3D打印：智能数字化

3D打印引发“第三次工业革命”

    专为糖尿病患者推出的食品3D打印机，可通过微型皮肤植入物监测病人的血糖，依据每日不同的身体状况为其量身打印食物。如今，3D打印机已成为新一代智能机器人，它们能设计、制造、修理、回收其他机器，甚至能够改进和升级机器自身，达到“机器制造机器”的新境界。

    如果说2D打印机属于办公用品，3D打印机则将会成为个性化制造工具。3D打印机所能使用的材料很多，如塑料、金属、沙子甚至巧克力、人体干细胞等。在打印表现形式上也更丰富，有喷墨沉积、熔融沉积、激光烧结、电子束熔炼、超声波固结等十几种。

    3D打印机是由控制组件、机械组件、打印头、耗材和介质等架构组成，一般采用分层加工、叠加成型的方式：每一层打印分为两步，首先喷洒一层均匀的粉末，然后在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水，粉末遇到胶水迅速固化黏结，而没有胶水的区域仍保持松散。在一层粉末一层胶水的交替下，实体模型将会被“打印”成型，打印完毕后只要从粉末堆中取出模型即可，剩余粉末还可循环利用。

    作为快速成形技术的一种，3D打印由于无需模具就可加工任意复杂的中空形状，解决了许多过去难以制造的复杂结构（如航空发动机叶片）的成形问题。3D打印的优势在于：简化产品的制造程序，缩短产品的研制周期，提高效率并降低成本。

云端服务让制造变得个性化

    如果为一万名用户定制个性化的服装，在目前人工条件下工作量和成本都将变得不可接受。而3D打印能利用摄像头自动采集、分析提取每位用户的体貌个性特征，并自动根据视觉美感进行形状设计、颜色与肤色搭配等，可极大缩减定制周期。

    3D智能数字化设计软件是3D打印的核心，目前有两大类实现方法：第一类是使用3D设计软件，由设计师设计数字化产品。第二类是3D扫描（俗称3D照相），基于计算机视觉、模式识别与智能系统、光机电一体化控制等技术对物体进行扫描采集，以进行数字化重建。

    智能数字化涉及众多学科，门槛较高。不过，这些技术将来会以云端智能化服务的形式提供给普通用户和开发者。以通过“智能云网”模式定制一双鞋子为例，用户只需在手机上下载一个App应用，给自己的双脚拍几张照片，并指定喜欢的款式和颜色，之后位于云端的智能计算服务将根据用户上传的照片重建出3D脚形，把鞋子设计出来，并在云制造集群中搜索邻近的打印点打印。

    云制造的优势在于资源可以智能扩展，可以自动平衡负载，为“规模定制”运营模式提供最佳支持。制造商可以根据项目的实际需求，如本批次是定制1千件还是1万件，来构建一个临时的集群。每个云制造商的产能可能很小，但集群后的整体产能完全可以满足项目需求且非常经济灵活。“智能云网”作为3D智能数字化的具体应用，在云制造的过程中发挥了良好作用。

“中国智造”的产业机遇

    以3D照相馆打印一件6英寸的全彩雕像为例，在欧美等发达国家，人工费用昂贵，设计和打印一件的成本价约为2493元人民币。而全部成本在“中国智造”模式下可控制在100元人民币以内。

    正如中科院王飞跃研究员在“从社会计算到社会制造的变革意义”中所描述的那样，3D打印已成功将虚拟的智能数字化技术与实实在在的工业产品连接在一起了，其革命性意义超越了之前个人电脑和互联网的出现。

    2010年，中国约有1.3亿人从事制造业，约占全球制造业工人的40%。同时，中国的竞争优势早已不仅仅是低成本的普通劳力，还有大量雇佣成本适中的中等技术智力人才以及完善的产业链条、高度适应性的巨大产能和巨大的市场。中国的研发设计能力实际上是过剩的，一站式3D打印机将给我国广大技术人员研发高附加值、个性化定制的创新产品开启一片广阔天地。

    由此可见，即使在由“批量生产”转向“批量定制”的时代，以3D打印为代表的“第三次工业革命”仍有很大的希望在中国落地生根，形成“中国智造”的新模式，而不是制造业回流到欧美。智能数字化技术将深刻改变传统行业的产业模式，将为我国制造业的转型发展带来前所未有的机遇。

    （作者为中国科学院自动化研究所研究员）