“创客时代”，3D打印将走向智能化
2015/7/2 千人智库
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——专访中科院宁波工研院先进制造所副所长张文武
文/本刊记者 杨正楠
《经济学人》杂志曾这样评价：“伟大发明所能带来的影响，在当时那个年代都是难以预测的，1450年的印刷术如此，1750年的蒸汽机如此，1950年的晶体管也是如此。而今，我们仍然无法预测，3D打印将在漫长的人类社会发展历程里如何改变这个世界。”
毫无疑问，3D打印是近年最火热的词语之一，其为社会带来的利好已初现端倪，但是目前仍面临自身技术和社会方面的困难。这个方兴未艾的行业该如何发展？未来是否会给制造业带来颠覆性的变化？在世界各国争相布局3D打印发展战略的背景下，中国又该如何抓住机遇？为此《千人》杂志对话中科院宁波工研院先进制造所副所长张文武博士，针对3D打印的未来发展，张文武博士认为，工业走向智能化，变得就像有生命一样，确实是一个正在到来的趋势，3D打印也不例外。3D打印的发展需适应“创客时代”的社会，协同创新、精益创新才是科学合理的发展之道。
“多维增益”：助力实现智能化3D打印
《千人》：3D打印和传统制造业相比有什么优势？对制造业会产生什么影响？
张文武：从技术的角度讲，我们的工业发展和制造技术是在朝智能化、绿色化、可持续化的方向发展。工业走向智能化，变得像有生命一样，确实是一个正在到来的趋势。而3D打印则是智能制造技术的一种。
3D打印相比传统制造业的优势在于，传统制造需要考虑方方面面，比如可制造性、装备性等，而3D打印可以直接通过信息来驱动；传统制造业可能需要很多步骤，3D打印则会省掉很多步骤，甚至能实现自组装的打印方式。
如果实现上述技术优势的话，3D打印会带来制造形式上的改变，即出现分布式制造的形式。所谓分布式制造是指只要设计出一个系统，产品不一定非得在大工厂才能配套地制造，而是可以实现全球分布的、灵活的个性化定制。现在这种制造还是小规模的，但将来肯定会越来越大。
《千人》：您曾提到过功能优先的制造时代，此说法和3D打印有什么关联？
张文武：所谓功能优先，是指首先考虑产品的功能，而不是制造。传统制造需要全盘考虑许多方面，比如刀具、材料能不能加工？有些形状、内嵌结构能不能造出来？强度和外观要达到怎样的程度？限制很多，需要很深厚的工艺经验，需要综合考虑材料、加工等各方面因素。现在可以重点考虑产品的核心功能，把制造成本、复杂度等问题放到次要地位。功能优先实际上是制造业进入创客的时代，设计师、创意、总体架构的设计等最具创造性的部分会越来越重要，而制造技术会越来越成熟，甚至制造过程可以极大地自动化，制造门槛越来越低。
3D打印是从离散的点到线到面到体的堆积，制造成本与复杂度和制造批量关系不大。这些特点可以实现功能优先的制造思想。
《千人》：您提出3D打印的发展趋势是多维仿生增益制造，那么您认为应该如何实现？
张文武： 3D打印最初有快速原型制造、激光快速成型等一系列的技术性名称，后来学术界为了统一，并归纳它的特点，称之为增材制造。实际上，增材制造是增材、减材、等材三大类制造技术中的一种，而3D打印是增材制造技术里面，稍微精细的数字化、计算机控制的一种，是数字化、精密化、从离散到整体的一种技术，它本身就是N分之一的N分之一。
最初这样命名主要是表达把材料进行三维制造的意思，是从几何的角度来刻画从离散到整体的制造特征。后来又有人提出4D打印的说法，原因是材料不是一成不变的，是可以随着时间发生一定变化的，比如它的尺寸会变大变小，或者会发光，或者有一定动作，是四维的。那么有没有五维、六维、七维、八维呢？
