3D数字化与3D打印：转向“中国智造”的产业机遇

作者：吴怀宇

2013年04月17日 来源：中国科学报 

　　话题背景

　　继上期之后，我们再次谈及3D数字化与3D打印。这主要是因为，3D数字化与3D打印技术有可能帮助我们实现从“中国制造”向“中国智造”的快速迈进，使中国彻底摆脱长期处于制造产业链底端的尴尬局面。

　　目前，全球正在兴起新一轮数字化、智能化制造浪潮。2012年，《经济学人》、《福布斯》、《纽约时报》等杂志都将3D 打印称为“第三次工业革命”，期望以此让制造业重新回流到欧美等西方发达国家。但笔者认为恰恰相反，3D打印相关技术将给新兴国家带来了更多机遇，将使制造业——尤其是制造业的上游产业链，进一步掌握在中国等新兴国家手中。

　　在3D 打印技术领域，我们和国际相比虽然还有一定的差距，但已不太大。我国自20世纪90年代初开始追踪3D打印技术研究，目前已取得了一批基础研究和产业化成果，部分甚至处于世界领先水平。例如，北京航空航天大学、西北工业大学开展的金属熔敷成形技术研究，在国际上首次突破了钛合金、超高强度钢等难加工大型复杂整体关键构件激光成形工艺。目前在北京、西安、武汉等地，紧跟国外也都相继开设了3D照相打印馆。

　　然而，与国外相比，国内的产业规模化程度不高。现在市场上无论3D扫描还是3D打印，无论高端还是低端，大部分都是国外的产品。因此，3D数字化和3D打印在我国还有着巨大的发展空间和机遇。

　　3D数字化设备和软件系统的产业化机遇

　　作为3D打印的前端和上游产业链，3D数字化扫描是一项关键技术。因为对于家庭的日常3D打印任务而言，最重要的一个环节是进行全（半）自动的数字化建模。

　　目前国内的3D扫描设备在采集质量和速度上和国外的同类产品相差不大，价格却仅为四分之一左右。然而在市场化和产业化上仍有明显差距，大部分产品都出自小型公司，尚未形成有影响力的品牌。这方面有待于政府和商业机构进一步加大支持和投入，待时机成熟，完全可以使国产3D扫描设备占据绝大部分国内市场甚至国际市场。

　　特别值得指出的是，在3D数字处理软件方面，我国与国外的差距仍然较大。实际上，待3D硬件设备成熟之后，国际3D打印市场的核心竞争将转移到相关的配套软件上来。目前国内的3D扫描厂商大多直接采用国外的大型成熟商业软件，如美国的Geomagic Studio等。原因在于3D数字处理软件的研发需要巨额的资金投入和长期的技术积累，目前国内的小型公司难以承受研发风险及可能的知识产权侵权风险。

　　但从长远来看，拥有国产化的3D数字处理软件是十分必要的，且是可行的。目前国内的科研单位（如中国科学院、浙江大学、清华大学等）已基本解决了相关的技术难点，只是没有资金实力形成功能完整的大型软件系统。

　　当前，3D打印的主要矛盾在于有限的打印设备精度和用户期待的理想打印结果间的出入。而通过对3D数字形状进行智能算法研究将有效地缓解这一矛盾。比如，可对3D形状的频域特征空间进行智能化分析，优化生成最匹配于当前打印机精度的3D数字化模型。目前国内科学家在该领域开展的多项突破性研究工作将有望转换成巨大的生产力。

　　建立“中国智造”产业生态圈

　　我国要完成向“中国智造”产业模式的转变，关键要形成一大批能够以3D产品创意设计、生产加工为职业的群体，建立完善良性循环而非恶性竞争的创新生态圈，这方面可借鉴美国Shapeways和Quirky公司的设计、制造、销售全产业链模式。为支持设计人员去原创自己的风格，摆脱低水平仿造、低水平收入的恶性循环，需要国家出台相关的知识产权保护法案，以及提供政策上的支持（如建立类似于Kickstarter的融资平台）。

　　此外，我国还须进一步加强产业创新人才的教育和培训，整体提升国人的动手能力和DIY兴趣。

　　目前，商业化高端3D打印设备的定价权掌握在国外少数几家公司手中。这些高端设备售价非常昂贵，而国内尚缺乏相关的替代品，因此极大地增加了3D打印行业的运营成本。

　　可喜的是，我国目前在高端3D打印设备的制造技术上与国外差距不大，在某些方面甚至有所超越。因此，加强我国在3D打印关键技术的研发，如设备和功能材料的制备、智能控制问题的解决、激光器/喷嘴等核心元部件的研制等，并进行商业化生产销售，对市面上的国外同类产品进行价格上的有效制衡，是支撑“中国智造”模式的前提和保障。

　　要打印一件3D物品，目前技术上还没有一套全自动的解决方案，仍需要大量复杂的智力和手工劳动，如3D形状的数字化扫描过程、数字产品的创意设计、3D打印产品的清理和抛光上色等。在欧美等发达国家，由于人工费用非常昂贵，导致设计和打印一件3D产品价格不菲。

　　以一家国外3D照相馆为例，一个6英寸的全彩雕像成本价约为2493元人民币。这个价位在国内几乎没有可行性。而在国内，可以使用国产的智能扫描设备，经设计师的创意加工之后，再采用低成本的单色材料，并利用低成本的单色3D打印机将模型打印出来，最后雇用极具价格优势的美工流水线进行手动上色，全部成本在“中国智造”模式下可控制在100元人民币以内。

　　因此，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。数字化、智能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。

　　（作者系中国科学院自动化研究所副研究员，任职于模式识别国家重点实验室，中国—欧洲信息、自动化与应用数学联合实验室）