工業(yè)4.0計(jì)劃所描繪的場(chǎng)景是人們所期待的“第四次”制造技術(shù)變革么？對(duì)人類(lèi)社會(huì)而言，怎樣的技術(shù)對(duì)制造技術(shù)的推動(dòng)力與變革才能類(lèi)比于前三次“工業(yè)革命”？要討論這樣的問(wèn)題，有必要回歸到對(duì)制造技術(shù)本質(zhì)的認(rèn)知上，亦即什么是制造。

作為數(shù)字技術(shù)驅(qū)動(dòng)下的一項(xiàng)新興制造方法，增材制造技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)制造思維的本質(zhì)革新是什么？傳統(tǒng)制造技術(shù)面臨的發(fā)展瓶頸，為制造技術(shù)下一輪升級(jí)預(yù)留下了怎樣的發(fā)展空間？增材制造技術(shù)如何推動(dòng)制品性能的新一輪升級(jí)，從而再次賦能制造業(yè)？

增材制造三部曲【黎明前】

“造物”原屬于宗教、神學(xué)領(lǐng)域的概念，指的是造物主創(chuàng)造宇宙萬(wàn)物的能力，這一點(diǎn)在東西方宗教論著里均有不同形態(tài)的描述。但從古人類(lèi)第一次學(xué)會(huì)塑造工具、使用工具以來(lái)，“造物”亦已扎根于凡俗，并被賦予了“制造”這一名稱(chēng)。

“制造”是人類(lèi)利用、改造客觀世界，使之服務(wù)于己的最有力手段。從古時(shí)的手工作坊，到今天的數(shù)字化無(wú)人工廠，一般意義上，制造技術(shù)經(jīng)歷過(guò)三次“工業(yè)革命”的巨大進(jìn)步，并被認(rèn)為正在經(jīng)歷“第四次”革新。前三次“工業(yè)革命”分別以蒸汽動(dòng)力、電氣動(dòng)力以及電子計(jì)算機(jī)的廣泛使用為標(biāo)志，它們推動(dòng)制造過(guò)程進(jìn)入機(jī)械化、電氣化、自動(dòng)化時(shí)代，使得制造技術(shù)在規(guī)模、效率、精度等方面得到了極大進(jìn)步，并直接奠定了現(xiàn)代社會(huì)的物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖1 ?三次工業(yè)革命

時(shí)至今日，制造技術(shù)已成為現(xiàn)代工程成就的集大成者，從一臺(tái)典型的數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人裝置中，很容易辨識(shí)到精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、伺服馬達(dá)、自動(dòng)控制器、光機(jī)電傳感器、以及信息處理及傳輸裝置。

可以說(shuō)，在自動(dòng)化與精密化這兩個(gè)方向上，現(xiàn)代制造業(yè)已經(jīng)取得了極高的技術(shù)成就，其對(duì)象物質(zhì)已發(fā)展至超合金、工程陶瓷、甚至金剛石等超難加工材料，其空間尺度已逼近物質(zhì)基本單元極限 - 原子級(jí)，其時(shí)間粒度已進(jìn)入飛秒領(lǐng)域，其所用工具經(jīng)歷了傳統(tǒng)金屬刀具、合金/陶瓷刀具、金剛石刀具、以及激光/電子束/等離子體等能量束工具。種種跡象顯示，現(xiàn)代制造技術(shù)的前沿已觸及人類(lèi)在基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域所創(chuàng)造成就的上限，例如作為電子信息技術(shù)的基石，大規(guī)模集成電路制造工藝，在基板材料、光刻分辨率兩個(gè)主要進(jìn)化方向均已逼近已知物理極限。越來(lái)越多的人開(kāi)始思考制造技術(shù)“第四次”重大革新的方向與動(dòng)力可能來(lái)自何種激勵(lì)，德國(guó)的工業(yè)4.0計(jì)劃（最早發(fā)布于2013年4月漢諾威工業(yè)博覽會(huì)）、中國(guó)制造2025（發(fā)布于2015年5月）規(guī)劃均為這一思考的產(chǎn)物。

?圖2 ?數(shù)控機(jī)床

然而工業(yè)4.0計(jì)劃所描繪的場(chǎng)景，確定是人們所期待的“第四次”制造技術(shù)變革么？相信直到今天，很多制造領(lǐng)域?qū)＜胰孕拇嬉蓱]，這從兩者模糊不清的自我定義中可窺知一二。

相信對(duì)大眾而言，一個(gè)更容易達(dá)成共識(shí)的認(rèn)知是：重大技術(shù)革新一定會(huì)呈現(xiàn)更清晰的技術(shù)界限，回顧前三次“工業(yè)革命”的標(biāo)志性技術(shù)產(chǎn)物很容易證實(shí)這一點(diǎn)。例如第一次工業(yè)革命的蒸汽動(dòng)力，第二次工業(yè)革命的電氣動(dòng)力與大規(guī)模流水線，第三次工業(yè)革命的電子計(jì)算機(jī)與數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)。而從第三次工業(yè)革命以來(lái)，以狹義的眼光來(lái)評(píng)判，今天的制造業(yè)并未發(fā)生本質(zhì)變化；只不過(guò)是電子計(jì)算機(jī)性能更強(qiáng)了、軟件算法更復(fù)雜了、數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)速度更快了、更廣域了而已。由此來(lái)看，工業(yè)4.0計(jì)劃的所謂“第四次”工業(yè)革命，也不過(guò)是網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)支撐下，制造站點(diǎn)、物流網(wǎng)絡(luò)與消費(fèi)群體的一次親密接觸而已，是柔性制造系統(tǒng)借助物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)試圖滿(mǎn)足規(guī)?；?、個(gè)性化消費(fèi)需求的一次實(shí)踐，也將是對(duì)信息技術(shù)在制造領(lǐng)域所產(chǎn)生紅利的最后壓榨。