因此我提出“多维增益技术”这种说法。“多维”是指我们把智能这个因素加入到传统的三维里，“智能”是可以随时空变化的，是可以根据外界因素做出反应的。比如一个系统，我们希望它承受一定应力或温度后会变颜色，这就是智能化的。
“增益”本身也是智能的一部分。它具有两层含义，第一是对整个先进制造技术发展趋势的概括，这里的益是指价值，增益就是增加价值，增加价值密度、功能密度。第二是指对生态做出正面的贡献。人类一直在研究增加价值，但同时，也应该提高产品的精益度，用有限的代价实现更多、更好、更密集的功能，浪费更少的资源，对大自然造成更少的破坏，考虑生态效益。
增材是先进制造的一种具体形式，而增益是整个人类工程大的趋势，是目的。增材应该遵从增益的规律，以一定的工程标准来衡量它，不要一味地增材。这样实际上并不会妨碍增材的发展，反而会为增材制造领域带来更多创新的机会。反之如果一种制造违反了增益的原则，那么它本身，包括其商业模式就不应该得到发展，否则无论在商业上还是生态上最终都会受到惩罚。最合理的、智能化的制造，不仅要追求效率，还要追求功能密度和强度，还要对社会和生态形成好的影响，符合人类发展规律的要求。
《千人》：当前互联网+和大数据成为各行业热门话题，您怎样看待这些新兴词汇对3D打印发展的影响？
张文武：互联网+是目前智能化交流的一个平台，代表了目前我们这个时代的一个特点。将来社会发展必然是物质、能量、智能三大要素进一步融合。3D打印一方面本身就具备这些素质，可以很自然地响应互联网+，另一方面，它还可以推到更高的层次，即我曾提过的标准化进入到智能层面。有一个信息、一个概念、一个创意，有一定的智能，就能够进行全球的分享，到任何地方都可以进行打印，进行制造。无论是技术方面的众创众筹，还是商业活动方面、应用方面，它都可能进一步发挥优势，比其他技术走得更好一些。
至于大数据，各行各业都应该通过数据进一步优化自己的生产。色即是空、空即是色，从佛学的道理上说，色就是我们的物理世界，空就是智能虚拟的世界，这两者是相互转换、相互影响的，之间的关联度也越来越高。现在广告、网页等领域实际上已经实现个性化了，3D打印也可以根据个人爱好、文化地域等进行分析定制。在这方面，大数据肯定是可以做出很大贡献的。
中国3D打印产业：实现阶段性突破，亟需政府引导和布局
《千人》：您提及3D打印技术总体处于S1.5阶段，这一阶段的主要特征是什么？如何实现阶段性突破过渡到更高级阶段？
张文武：任何一种技术的发展，都跟生物系统一样，有一个生命的演化过程。技术发展大致可以分成四个阶段，第一阶段是初创，即从概念产生到初步发展。这一阶段会比较艰难，但技术有原创性。从国家层面来说，原创性成果决定将来的战略方向，这个阶段出来的成果是最多的，但是社会资源对它的关注度不是那么高，觉得投资风险太大。到第二阶段，技术的影响力扩大，可行性得到验证，社会对它的经济前景已经比较看好，社会资源会越来越多地注入到这个领域中。第三阶段，技术相对更加成熟，形成了批量化生产、产业化集聚。第四阶段，技术已经成熟了，市场饱和了，要衰亡了，可能会有新的技术替代它，实现新的跃迁。
根据媒体各方面资料和我个人判断，整个世界的3D打印技术目前处于S1.5阶段，技术、产业规模等各方面都在飞速发展，使辅助性的、边缘性的、围绕在周边的专利、技术大量跃迁。这是产业化介入非常好的一个阶段。
