建设增材制造（3D打印）技术的科技、教育与产业发展的系统工程

黄卫东

1 增材制造技术是制造领域的国际制高点 2012年3月发布的美国“国家制造业帥新网络”计划(NationaINetwoHkforManu血nSInnovahon-NNMl)Ngl+10亿美元联邦资金资助建立15个先进制造技术协同创新中心。2012年9月，美国政府高调宣布成立目家增材制造创新中jC9 (NAMII -National AdditiveMam ufa ctu ring Inn ov ation Ins tit ute），作为这15个计划中的先进制造技术协同创新中心中首先成立的示范性中心(Pilotinstitute)，奥巴马总统强调这个研究中心的成立是强化美国制造业的重熏步骤，英国国家技术战略委员会“未来的高附加值制造技术展望”报告，也把增材制造作为提升国家竞争力，应刑未来挑战的22个应优先发展技术之一。2013年9月，以路甬样副委员长和中国工程院周济院长领衔的：啦院士和专家，以，院士建议。的形式向中央提出了“关于加快我国增材制造(3D打印)技术与产业发展的建议”，提议中央对增材制造技术’尽快通过制订战略规划，实施重大工程，在较大范围推动交叉创新、协同创新，大力推进多方面、多领域应用，尽快缩小差距，迎头赶上，取得战略主动”。

2 增材制造技术对两化深度融合具有十分重要的意义

工业和信息化部于2013年8月发布了‘信息化和工业化深度融合专项行动计划’，指出： “推动信息化和工业化深度融合是加快转变发展方式，促进四化同步发展的重大举措，是走中国艴新型工业化道路的必然选择。对于破解当前发展瓶颈，实现工业转型升级，具有十分重要的意义”。关于“智能制造生产模式培育行动。的目标，明确提出了’加快工业机器人、增材制造等先进制造技术在生产灘中应用”。

诞生于上个世纪八十年代末期的增材制造技术是制造技术原理的一次革命性突破，它形成了最能代表信息化时代特征的制造技术，即以信息技术为支撑，以柔性化的产品制造方式最大限度地满足无限丰富的个性化需求。

1892年—个立体地形模型制造的美国专利首创了叠层制造原理，在其后的一百年间，类似的叠层柳造专利有数百个之多，实践中的技术探索也层出不穷。但以1988年第一台可以工业应用的立体光刻机器的诞生为标志，以快速满足柔性化需求为主要应用目标的现代增材制造技术才真正形成。可以说，如果没有CAD实体模型设计和对其进行分层剖分的软件技术，没有能够控制激光束按任意设定轨迹运动的振镜技术、数控机床或机器手，增材制造技术的柔性化特征就只能停留在一种理想化的原理层面。因此，增材制造技术应该被称之为信息化增材制造技术或数字化增材制造技术。从这个意义上看，增材制造技术本身就是两化深度融合的先进制造技术。更进一步，增材制造技术为机械结构的拓扑优化设计提供了技术实现途径。拓扑优化设计是高度信息化的设计技术，但过去因为没有可行的技术实现途径而难以在机械结构设计和制造中发挥作用。增材制造技术与拓扑优化设计相结合，为制造业带来了高度信息化的美好前景。

3 增材制造技术面临难得的发展机遇

增材制造技术是中国在高技术领域与西方同步发展的—个难得的机遇。我国在传统制造技术领域与发达国家差距谳，短期内很难显著缩小差距。但在增材制造的科学研究和技术发展方面，中国和发达国家差距很小，有的方面甚至领先。然而与大多数先进技术的情况相似，中国在增材制造技术的产业化发展方面与西方差距很大。如何把科学技术同步发展的难得机遇转化成产业化发展上的并驾齐驱甚至超越，是摆在我们中国人面前的一个重次课题，十八届三中全会要求把国家经济和社会发展转变到创新驱动的轨道上来，这是实现中华民族伟大复兴的—个根本性的转变。创新驱动的发展主要依靠科技支撑，增材制造技术不仅本身是引领制造业发展方向的先进科学技术，还是一种开启创新设计、培养创造性思维方式和能力的极佳手段，中华民族伟大复兴的中国梦是由包括增材创造的中国梦等无数梦想构成的，我们要聚集一大批怀揣增材制造中国梦的有志者，把这个难得的机遇变为现实，错过这个机遇，我们将愧对祖先和后辈。