?圖3 ?數(shù)字化生產(chǎn)線

對(duì)人類(lèi)社會(huì)而言，怎樣的技術(shù)對(duì)制造技術(shù)的推動(dòng)力與變革才能類(lèi)比于前三次“工業(yè)革命”？要討論這樣的問(wèn)題，有必要回歸到對(duì)制造技術(shù)本質(zhì)的認(rèn)知上，亦即什么是制造？

我認(rèn)為制造的過(guò)程是人力凌駕在自然物質(zhì)上的過(guò)程，制造的產(chǎn)物則是人思考所產(chǎn)生信息，通過(guò)動(dòng)作承載到自然物質(zhì)之后的存在形態(tài)。

由此來(lái)看，信息的產(chǎn)生、傳輸以及承載到物質(zhì)的過(guò)程，才是制造的核心過(guò)程；制造技術(shù)的變革必然伴隨信息產(chǎn)生方式的變革（設(shè)計(jì)過(guò)程的革新，從原始思維向手工設(shè)計(jì)，從手工設(shè)計(jì)到CAD、CAM）、信息傳輸方式的變革（指令傳輸與處理系統(tǒng)的革新，從手工操作向機(jī)械傳動(dòng)，從機(jī)械傳動(dòng)向電控伺服）、以及信息作用方式的變革（工具與工藝方法的革新，從打磨、雕刻向刀具切削、從刀具切削向能量束加工）。制造技術(shù)變革的結(jié)果又必然推動(dòng)制造能力的重大進(jìn)步，同時(shí)也伴隨制品性能的重大升級(jí)。

歷史證明：第一次工業(yè)革命后，強(qiáng)大的蒸汽動(dòng)力使得大規(guī)模金屬加工成為可能，金屬制品與機(jī)械動(dòng)力在生產(chǎn)生活中大量替代畜力與木制品；第二次工業(yè)革命后，部署更靈活、可控性與穩(wěn)定性更強(qiáng)的電氣動(dòng)力，使得大規(guī)模流水線作業(yè)成為可能，更精密復(fù)雜的電氣部件與流水線制品廣泛用于生產(chǎn)生活；第三次工業(yè)革命后，電子計(jì)算機(jī)不僅使得制造業(yè)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的控制精度、反應(yīng)速度提升了若干個(gè)數(shù)量級(jí)，電子計(jì)算自身也被大量用于生產(chǎn)生活制品中，使得制品性能得到巨大提升。若以同樣標(biāo)準(zhǔn)評(píng)判工業(yè)4.0的自我定義，很難再次期待同樣的效果。在當(dāng)前制造技術(shù)發(fā)展越來(lái)越逼近現(xiàn)有認(rèn)知極限的背景下，理性思考制造技術(shù)的本質(zhì)過(guò)程，回歸到對(duì)信息產(chǎn)生方式、信息傳輸方式、以及信息作用方式革新等方向的探索上顯得尤為重要。

圖4??工業(yè)4.0與中國(guó)制造2025

是什么樣的力量或思維方式，推動(dòng)著制造技術(shù)在現(xiàn)有技術(shù)路徑上發(fā)展到目前的準(zhǔn)極限狀態(tài)？人類(lèi)為什么要追逐零部件的極限精度、極限微小尺度、極限材料性能？

顯然是對(duì)制品性能的更高追求，然而對(duì)更高性能的追求與這樣的做法有唯一因果關(guān)系么？很難直接回答這樣的問(wèn)題。但當(dāng)你知道隨處可見(jiàn)的智能電話，其微處理器是由攤平的百億門(mén)電路組合而成，當(dāng)你了解到每一架空客A380都包含了約400萬(wàn)個(gè)零件時(shí)，相信這背后一定有解構(gòu)思維的巨大貢獻(xiàn)。人們用最簡(jiǎn)單的溝槽在方寸之間重復(fù)了百億次，達(dá)成了能處理復(fù)雜計(jì)算任務(wù)的高性能微處理器；用海量簡(jiǎn)單的0/1翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)了探索深空、深海運(yùn)載工具的復(fù)雜控制算法；用超高速明暗交替的光點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了巨量信息的高速、遠(yuǎn)距離傳輸。人類(lèi)的解構(gòu)思維在制造領(lǐng)域應(yīng)用的太成功了！

在晶體管發(fā)明不到60年的時(shí)間里，即將晶體管的制造尺度快速推進(jìn)到了原子級(jí)的平坦化加工、納米尺度的立體微結(jié)構(gòu)，以至于量子隧穿效應(yīng)產(chǎn)生的電子滲漏開(kāi)始影響納米晶體管的穩(wěn)定運(yùn)行；在發(fā)明100年后，即將飛機(jī)的復(fù)雜程度推進(jìn)到百萬(wàn)零件級(jí)，以至于僅靠加工機(jī)械固有制造精度已無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效組裝，而不得不發(fā)展出一整套協(xié)同作業(yè)軟件，來(lái)協(xié)調(diào)零部件設(shè)計(jì)、管控制造精度與公差配合。