从s1.5过度到s3.0，是一个自然的过程，商业、社会会自然地推动技术往前走。国家需要争取各个阶段的主动权，进行战略性规划，来取得国际竞争的主动性。第一阶段依靠国家前沿布局，一般的企业很难承担起科研的成本和风险。第二阶段会相当混乱，如果引导不当的话，社会资源会一哄而上。因此在过渡阶段，政府要发挥一定的引导性，同时企业应该遵循科技发展的规律，合理进行产业化布局，全力实现资源优化。
《千人》：我国3D打印产业与西方发达国家相比，存在哪些差距？
张文武：第一是原创性。我国几乎没有什么拿得出手的原创性技术，基本上是跟踪式的，心态上底气不足。这反映在基础性的东西上，比如很多材料受制于人。实际上并不是我国不想去原创，而是原创有难度。另外，原创性技术和需求牵引有关。国外最初研发出这样的技术，是因为军工等方面如美国宇航局有需求，而美国在早期是非常重视这些产业的。像美国的空军系统有很严苛的要求，相应的就会拉动国家一系列基础性的研究。现在我国高科技制造领域的需求不比美国差，可能还更大，对金属类的3D打印也有非常高的要求。我希望我国的原创性技术可以借此契机追赶发达国家。
第二，一系列基础性问题需要解决。比如原型设备激光器要稳定，如果不稳定，质量容易出问题。这就需要很精细的控制，而且又涉及到粉末等一系列材料。再比如对细节的关注，这种细节是指制造要精益求精，打印出来的不仅是一个形体，而且是真正能用的实际的工件，这对材料的组份、氧化的控制、密度的控制等都有要求。
第三，从产业上来说，无论是规模还是技术运用的程度，我国与国外都存在一定差距。
《千人》：3D打印是一个创新型产业，但您曾经担心中国3D打印行业的创新属于肿瘤式创新，肿瘤式创新的含义是什么？
张文武：3D打印要尽量避免“中国肿瘤式创新”。这一说法是个形象的比喻，指低端的、遍地开花式的创新，只想着3D打印是个赚钱的行业，一窝蜂扎进去拼命发展，在成本上、技术上的竞争基本是雷同的，丧失了进一步往高端发展的机会，不符合高科技发展的规律。感觉低端打印产业现在已经过热了，又比如很多机构觉得金属类3D打印能获利，就纷纷购买国外的金属类3D打印机，但是用做材料的金属粉末可能受制于人。
这种“肿瘤式”创新会带来什么后果是很难说的，各个阶段有各个阶段的规律。政府、投资界应该根据这方面的规律进行引导、思考和调整。
《千人》：有人提出我国3D打印产业存在知识产权纠纷、生物打印技术道德争论、威胁国家安全等隐患，您怎么看待这一问题？
张文武：3D打印有一个特征，就是制造的门槛大大降低。以前制造业门槛较高，掌握在有一定资源的人和机构手里。3D打印将门槛降低之后，非常多的社会群体都可以去制造。技术是中性的，但是它的多面性会被放大，一些不好的东西，比如私制枪支、密制毒品等反社会的东西可能出现。这方面一定需要相关政策的出台和监管，同时社会群体和个人要共同探索、建立和遵守新的道德规范、法律制度。
知识产权方面存在与共享精神之间的矛盾。知识产权是为了保护发明人，给其一定激励，过一段时间之后，再向社会公开其发明专利。但3D打印产业具有开放的性质，众创众筹。这两者理念上是有一定冲突的。
任何一个技术的发展都会对社会的方方面面产生影响，3D打印有正面效应，也有许多需要警惕的方面，应该防患于未然。
3D打印未来：系统推进，协同、精益创新
《千人》：除了智能化、绿色化，未来的3D产业发展还有哪些具体的趋势？
张文武：3D打印已经走过了童年期，现在进入青壮年期，它的活力会越来越显现，它对社会的方方面面会产生重大影响。
第一，可供使用的打印材料会进一步扩展，比如树脂类材料、复合类材料、金属类材料、纳米材料等都会用于3D打印；