4 增材制造技术是未来社会不可或缺的基础技术

增材制造技术不是一个只面向特定领域的孤立技术，而是一个其应用可覆盖工业和社会的几乎所有领域，在最高层次上创新的制造技术原理。创新能力是未来社会最重要的核心竞争力，未来社会产品更新换代的速度越来越快，而增材制造技术是研究开发新产品的最佳技术手段。前两次工业革命将低效率、低水平的分散式的手工作坊生产模式转变为高效率、高水平的大工业集中生产模式，其不足之处在于不能有效满足社会的个性化需求，以新能源和信息化为基础的第三次工业革命又将转向高效率、高水平的分散生产模式，人类性中的个性化需求将被极大地激发出来，使个性化生产成为一种至少与批量化生产并驾齐驱的基础生产方式，并随着社会发展而日益重要·增材制造正是这种分散生产模式的基础制造技术，因而在未来社会和经济发展中越来越不可缺少。

基于上述的站略定位，应该把增材制造技术作为一个长期发展的系统工程来建设，以满足未来社会广泛而长远的需求。

作为—个系统工程，我们要实现增材制造技术的基础研究和人才培养，面向实际应用的工程化研究和产业化生产三个层次的良性互动。要把中国发展成为增材制造的强国，使其对国家的创新发展战略起到有效的支撑作用，这三个层次良性互动的发展是必不可少的。每—个层次都有其不可替代的作用和自身特殊的发展规律，实施主体和思维方式，首先必须尊重这种特殊性，层次的错位必然难以成功。但另一个同样重要的方面，是建立这三个层次之间清晰的良性互动关系，同时，每一个层次上都要实现所有创新要素的有效协同。各种创新要素中，最核心的是大学和企业。大学包含了学和研两方面，企业包含了产和用两方面，产、学、研、用的发展都需要钱，所以金钱是重要的辅助要素。政府的作用，在于通过政策引导和资源配置整合所有上述创新要素，粗负有建立一个良好的创新生态环境的责任，这在中国尤为重要。名种创新要素的有效协同是实现先进的科学技术产业化发展的关鞋而缺乏有效盼创新新机制，正是中国过去先进技术产业不足的关键原因。所以，我们有效协同各种创新爱素来发展增材制造技术的科技、教育和产业。

基础研究和人才培养的主体是大学，但作为—种应用性技术，增材制造技术的基础研究和人才培养只有与工业界密切协同才更易于获得成功。应用技术的价值，只能以舡业发展和社会服务的贡献来衡量，因此必须以工业和社会需求引导应用技术的基础研究和人才培养方向。另—方面，产业发展和社会服务的巨大需求是面向应用的基础研究和人才培养最根本的驱动力。所以，大学的科学技术研究和人才培养同产业的发展是互为支撑的关系，

产业化生产的主体当然是企业，实现创新驱动的发展要求企业有很强的持续创新能力，这正是中国企业的短板。所以企业—方面必须大力发展自己的创新能力，同时又与大学和科研机构形成密切的合作关系，这两方面都是发达国家的企业显著优于中国企业的地方。

改革开放以来中国已经陆续高速发展了三十多年，但靠投资拉动、廉价的资源和劳劫以及引进技术来支弹的传统泼展模式已经难以为继。工业振兴的科技支撑。主要是指面向产业化应用的工程科学技术，包括源头创新和集成创新的技术两个方面，中国过去最先进的生产力大多是通过引进技术形成的，这样在技术水平上就永远与发达国家有—个显著的差距，用自主研发的技术来支撑最先进生产力的的发展，应该是实现创新驱动的发展局重要的任务之一。所以，面向产业化应用的工程科学技术研究，应该是在转变经济和社会发展模式的大背景下特别受刀重视的发展方向。