值得注意的是，在單體性能逼近制造極限的同時(shí)，解構(gòu)思維指導(dǎo)下，采用海量零部件組合、構(gòu)建大型系統(tǒng)的進(jìn)程，也即將/或已到達(dá)性能平衡點(diǎn)。這種平衡來(lái)源于組裝/互聯(lián)的有償性，即組合/裝配鏈路越長(zhǎng)，其消耗的資源越大。隨著系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大，零部件組裝所產(chǎn)生的性能增益，最終被組合/裝配鏈路所消耗資源抵消，使得整個(gè)系統(tǒng)性能無(wú)法進(jìn)一步提升，這在采用大量計(jì)算、存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)構(gòu)建超級(jí)計(jì)算機(jī)的實(shí)踐中已被反復(fù)證實(shí)，即在鏈接資源消耗的限制下，人們無(wú)法通過(guò)簡(jiǎn)單擴(kuò)大節(jié)點(diǎn)數(shù)量而得到更高性能的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

當(dāng)前的困境下，未來(lái)的制造技術(shù)應(yīng)該走向何方？

我想作為一個(gè)思考個(gè)體，很難孤立的找到答案，但可以肯定的是無(wú)論制造技術(shù)發(fā)展走向何種形態(tài)，其始終是建立在人類(lèi)對(duì)自然界運(yùn)行規(guī)律的認(rèn)知基礎(chǔ)上，因此長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，制造技術(shù)的發(fā)展形態(tài)終究要遵從自然原理、回歸自然原理。更何況制造從來(lái)都不只是人的專(zhuān)利，自然界無(wú)時(shí)不刻不在造物。動(dòng)、植物的生長(zhǎng)，天候、地質(zhì)運(yùn)動(dòng)對(duì)地形的塑造亦為制造，甚至人們?cè)u(píng)價(jià)制造水準(zhǔn)的高層次狀態(tài)也用上了“渾然天成”、“大巧不工”、“鬼斧神工”之類(lèi)的修辭。這亦體現(xiàn)了人追求制造技術(shù)遵循自然原理的樸素思想。而自然界造物從來(lái)不靠精密的尺寸配合，也未選擇先造單體再組裝的路線。觀察人體自身亦處處體現(xiàn)自然造物的智慧，人體沒(méi)有一個(gè)精密尺寸結(jié)構(gòu)，未包含一種極限單體物質(zhì)，但卻勝任多種精細(xì)操作與復(fù)雜任務(wù)，這不得不引起制造領(lǐng)域的思考，我們應(yīng)該從自然界汲取什么樣的思想，使之融入到下一輪制造技術(shù)革新中？

增材制造三部曲【曙光】

隨著傳統(tǒng)制造業(yè)技術(shù)發(fā)展瓶頸的浮現(xiàn)，越來(lái)越多的人開(kāi)始關(guān)注跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)展，并嘗試引入其它領(lǐng)域研究成果，探索新的制造技術(shù)突破。

近年浮現(xiàn)的仿生學(xué)、創(chuàng)成式設(shè)計(jì)、增材制造等新興設(shè)計(jì)理論與制造方法，可認(rèn)為是這類(lèi)嘗試的成果。

例如，受昆蟲(chóng)外殼色彩變幻的吸引，研究人員發(fā)現(xiàn)了表面微結(jié)構(gòu)的呈色機(jī)制，進(jìn)而發(fā)明了無(wú)需顏料即可實(shí)現(xiàn)色彩變換效果的表面處理方法；通過(guò)分析水珠在荷葉表面的滾動(dòng)機(jī)理，發(fā)現(xiàn)了具有憎/親水、憎/親油特性的微結(jié)構(gòu)功能表面；通過(guò)分析蜻蜓飛行行為，解決了飛機(jī)在特定工況下振動(dòng)問(wèn)題；從植物纖維管束、動(dòng)物海綿狀骨質(zhì)，以及生物胞狀微結(jié)構(gòu)中得到靈感，制造出了蜂窩鋁材等發(fā)泡類(lèi)高剛性、輕量化新材料。

越來(lái)越多的人開(kāi)始從回歸自然原理的角度，思考制造技術(shù)的進(jìn)化形態(tài)，并開(kāi)始從解構(gòu)思維主導(dǎo)的設(shè)計(jì)與制造方式，向面向功能的系統(tǒng)化思維轉(zhuǎn)變；從規(guī)則成形、精密裝配形式，向自適應(yīng)生長(zhǎng)、一體化功能結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變；從均質(zhì)材料單一物性，向復(fù)合材料、梯度材料的多屬性、多功能方式轉(zhuǎn)變。