第二，工艺方面必然会发生非常大的变化。目前制造速度、精度、尺度、成本方面都还有所欠缺，将来都会实现非常巨大的发展。比如目前在尺度上一般是打印300毫米以下的东西，一两米的就很大了，将来会大得多；更高精度和分辨率的制造从理论上是有可能的；成型速度会达到目前的10倍到100倍；成本上应该会与传统制造快速拉平，甚至更低。
第三，可能实现产品的直接制造，即产品制造出来不需要再加工，大家就愿意为它付出。
《千人》：针对目前我国3D打印产业存在的问题，您提出了走“政、产、学、研、媒、用、金、才”的发展道路，其具体内涵是什么？
张文武：3D打印是一个交叉学科，它涉及到材料、制造工艺、检测、预处理、后处理等一系列因素。我国最初是机械系率先研究3D打印，可是做材料的几位专家后来居上。其发展需要系统推进，协同创新、精益创新。在西方，产业发展是自由商业驱动，国家政府制定规则、加以一定引导。我觉得我国可以走的更好，走“政产学研、商用媒金”八方合力这样一条路。比如我希望原创技术研究者产生原始创新力，后续发展则有政府加以引导、制定一系列政策，有产业界承担一些前期研发的风险。如果走这样一条道路，避免过于短期的浮躁行为，把社会资源很好地进行聚集、优化，打造良好的产业发展生态系统，是可以有一系列大作为的。
《千人》：您提到过中国3D打印产业的目标是引领新工业革命中的技术革命和人文革命，那么如何实现技术革命和人文革命的统一？
张文武:人类的技术革命发展得太快了，这并不见得是一件好事。我提到新工业革命中的技术革命，包括信息技术革命、制造业革命、新能源革命等概念。信息技术革命即现在的互联网+、物联网、工业4.0、智能化等；制造业革命包括3D打印、智能化制造、机器人等领域；新能源革命在我心目中是最重要的，它的内涵是我们必须告别以矿石原料为基础的能源结构。人类所有社会活动的根源是能源，新能源革命如果不发生，那么制造业革命也好，信息革命也好，都会在这个错误的能源结构的基础上越走越远，加剧破坏生态。我用了一个很夸张的词来形容我们所处的时代——黑暗的以矿石燃料为基础的商品经济时代。不告别矿石燃料时代，其他革命在以后的历史学家看来都会不值一提。
新工业革命是让人非常担心的。我希望我国对西方所主导的过去几百年的发展道路进行一系列反省，因此我提出“道本主义”这个说法。道本主义是指天地人和，人只是天地中的一部分，是地球生态的一个小的环节。虽然目前人类有统治地球的力量，但是也肩负着关爱地球、让地球生态更好的责任。人类在增加自己繁荣程度的同时，也应该增加人类和大自然永续性与和谐性的程度，应该因人类物种的存在而使得整个地球的生态更加和谐，更加合理，而不是相反。
一定要重视技术革命和人文革命这两者的统一。不管是从生态，还是从人类文明的延续上来说，都必须在技术革命之上进行非常有力的人文革命，人文革命非常必要并且迫在眉睫。如果单纯进行技术革命，到了2050年左右，世界环境将会进一步恶化，非常糟糕，几乎无可挽回，这是一件很可怕的事情。
我对3D打印的发展有期待也有担忧。将来的社会必然是创客的社会，创意和想象力是很重要的。我们需要的并不应该仅仅是让社会生产力极大解放，大家一窝蜂自残式狂欢的新工业革命，而是一个能让人类走向光明未来的新工业革命。人类如何走出向大自然一味索取的迷途，如何以新人文革命引领新工业革命，是我们应该认真关注和解决的问题。
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张文武，国家“千人计划”专家，博士生导师，中科院宁波工研院所属先进制造所所长助理。智能能量场制造学术领域的重要倡导者，科幻小说作家。
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