现年88岁的原航空航天工业部部长林老把自己的家变成了一个3D打印实验室。不大的房间，摆了4台规格不一的3D打印机，其中还有2台是林老自己“攒”的，4台打印机不分昼夜地工作，橱柜里也摆满了打出来的样品：罗丹的思想者、骏马、各种颜色的郁金香，还有飞机螺旋的叶片。

林老开心地对记者说：“现在我屋里屋外都有花，外面是种的，里面是打印出来的。”

实际上，林老家展示的几台机器是3D打印中最基础的熔丝沉积成型，它成本低，精度不高，适合通过学校等向大众推广，“比如可以为孩子打些玩具”。

“下一个阶段，3D打印重点是要用到工业中来，通过金属材料3D打印技术制造一些关键零部件。这里要用到激光束、电子束和等离子束来加工。我感觉到，激光成型技术可能会成为决定我国3D打印发展的重要一环。现在(国内)用的激光头都是美国进口的，非常贵，而且容易受到控制。”林老告诉中国工业报记者。

因此，林老在今年春天给中央的一份报告中建议，把3D打印技术列为国家重点项目来抓，“树立几个典型，以点带面，不断发展提高。”

3D打印：与以往切削工艺相反的增材制造

谈到3D打印，必须了解它能为传统工业带来哪些新的可能。

其实，3D打印本质上并非印刷技术，而是一种增材制造技术，是将材料逐层添加形成制造对象的方法，与传统的以切削、模具铸造为主的制造方式完全不同。

林老认为，3D打印原理并不深奥，也没有太难的技术关键，它更合乎大自然的发展规律。

“以飞机的起落架为例，我们传统的方法是切削加工，它的工序第一步是要建设一个大钢厂，可以制造出几百吨的大钢锭;第二步要万吨水压机来做锻件，还要热处理，用非常大的热处理炉;第三步是粗加工，要用几十台大机床来完成;第四步要建设几万吨的模锻水压机，这之后还需要再经过热处理、粗加工、精加工，最后才能出来最终的零部件。”林老举例说明。

“这一工程非常漫长，而且是减法工艺，最终成形的件用料可能只占最初原材料的5%。而3D打印完全不同，它是从无到有的过程，材料几乎可以100%用上，如果打印精度够了，后续的精加工也可以去掉。整个加工工艺缩短了不止10倍，人力、物力成本节省得更多。这也可以充分说明3D打印的优越性。”

从一组具体数据来看：相对于目前国内零部件45天以上的开发周期，3D打印技术依据零部件的复杂程度，只需要1～7天的开发周期;从用料的角度来说，目前我国利用激光打印制造的飞机中央翼根肋，传统锻件毛坯重达1607公斤，而利用激光成型技术制造的精坯重量仅为136公斤，节省了91.5%的材料。

据介绍，目前国内3D打印技术已在航空、军工领域率先使用，国产J-15战斗机、国产大型客机C919等都采用了3D打印技术来打印部分零部件，但并不是所有的制造业都适用于3D打印。

有专家认为，3D打印技术存在的意义不在于代替传统制造业，而在于做传统制造业不能做、很难做，以及耗时长、成本高的领域。利用3D打印技术可以轻松实现一些个性化强、设计复杂的产品，这包括精密零部件、新产品模具和人体器官等。

“以汽车工业为例，做模具、做样品、做设计验证，3D打印技术再合适不过了。还有个性化的汽车，随着技术进步，或许在不久的将来，汽车就可以实现小批次的个性化定制。”林老说。

带动装备工业升级“叫3D创新更合适”

林老在那份给中央的报告中，没有用“3D打印”，而用了“3D创新”。

“这一技术称为3D创新更合适。因为3D打印的前提是3D设计。”林老告诉记者，“3D设计与3D打印的结合，才是3D打印产业基本的产业模式。”

林老说，没有好的3D设计，3D打印无法进行。3D设计可以采取包括3D建模或3D扫描两种方式来实现，也可以两种方式相结合，实现一个好的3D模型。

林老把3D打印称为“3D创新”，还有一个重要原因就是，我国可以通过3D打印这一技术，提升传统工业的创新能力和竞争力，在制造装备上，也“完全可以通过3D创新来赶超发达国家”。

在最近召开的全国装备工业工作会议上公布的数据显示，2013年我国装备制造业产值规模突破20万亿元，占全球比重超过三分之一，稳居世界首位。“20万亿的产值，体量已经够大，而且今后五年还会保持世界第一的体量，但存在的问题是创新力不够，根据联合国的排名，我国装备制造业的综合竞争力排名第七。”林老说。

“这就需要不断地技术创新与结构调整，3D创新可以在这里面起到重要作用，尤其在产品设计、样品试制、产品模具等方面，发挥巨大作用。”林老说，“若能大力开发3D创新等技术，提高质量，加强服务，创建世界级品牌，在不远的将来，(装备制造业)赶超世界先进水平，是完全有可能的。”

虽然林老的期望很高，但也应该看到，目前，我国的3D创新仍处在初级阶段。以产值来论，2013年美国3D创新产业产值为30亿美元，中国只有3亿～4亿美元的产业规模。

在企业规模上，欧洲3D打印企业的销售规模一般都在10亿元人民币左右，美国3D打印企业营收甚至在30亿元人民币，而国内还没有一家企业收入过亿，甚至超过5000万元的企业都没有几家。