圖5???表面微結(jié)構(gòu)呈色示意圖

近年來(lái)，得到高速發(fā)展的增材制造（3D打印）技術(shù)，是上述新思維與新技術(shù)的積極實(shí)踐者之一。人類(lèi)在追求“虛空造物”這一終極夢(mèng)想的漫長(zhǎng)歷程中，從來(lái)沒(méi)有哪一種技術(shù)如3D打印這般逼近理想狀態(tài)。盡管從精度、生產(chǎn)效率等角度評(píng)價(jià)，3D打印技術(shù)的現(xiàn)狀還遠(yuǎn)不及傳統(tǒng)數(shù)控切削、模具加工方式，但大量涌現(xiàn)的FDM、SLM、SLS、SLA、MJET等新型3D打印設(shè)備，其所呈現(xiàn)的輕量化、現(xiàn)場(chǎng)即時(shí)輸出能力，以及對(duì)復(fù)雜造型能力前所未有的釋放，不僅承載了公眾對(duì)未來(lái)制造的期待與夢(mèng)想，也喚醒了信息化時(shí)代公眾對(duì)泛在、實(shí)體制造的熱情。

在工業(yè)與消費(fèi)領(lǐng)域，增材制造技術(shù)先行者們已積極投身于推動(dòng)制品性能再次升級(jí)的浪潮中。航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的巨頭，美國(guó)GE公司，將激光/電子束金屬3D打印技術(shù)用于現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)的性能優(yōu)化與下一代高性能發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)，其金屬3D打印一體化成型的LEAP噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃料噴油嘴，重量減輕25%，強(qiáng)度增加5倍。

圖6 ?德迪與意動(dòng)航空聯(lián)合開(kāi)發(fā)的全3D打印微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)

采用該型燃油噴嘴的LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)訂單量已超過(guò)11000臺(tái)，新款空中巴士A320 NEO、波音737MAX和國(guó)產(chǎn)C919大客機(jī)也將采用LEAP引擎；其用于波音777X的下一代動(dòng)力引擎GE9X，是世界最大商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)，采用了燃油噴油嘴、T25傳感器外殼、熱交換器、誘導(dǎo)器、第五階段低壓渦輪（LPT）葉片、第六階段LPT葉片以及燃燒器攪拌機(jī)等7大3D打印零部件；其先進(jìn)渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)（ATP），有三分之一以上部件通過(guò)3D打印一體成型完成，使得設(shè)計(jì)師可以將855個(gè)獨(dú)立部件大幅減少到12個(gè)。不僅如此，3D打印技術(shù)還使得ATP發(fā)動(dòng)機(jī)在提升10％功率的同時(shí)減重5％、燃油消耗降低達(dá)20％。

圖7 ?ATP發(fā)動(dòng)機(jī)

瑞士SONOVA集團(tuán)是目前全球助聽(tīng)器市場(chǎng)占有率第一的公司，在其Aurora運(yùn)營(yíng)配送中心配備了100余臺(tái)3D打印機(jī)，技術(shù)人員先使用掃描儀采集患者耳部數(shù)字文件，進(jìn)而使用特殊軟件設(shè)計(jì)助聽(tīng)器外殼，而后即可選擇任意一臺(tái)3D打印機(jī)輸出定制化助聽(tīng)器外殼。以這樣的先進(jìn)生產(chǎn)方式，Aurora運(yùn)營(yíng)配送中心每年可滿(mǎn)足數(shù)百萬(wàn)患者聽(tīng)力矯正需求，而傳統(tǒng)制造方式下，技師需要通過(guò)患者的耳道模型做出注塑模具，然后得到塑料產(chǎn)品，最后通過(guò)對(duì)塑料產(chǎn)品進(jìn)行鉆音孔和手工處理，得到助聽(tīng)器最終形狀。如中間任何環(huán)節(jié)出錯(cuò)，就需要重新制作模型，不僅費(fèi)用高昂，而且周期漫長(zhǎng)。

在運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域，3D打印技術(shù)也是各大品牌爭(zhēng)相投入研發(fā)的新領(lǐng)域。早在2013年，耐克和阿迪達(dá)斯就開(kāi)始投資3D打印技術(shù)。耐克是第一家使用 3D 技術(shù)為運(yùn)動(dòng)員制鞋的制造商，開(kāi)發(fā)了第一款3D打印橄欖球鞋—— “蒸汽激光爪”。通過(guò)足部數(shù)據(jù)采集分析，3D打印生產(chǎn)方式可以基于同一款運(yùn)動(dòng)鞋的設(shè)計(jì)模板，依據(jù)不同消費(fèi)者的腳型、喜好、以及使用場(chǎng)景所需緩震、支撐等要素，在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)批量個(gè)性化定制；并且隨著技術(shù)發(fā)展，未來(lái)的個(gè)性化建模時(shí)間更短、打印材料更多樣、打印效率更高，原本高污染、強(qiáng)人工依賴(lài)性、需幾十道工序才能做出一雙鞋的生產(chǎn)鏈，將徹底被打破。

圖8? 設(shè)計(jì)仿真制造一體化3D打印鞋

然而與公眾高漲的熱情和期待形成鮮明對(duì)比的是，很多從事傳統(tǒng)制造業(yè)的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員提及3D打印技術(shù)時(shí)，往往首先想到的是復(fù)雜結(jié)構(gòu)、輕量化、個(gè)性化、以及快速樣品制作，再往深一層思考便是壓縮零部件供應(yīng)鏈、實(shí)現(xiàn)中間件的零庫(kù)存等。