西方的企业本身具有很强的创新能力，特别是大型企业—般都有非常强大的研究机构，真正起到了技术创新主体的作用。但中国的企业目前还不能真正起到国家技术创新主体的作用，由于企业啪惭能力不足，中国的大学承担了很多本应自企业研究机构承担的工作，这种情糊内难以根本改变。因此，—方面要鼓励企业建立与大学密切协同工程研究中心，使企业逐渐发展成为国家的技术创新主体；另—方面还要大力建设依托于大学而与企业密切协同的工程研究中心。在先进制造发展最为成功的德国，—方面企业本身的研究机构非常强大，但仍然有很多依托大学的工程化技术研究机构，工业界与学术界的密切协同，应残綑先进制造业一个非常重要的成功经验，

增材制造技术涉及到工业制造、生物医学制造，消费品制造、文化创意品制造和创新思维教育等十分广泛的应用领域，是一个必将在全社会普及的重要应用技术，及早在大学建设相关的新学科进行科学技术研究和人才培养十分重要。率先建成比较完备的增材制造学科体系的大学，必将在未来的大学竞争中占据有利地位，并对推进我国增材制造科学技术研究和高层次人才培养做出重要贡献。增材制造产业的发展，也必然需要建设与之相应的职业教育体系，以培养相关的操作工人、技术人员和管理人员。

还应重视在基础教育中从小培养学生的创新意识和能力．3D打印是一种培养创新意识和能力的极佳教育手段。为全国的普遍中小学配备3D打印机并开设相关的课程，使中小学生有条件应用3D打印机实现自己的创意·这将大大激发我国青少年的创造热情，同时使他们从小就学习和掌握相关的机械、激光、信息和材料技术，井训练良好的动手能力。我国经济和社会发展以创新为主要驱动力的发展战略，需要大批具有创新意识的能力的人才，从基础教育抓起是最明智的选择。

当前，增材制造已经成为我国社会各个方面广泛关注的热点，国内有不少地区正在着手建设增材制造产业园等产业发展平台·在条件成熟的地区，确实应该及时抓住机遇发展增材制造产业。然而，很多地区目前还并不具备成熟的产业化发展条件，贸然上马走向失败的风险很大。增材制造产业园欲取得成功，应该关注以下几个重要问题：

1 寻求真实的工业和社会需求

产业发展必须建立在真实的工业和社会需求之上，没有找到需求就仓促上马的产业园很难成功，不但导致国家和社会资源的浪费，还将把公众对增材制造技术的热切期望转变成巨大的失望。光伏和风能产业的前车之鉴需要认真反思。作为—个发展时间不长的新技术，增材制造的工业和社会应用的潜力才刚刚展现。任何一种技术都不能包打天下，都有自己适当的应用领域。另外，作为一项发展中的新技术，即使是有些领域非常适合增材制造的应用，但也可能因为当前的技术条件还不够成熟，或者是与传统技术相比暂时没有成本优势而一时难以真正找到用武之地。因此，准确定位增材制造的应用并不是一件简单的事情。

2 拥有经过充分训练的技术团队

当前发展增材制造技术与产业主要的瓶颈是缺少经过充分训练的技术团队。作为—个高新技术领域，需要足够数量经过充分训练的技术人才才能实现增材制造技术的产业应用。增材制造技术在最近两年突然受到社会的高度关注，在此之前，它只是一个很少人涉足其中的非常小的技术领域。面对突然涌现的大量发展需求，技术人才不足显得非常突出。人才培养需要—个较长的过程，短期内很难培养出足够数量的技术人才。

3. 重视以协同创新方式进行发展产业应用必须的工程牝技术研究

科技成果转化难被认为是我国科技界和产业界长期没有很好解决的一个难题，最先进的生产力大多是通过引进技术形成的。事实上，科技成果转化难其实是一个伪命题，真实情况是我国很少有达到产业化成熟程度的科技成果。一项先进技术要达到产业化成熟程度，必须经过充分的工程化研究，这是一个需要巨大投入，尚存风险而又亮点不多的研究环节，我国的政府、工业界和科技界都对此兴趣不大。我们能不能把在增材制造技术研究上与发达国家并驾齐驱的难得机会转化成产业发展上的并驾齐驱，成败关键就在于我们能不能投入充分的资金，并以‘政产学研用金。协同创新的方式，进行发展产业应用必须的增材制造工程化技术研究。

（作者单位：西北工业大学凝固技术国家重，最实验室）