推进难题：旧工业设备和工艺思维的桎梏

未来，3D创新在哪里会遇到问题?这也是林老非常愿意谈的一个话题。

首先是，老设备对创新的桎梏。林老说：“为什么在传统工业领域不容易创新?因为旧设备已经很成熟了，成百上千万元的投资进去了，工人用得也很顺手，一时之间很难接受新的制造手段，需要一个过程。”

其次，增材制造的质量到底怎么样，也是个需要求证的问题。“虽然北航的王华明教授说，制造出来的部件比模锻件质量还好，但我心里还有个问号，要通过检测设备的反复检测来证明它。尤其是涉及到航天、航空的一些关键件，一定要做到万无一失。”林老说。

因此，如何检测制造出来零件的强度和精度，以及质量的一致性，成了一个难题，“这需要检验设备、检验手段都要跟上”，林老说，“但目前我国在这方面只有少数实验室能完成一部分的测试。”

再其次，3D创新这一理念在广大的工艺设计人员中接受度并不高，大家的思维还停留在“减法工艺”时代，这也是个大问题。“很多人，包括像我这样的老工程师，都认为3D很‘玄’，不敢去尝试，实际上当你真的去做了，会发现没有那么‘玄’。”

林老告诉记者，十几年前，航空领域的一些工艺人员、科研人员就开始搞3D创新，但多集中在清华大学、北京航天航空大学、华中科大、华南理工、西北工大等一些高校和研究院所，普通工程师接受度较低。

从企业层面来说，虽有不少企业，采用了熔丝、光化、粉末、激光、电子束等多种方式来做3D创新，但总体上都是各自为政，分散经营，水平参差不齐，研发经费投入比较有限，与国外差距较大。

建议将3D创新列为国家重大科技项目

书接上文，林老对3D创新如何发展有自己的看法。

他对中国工业报记者说，“进行3D创新，首先是设计人员、工艺人员在思想上有个大的转变。我们能不能通过媒体在全行业开展一次设计工艺大讨论，抓几个典型，让大家意识到，原来制造还可以这么搞。”

此外，在给党中央、国务院的报告中，林老还提出三点建议：

第一，建议党中央、国务院把3D创新列为国家重中之重的项目，要像过去抓国家重大技术装备一样，狠抓100个研发创新重点，逐个突破，由点到面，不断发展，不断提高。

“3D创新不是某一行业的事情，它具有普遍性，航天、医疗、汽车、船舶、消费品都能用到，不能单叫哪个部门、哪个公司去搞。可以选几个行业，在每个行业抓几个典型，把这事儿带起来。”林老说。

第二，建议在全国大中小学播撒10万颗3D创新的种子，增加教材，赠送3D打印机，从娃娃抓起，培养千万个既能动手又能动脑的3D创新能手。

“我曾经问过很多老朋友、老领导，他们都不了解3D打印技术，我去到学校问一个三年级的小学生知道电脑吗，他说知道，但问3D打印，孩子完全不知道。如果能播种10万颗种子，那相当于为未来培养了10万个3D创新能手，10万人再影响10万人，就可能是100万甚至1000万人。”林老说。现在这项工作已经在南京、北京的几个小学展开。

第三，建议创建“中国3D创新联合体”，组织结构上采用虚实结合的模式，组织调动全国的力量，并与发达国家合作共赢，赶超世界先进水平。如，基于上述3D创新联合体，再创建10万台的3D打印机，其中金属打印机超过千台，年产值可以达到100亿美元。

目前，林老的这一报告已经得到党中央和国务院的批示，要求有关部门要“密切跟踪全球3D技术发展趋势，支持国内研究有序发展，争取重点突破。”“我国若能抓住3D创新的先机，迎头赶上，将对更好更快地实现中国梦，产生意想不到的重大贡献。”林老说。

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3D打印，没那么神秘

3D打印实际上是一种增材制造技术，它是利用光固化和纸层叠等方式实现快速成型的一种制造方式。

为什么叫“打印?”因为它与普通打印机工作原理基本相同，将打印机内装上粉末状金属或塑料等可黏合材料，与电脑连接后，通过一层又一层的多层打印方式，最终把计算机上的蓝图变成实物。

3D打印技术每一层的打印过程分为两步，首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水，然后是喷洒一层均匀的粉末，粉末遇到胶水会迅速固化黏结，而没有胶水的区域仍保持松散状态。这样在一层胶水一层粉末的交替下，实体模型将会被“打印”成型，打印完毕后只要扫除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末还可循环利用。

3D打印是数字与物理世界的交融，它最终还是需要使用软件去设计数字化模型，然后迅速进行概念验证。打印时，软件通过电脑辅助设计技术(CAD)完成一系列数字切片，并将这些切片的信息传送到3D打印机上，后者会将连续的薄型层面堆叠起来，直到一个固态物体成型。

3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是实实在在的原材料。堆叠薄层的形式有多种多样。

目前，美国是3D打印相关软件开发的领导者，而德国则在3D打印设备制造方面有很强的领先优势。

编辑：吴明

装备制造业品牌顾问与产业研究专家-中工联创

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