增材制造技術(shù)的意義僅止于此么？只是為了彌補(bǔ)現(xiàn)有認(rèn)知下傳統(tǒng)制造力不能及的部分？

這樣的內(nèi)涵顯然無(wú)法支撐公眾對(duì)增材制造技術(shù)的宏大愿景，亦不足以感召更多的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員投身于增材制造產(chǎn)業(yè)并為之努力終身。傳統(tǒng)制造領(lǐng)域?qū)υ霾募夹g(shù)的認(rèn)知局限，與增材技術(shù)的前身即“快速成型技術(shù)”不無(wú)關(guān)系?？焖俪尚图夹g(shù)產(chǎn)生最初，僅僅是為了滿(mǎn)足快速實(shí)現(xiàn)數(shù)字模型到物理實(shí)物的制造需求，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品研制過(guò)程的設(shè)計(jì)原型驗(yàn)證與方案快速迭代。

為此，人們嘗試了比模具更經(jīng)濟(jì)的數(shù)控切削成型方式，但在制作復(fù)雜零件方面仍有編程復(fù)雜度、成本、制造周期等諸多限制，進(jìn)而催生了熔融堆積成形、立體光固化成形等真正意義上的增材制造方法。以至于至今很多制造業(yè)技術(shù)人員仍會(huì)將增材制造技術(shù)等同于快速成型技術(shù)，并狹義的將增材制造裝備定位于單件或小樣加工場(chǎng)景。

但我認(rèn)為這樣的定義并未反應(yīng)增材制造技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)制造思維的本質(zhì)革新，即便是用一臺(tái)最廉價(jià)的桌面型FDM打印機(jī)，以點(diǎn)-線-面、層層堆積的方式打印輸出數(shù)字模型實(shí)體時(shí)，其所展示效果也足以令人動(dòng)容。

圖9 ?德迪工藝混合智能制造流水線DHP-4

（FDM工位）

在整個(gè)打印過(guò)程中，成形信息（噴頭運(yùn)動(dòng)）與物質(zhì)材料（熔融態(tài)高分子物質(zhì)）在時(shí)空維度下高密度混合，使得遵從數(shù)字模型所定義屬性的物理實(shí)體在打印平臺(tái)上一次輸出成形、定性，這足以顛覆了人們對(duì)傳統(tǒng)制造過(guò)程先成材、再塑形、最后組裝定性的認(rèn)知。

與之相對(duì)應(yīng)，我們的設(shè)計(jì)、制造思維也應(yīng)做出改變：裝配不再作為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能的必要措施，規(guī)則形狀與精密尺寸配合亦不再是設(shè)計(jì)復(fù)雜系統(tǒng)的剛性約束。人們理應(yīng)從實(shí)現(xiàn)復(fù)雜物理系統(tǒng)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造思路中跳脫出來(lái)，以直接面向功能的視角，從更底層思考物理實(shí)體的構(gòu)建方法。這也意味著：增材制造技術(shù)作為數(shù)字技術(shù)驅(qū)動(dòng)下、回歸自然界“生長(zhǎng)造物”的新方法，理應(yīng)成為區(qū)別于傳統(tǒng)制造的“第二種”造物路徑。

增材制造三部曲【未來(lái)】

千百年來(lái)，人類(lèi)制造技術(shù)發(fā)展的絕大多數(shù)努力集中在了形狀塑造上，并且這種趨勢(shì)一直延續(xù)到現(xiàn)代，從打磨石器到陶器塑形，從制作木質(zhì)家具到鍛打金屬器具，從金屬切削加工到單晶硅片光蝕刻，對(duì)素材形狀的加工長(zhǎng)期以來(lái)一直是人們賦予制品以功能的主要手段。

借助超精密加工機(jī)床，今天我們可以將12英寸的大尺寸硅片整體加工至原子級(jí)表面平整度，以用于制作高密度集成電路；可以將靜壓氣浮主軸的圓度偏差控制到納米級(jí)，以實(shí)現(xiàn)“零磨損”超高速旋轉(zhuǎn)；可以加工口徑達(dá)2.4米的大型光學(xué)反射鏡，以觀測(cè)百億光年外的星系。從將信息承載到物質(zhì)的本質(zhì)角度來(lái)看，形狀信息在傳統(tǒng)制造中長(zhǎng)期占據(jù)主導(dǎo)地位。

圖10 ?超精密加工

與之相比，人類(lèi)在發(fā)現(xiàn)、利用材料方面的進(jìn)步要慢許多，在有清晰記載的約六千年人類(lèi)文明歷程中，從起源時(shí)期的石器時(shí)代、到青銅器時(shí)代、再到鐵器時(shí)代的進(jìn)步耗費(fèi)了超過(guò)97%的文明發(fā)展時(shí)間。僅在第一次工業(yè)革命后的一百余年時(shí)間里，精煉鋼材、有色金屬、合金材料、工程陶瓷、人造單晶材料等高性能素材才陸續(xù)登上制造業(yè)舞臺(tái)。

與材料發(fā)展相比，利用材料物性提升制品性能的研究則更為初級(jí)，可供列舉的典型案例包括：金屬熱處理、合金改性、離子注入等。直到2011年6月美國(guó)政府發(fā)布材料基因組計(jì)劃（MGI），對(duì)新材料物性與材料配方關(guān)系的研究，才開(kāi)始擺脫主要依靠研究者的科學(xué)直覺(jué)和大量重復(fù)的“嘗試法”實(shí)驗(yàn)的低層次局面。

