“基本处于同一水平”，但是，在材料和软件开发、装备等方面还有一定的差距，还需要引起政府主管部门的重视，并在重大技术专项等方面给予扶持。

　　北京航空航天大学材料学院王华明教授被推举为联盟首任理事长。他所研发的“高性能金属构件直接制造技术”，属于3D打印的高端工业级应用。

　　与那些“打印”出来的塑料玩具不同，王华明的技术利用激光束，对粉末或丝材进行逐层熔化、快速凝固、逐层堆积，能够直接制造出强度足够高的金属零部件。

　　举例而言，在高端制造领域，像F22猛禽战斗机和波音787大客机都需要钛合金结构件，如采用传统锻造和机械加工工艺，既耗时又费力，还需要数万吨级重型液压锻造装备进行加工，材料利用率通常不足10%。但应用3D打印就不同了。

　　中国正在研发的C919大型客机，其机头工程样件就需要钛合金主风挡窗框。该部件从欧洲订购需要两年，每个部件的锻造仅模具费就要50万美元。而采用王华明的激光直接制造技术，从制造零件到装上飞机仅用了55天，零件费用还不到其模具费的五分之一。

　　业内人士称，王华明的3D打印技术具有材料利用率高、加工量小、柔性高效等优点，在高端工业制造领域是个“革命性”突破，目前美国等发达国家也不掌握其中的关键技术。

　　王华明对于民用级别的低端3D打印能否广泛应用持保留态度。“真正的一把小小的金属材料手枪，根本不需要3D打印，因为‘打印’出的手枪金属零件精度达不到要求、成本还高、速度也不快。用传统机床去加工这些手枪的简单金属小零件，既不费料、也不费时，不仅速度快、精度高，而且成本低。”他举例说。

　　同时，他也不认为3D打印技术能与“第三次工业革命”画等号，应该说这只是新工业革命的一个重要元素。

　　毕竟，3D打印的产值在全球制造业中所占份额仍然微不足道。2011年，全球3D打印市场规模为17.1亿美元，仅占世界制造业总产出的0.02%。

　　下一个失败者是谁

　　不论里夫金的观点多么引人争议，他有一句话至少说对了：“危机，既是变革的背景，也是变革的动力。”

　　2008年金融危机后，有关新技术革命的各种说法越来越多，这本身就反映了全球经济所面临的深刻危机和巨大压力。

　　经济学家李才元认为，与其叫“新工业革命”，不如称为“新实业革命”，因为下一轮技术升级的背景和基本动力，主要在于二战后几十年来世界经济体系越发“泡沫化”，大宗商品、房地产等资源泡沫已经把实业淹没了，制造业被高房价、高税收、高利息、高路费等“拦路虎”层层盘剥，如果没有新技术革命，金融危机后全球分工体系的“结构失调”会恶化，“很可能会倒掉”。

　　他表示，对中国经济而言，抓住新技术革命“战略机遇期”，从一个追赶者变成引领者，至少要同发达国家齐头并进，这是一切国家规划和战略设计的前提和基础，“这既是出路也是希望，没有真正的技术革命，怎么实现最美的‘中国梦’？”

　　从英国开创“第一次工业革命”开始，强国的崛起必须与技术革命捆绑前行，历史上不存在技术上落后还能自称强大的国家。比如，即便已经被人超越，英国的工业毕竟还保留了罗尔斯-罗伊斯公司——世界上最先进的航空发动机公司，这可看做“英国制造”的看家狗。

　　同样，每一次新技术革命的孕育期，都给后发展国家提供了“弯道超车”的历史机会。今天，有关“新工业革命”的所有争论，都可看做是新一届“全球经济奥运会”的发令枪。在核能、智能互联网、物联网、生物工程、先进制造以及航天、海洋等具有战略意义的新技术“跑道”上，中国必须全力参赛。

　　在何传启主编的《第六次科技革命的战略机遇》一书中，有这样两段话令人深思：“在过去50多年里，中国有世界最大规模的科技发展计划，但没有具有世界影响的科学突破和技术发明，没有获得诺贝尔科学奖”；“中国现行科技体制，在应对第五次科技革命时，绩效并不理想。那么，它能保证中国抓住第六次科技革命的机遇吗？”

　　目前，投身于3D打印行业的国内企业并不少，但多数公司都聚集在设备应用领域。据业内人士反映，3D打印的产业链很长，材料、高精度喷头、数控设计等几项基础性“共性技术”，仍然需要从国外采购，而单个企业往往无法靠自己的力量突破这些技术“瓶颈”。

　　事实上，中国制造业进行产业升级的主要难点就在这里：国内企业习惯于从国外引进技术，或者参照已有的技术路线进行开发，以“规模追赶”来确立自己的优势。但这种过于重视短期效应、急于求成的心态，往往使得中国企业“永远处于追赶当中”，因为“当你追上的时候，人家已经踏上另一个赛道了”。

　　面对“新工业革命”的挑战，真正的成功者必须有进行“颠覆性技术研究”，并快速实现产业化的能力，而失败者一定是那个“低着头只会跟跑的”。

　　有专家建议，中国政府和企业必须设立专门的机构和公司，“对未来产业进行深入研究”，以发现、注册高新技术专利，先期占领未来产业发展制高点为使命。而有关的金融机构，也有责任对前瞻性的新兴技术尤其是基础研究，加大投资力度。

　　柳卸林认为，中央政府应对全国产业有核心辐射能力的领域进行支持，尤其是需要大量基础研究的领域，如集成电路、大飞机、航天等；地方政府扮演的是接力棒的角色，它不做基础研究，但可以把科研院所、大学的一些技术成果介绍出去，让企业家来作判断。“我国要建立一种互动的机制，包括中央与地方的互动，科学与产业的互动。”

　　“政府的钱不但要投资新技术，政府部门尤其是政府采购，还要成为新技术、新产品的试验场。”李才元认为，在目前全球技术竞争格外激烈的局面下，政府必须主动扮演好“新市场培育者和孵化者”的角色。

　　同时，要在大学科研机构建立“伯乐体制”，筛选出真正有竞争力的“技术千里马”；还要在金融市场推进“科技金融”的主导战略。只有这样，新产业才能在市场、人才、资金三个方面得到最有力的支持。

　　他说：“有了源头活水，新技术才能破茧而出。”

[时间：2013-09-18  来源：创印网]