中國(guó)工程院亦于2012年12月啟動(dòng)了與MGI類(lèi)似的《材料科學(xué)系統(tǒng)工程發(fā)展戰(zhàn)略研究—中國(guó)版材料基因組計(jì)劃》重大項(xiàng)目。材料基因組計(jì)劃融合了材料高通量計(jì)算、高通量制備，以及高通量檢測(cè)及數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。其中計(jì)算技術(shù)又包括材料構(gòu)象表征、高通量計(jì)算及篩選、機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、優(yōu)化算法和新型的高通量制備及表征技術(shù)。其終極目的是通過(guò)所建立數(shù)據(jù)庫(kù)中已有材料結(jié)構(gòu)與性能的相關(guān)性，指導(dǎo)新材料設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，使得研究人員可在原子和分子層面上認(rèn)識(shí)、設(shè)計(jì)和計(jì)算新材料。

圖11 ?材料基因計(jì)劃示意圖

什么因素促成了傳統(tǒng)制造業(yè)在形狀塑造方面的偏科式發(fā)展？

基于對(duì)制造過(guò)程本質(zhì)的理解，可以肯定的是塑形的源動(dòng)力來(lái)自于思考所產(chǎn)生的信息，而思考的要素則來(lái)自于人類(lèi)對(duì)自然界的感官認(rèn)知。

人類(lèi)對(duì)實(shí)體形狀的認(rèn)知來(lái)源于視覺(jué)，是與聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)等所組成五感中對(duì)實(shí)體的第一認(rèn)知。容易推斷：人類(lèi)視覺(jué)對(duì)客觀實(shí)體認(rèn)知的第一性及先天優(yōu)勢(shì)，是推動(dòng)傳統(tǒng)制造執(zhí)著于塑形的源動(dòng)力之一。

而新材料的發(fā)現(xiàn)與材料物性改進(jìn)，則建立在人類(lèi)對(duì)各種基本物質(zhì)屬性的認(rèn)知與準(zhǔn)確測(cè)定，以及對(duì)不同基本物質(zhì)相互作用機(jī)制的全面解析基礎(chǔ)上。這需要科學(xué)的理論指導(dǎo)與系統(tǒng)的試驗(yàn)方法支撐，其相對(duì)滯后的發(fā)展局面就不難解釋了。

特別是，傳統(tǒng)制造方式普遍建立在對(duì)單一均值材料的塑形模式之上，其所能提供干預(yù)材料物性的手段很少，這進(jìn)一步限制了材料及其改性研究與制造技術(shù)的協(xié)同發(fā)展。以積極的態(tài)度看待，這種滯后與不平衡發(fā)展局面，在傳統(tǒng)制造技術(shù)面臨發(fā)展瓶頸的現(xiàn)狀下，反而為制造技術(shù)下一輪升級(jí)預(yù)留下了發(fā)展空間，亦指明了革新的基本方向。

?圖12 ?3D打印示意圖

增材制造技術(shù)的出現(xiàn)，從根本上改變了傳統(tǒng)制造技術(shù)與材料技術(shù)相互割裂的發(fā)展局面。

其原因在于3D打印機(jī)在輸出物理實(shí)體時(shí)，采用了從無(wú)到有的受控生長(zhǎng)方式，其所用的建造物質(zhì)從低維度的點(diǎn)、線或面形態(tài)，以積分原理累積形成最終的三維實(shí)體；而在持續(xù)累積過(guò)程中，3D打印機(jī)有充分的時(shí)空窗口對(duì)建造物質(zhì)的物性進(jìn)行細(xì)粒度、高分辨率的主動(dòng)控制，即將形狀信息承載至建造物質(zhì)的同時(shí)，亦將物性屬性施加至建造物質(zhì)。這使得打印過(guò)程結(jié)束時(shí)，所輸出三維實(shí)體既承載了高密度的形狀信息，也被附加了高分辨率的材料物性信息，使得最終制品的成形與定性得以同步完成。

簡(jiǎn)而言之，無(wú)論采用FDM、SLM、SLS、SLA、MJET或其它何種類(lèi)型的3D打印機(jī)，它們實(shí)際上均提供了類(lèi)似的受控生長(zhǎng)式實(shí)體建造框架，在該建造框架下，形狀信息通過(guò)運(yùn)動(dòng)對(duì)空間的選擇性作用到建造物質(zhì)上，而物性信息則通過(guò)運(yùn)動(dòng)對(duì)材料的選擇性施加到所用的建造物質(zhì)上，兩種選擇機(jī)制共同完成了形狀與物性信息在所建造物理實(shí)體上的高密度承載。

這讓我們有充分的理由相信，增材制造技術(shù)有足夠的潛力推動(dòng)制品性能迎來(lái)新一輪重大升級(jí)，從而再次賦能制造業(yè)。這樣的自信源于任何制造過(guò)程本質(zhì)上都是將設(shè)計(jì)信息承載到物質(zhì)的過(guò)程，更高密度、更精細(xì)的設(shè)計(jì)信息承載到物理實(shí)體上，意味著所生成制品更強(qiáng)的功能性，進(jìn)而帶來(lái)性能的飛躍。因此，在釋放復(fù)雜成形能力的表象下，增材制造的真實(shí)意義在于證明了“造物不止于形”的新興制造理念。

然而作為一種新興的制造方法，增材技術(shù)還需與之匹配設(shè)計(jì)理念與系統(tǒng)裝備才能付諸實(shí)踐。在將傳統(tǒng)制造的設(shè)計(jì)方法與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)遷移到增材應(yīng)用的實(shí)踐中，兩者在多方面表現(xiàn)出了沖突性。例如面向規(guī)則設(shè)計(jì)與面向功能設(shè)計(jì)的對(duì)立，加工精度與成形自由度的對(duì)比，成熟度/易用性與工藝靈活度的對(duì)立，綜合制造成本與成形成本的對(duì)立等。

與此同時(shí)，增材制造所運(yùn)用的受控生長(zhǎng)式實(shí)體建造框架，對(duì)裝備也提出了特殊要求，包括素材在3D打印設(shè)備中正在沿著線材、顆粒、粉末、液體的趨勢(shì)越來(lái)越逼近自由形態(tài)，這要求增材裝備的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)能選擇、操縱細(xì)粒度的自由態(tài)素材，以執(zhí)行物性信息的賦值；生長(zhǎng)成形式實(shí)體建造過(guò)程還要求增材裝備的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，具備高速、準(zhǔn)確選擇細(xì)粒度空間區(qū)域的執(zhí)行能力，以實(shí)現(xiàn)成形信息賦值。

圖13 ?3D打印材料

另外，多種素材在3D打印設(shè)備中混合成形、定性，還依賴(lài)于能量反應(yīng)所激發(fā)的理化氛圍，這亦要求增材裝備的過(guò)程控制系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)控制實(shí)體構(gòu)建過(guò)程的關(guān)鍵理化狀態(tài)變量。

為了得出以上結(jié)論，德迪智能作為增材領(lǐng)域的新興公司，在跨度長(zhǎng)達(dá)4年的創(chuàng)始階段逆流而上，實(shí)戰(zhàn)了幾乎全部類(lèi)型的3D打印技術(shù)類(lèi)型，承擔(dān)了巨大的生存風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而得以從大量實(shí)踐中提煉出共性邏輯，形成了對(duì)增材制造的獨(dú)到發(fā)展見(jiàn)解，并已成為德迪智能所奉行的核心價(jià)值觀，即增材設(shè)計(jì)思維，統(tǒng)一建造框架，以及全解析材料庫(kù)。在核心價(jià)值觀指導(dǎo)下，德迪智能新技術(shù)研究院?jiǎn)?dòng)了面向批量制造的增材解決方案研究計(jì)劃，并輸出了以APRO控制系統(tǒng)和全解析材料庫(kù)為主的自主技術(shù)貨架成果。其中APRO控制系統(tǒng)作為統(tǒng)一建造框架的具象化表達(dá)，以及承接增材設(shè)計(jì)思維、執(zhí)行并輸出設(shè)計(jì)信息至物質(zhì)素材的中間環(huán)節(jié)，已成為德迪智能在增材領(lǐng)域構(gòu)筑的核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)之一。

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圖14 ?APRO外觀

APRO控制系統(tǒng)的誕生源于德迪智能對(duì)增材制造過(guò)程本質(zhì)特性的理解，即將更高密度的設(shè)計(jì)信息賦值到物質(zhì)對(duì)象上，以獲得制品性能的升級(jí)。為了更好的服務(wù)這一目標(biāo)，APRO控制系統(tǒng)必須提供強(qiáng)大、穩(wěn)定的信息存儲(chǔ)、運(yùn)算及輸出能力；必須能根據(jù)靈活多變的3D打印形式，便捷的從統(tǒng)一建造框架實(shí)例化成具體的3D打印控制器；必須同時(shí)兼顧多種形式的高速運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)；必須具備種類(lèi)齊備的傳感系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)建造氛圍理化狀態(tài)的實(shí)時(shí)閉環(huán)控制。

顧名思義，APRO控制系統(tǒng)進(jìn)化出了敏捷-agile、精密-precise、魯棒-robust、優(yōu)化-optimized等四個(gè)基本基因。

其中敏捷基因體現(xiàn)在APRO系統(tǒng)既具有統(tǒng)一建造框架模型，既采用了相同運(yùn)行邏輯和設(shè)備操作系統(tǒng)，也確定了分布式網(wǎng)絡(luò)硬件架構(gòu)。3D打印設(shè)備制造商無(wú)需修改設(shè)備操作系統(tǒng)內(nèi)核，而只需按需選擇網(wǎng)絡(luò)模塊，并組網(wǎng)配置，即可快速實(shí)現(xiàn)3D打印控制器的搭建與部署；APRO系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制模塊還內(nèi)嵌了性能優(yōu)異的硬件算法，以支持實(shí)時(shí)軌跡解壓縮、運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃、畸變矯正等先進(jìn)控制功能。

精密基因體現(xiàn)在APRO系統(tǒng)強(qiáng)大的邊緣計(jì)算與信息處理能力上，為了更好服務(wù)于更高密度設(shè)計(jì)信息的存儲(chǔ)、運(yùn)算和輸出，APRO系統(tǒng)組件的運(yùn)動(dòng)控制模塊（運(yùn)動(dòng)控制器、掃描控制器、微噴控制器等）在執(zhí)行層采用了硬件處理機(jī)制，即通過(guò)專(zhuān)享IP核/硬件處理線程、去操作系統(tǒng)化的Bare-chip運(yùn)行機(jī)制、以及雙精度浮點(diǎn)處理器/超高位寬定點(diǎn)處理器，以實(shí)現(xiàn)3D打印建造過(guò)程運(yùn)動(dòng)對(duì)空間與物質(zhì)的高速選擇控制。

魯棒基因體現(xiàn)于APRO系統(tǒng)分布式硬件設(shè)計(jì)、高可靠性電路方案、以及分布式運(yùn)算控制模式；APRO系統(tǒng)硬件由UI主機(jī)、網(wǎng)絡(luò)中控，以及各邊緣網(wǎng)絡(luò)模塊組成，UI主機(jī)不承載實(shí)時(shí)控制任務(wù)，全部實(shí)時(shí)控制由各邊緣網(wǎng)絡(luò)模塊基于配置信息及程序腳本完成；各邊緣網(wǎng)絡(luò)模塊均具備獨(dú)立的計(jì)算控制能力，以及強(qiáng)健的電氣隔離輸入/輸出通道；單一模塊功能異常不會(huì)導(dǎo)致APRO系統(tǒng)功能奔潰。

優(yōu)化基因體現(xiàn)于APRO系統(tǒng)高速/靈活的組網(wǎng)形態(tài)，以及可供用戶(hù)選擇的豐富網(wǎng)絡(luò)模塊產(chǎn)品庫(kù)；為了提升系統(tǒng)互聯(lián)效能及響應(yīng)實(shí)時(shí)性，APRO各硬件模塊基于ASIC通訊界面以及UDP長(zhǎng)短包混合通訊協(xié)議，其中ASIC通訊界面實(shí)現(xiàn)了“CPU零開(kāi)銷(xiāo)”的網(wǎng)絡(luò)傳輸，而長(zhǎng)包通訊協(xié)議適用于巨型腳本的高效傳輸，短包用于實(shí)時(shí)控制信息傳輸時(shí)，則可發(fā)揮出短延時(shí)的優(yōu)勢(shì)；針對(duì)同樣的功能，APRO硬件模塊還提供了ARM單片機(jī)、DSP、FPGA SoC三種平臺(tái)方案，可滿(mǎn)足3D打印設(shè)備制造商對(duì)控制系統(tǒng)低成本、高性能等多元化需求。

圖15 ?APRO控制系統(tǒng)示意圖

需要特別強(qiáng)調(diào)的是，與APRO系統(tǒng)配套的“APRO_OS”設(shè)備控制軟件，基于通用操作系統(tǒng)規(guī)范，提供了各網(wǎng)絡(luò)模塊的應(yīng)用開(kāi)發(fā)函數(shù)，以及自主設(shè)計(jì)的高級(jí)腳本語(yǔ)言開(kāi)發(fā)環(huán)境。實(shí)例化的3D打印機(jī)控制通過(guò)APRO_OS環(huán)境下，腳本語(yǔ)言編譯所得的應(yīng)用程序（APP）實(shí)現(xiàn)，用戶(hù)根據(jù)APRO_OS的應(yīng)用開(kāi)發(fā)函數(shù)，以及高級(jí)腳本語(yǔ)言指令手冊(cè)，可開(kāi)發(fā)自定義功能的APP以重新組織3D打印機(jī)硬件資源，實(shí)現(xiàn)3D打印硬件的靈活應(yīng)用。

簡(jiǎn)而言之，APRO_OS賦予了3D打印機(jī)另一大屬性，即腳本語(yǔ)言支持下的過(guò)程與工藝開(kāi)源，使得3D打印機(jī)工具化（既可作為輸出實(shí)體制品的生產(chǎn)工具，也可作為研發(fā)材料/工藝的可編程試驗(yàn)工具）。

這樣的開(kāi)源化設(shè)計(jì)源于增材制造自身發(fā)展的迫切需求。要發(fā)揮新材料、多材料調(diào)和物性對(duì)制品的性能增益，增材制造技術(shù)的發(fā)展必須立足于對(duì)材料特性的全方位認(rèn)知，以及對(duì)制品目標(biāo)功能的深度理解，并在此基礎(chǔ)上探索設(shè)計(jì)思路與建造工藝。要達(dá)成這樣的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，需要更廣泛的群體參與到增材制造技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)的累計(jì)中。

與之相悖的是，電子計(jì)算機(jī)、信息技術(shù)在推動(dòng)制造裝備自動(dòng)化、精密化的同時(shí)，也在制造裝置外圍構(gòu)筑了厚重的技術(shù)隔離墻，使得制造工藝的開(kāi)發(fā)、測(cè)試與運(yùn)用，從手工/機(jī)械化時(shí)代的大眾群體，縮小至極小范圍經(jīng)過(guò)系統(tǒng)培訓(xùn)的自動(dòng)化領(lǐng)域從業(yè)人員，這極大限制了制造工藝的發(fā)展速度?？梢灶A(yù)見(jiàn)APRO_OS在3D打印設(shè)備的應(yīng)用與普及，其所提供的過(guò)程/工藝開(kāi)源化特性，必將全面加速3D打印工藝研發(fā)的規(guī)模與進(jìn)度，促使新材料、新物性的不斷出現(xiàn)，最終使得“大制造技術(shù)”在塑形、材料、物性三方面發(fā)展趨于平衡，以實(shí)現(xiàn)造物不止于形的高層次目標(biāo)。