中国制造2025的一大方向3D打印 直觉式设计平台助力

    制造业是国民经济的主体，是立国之本、兴国之器、强国之基。十八世纪中叶开启工业文明以来，世界强国的兴衰史和中华民族的奋斗史一再证明，没有强大的制造业，就没有国家和民族的强盛。打造具有国际竞争力的制造业，是我国提升综合国力、保障国家安全、建设世界强国的必由之路。如何提升中国制造业的水平是政府、行业都在研究的课题。

　　全球正在出现以信息网络、智能制造为代表的新一轮技术创新浪潮。而在这一浪潮中，传统的行业界限将消失，并会产生各种新的领域和业态。这个新型的产业链将使制造业不再仅仅是硬件制造的概念，而将更多地融入软件技术、自动化技术、现代管理技术与新的服务模式。这个过程，美国叫工业互联网，德国叫工业4.0，而中国则称为中国制造 2025。

　　《中国制造2025》提出，坚持“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本”的基本方针，坚持“市场主导、政府引导，立足当前、着眼长远，整体推进、重点突破，自主发展、开放合作”的基本原则，通过“三步走”实现制造强国的战略目标：

　　第一步，到2025年迈入制造强国行列；

　　第二步，到2035年中国制造业整体达到世界制造强国阵营中等水平；

　　第三步，到新中国成立一百年时，综合实力进入世界制造强国前列。

　　《中国制造 2025》将作为中国制造业未来10 年设计顶层规划和路线图，以信息技术与制造技术深度融合的数字化网络化智能化制造为主线。中国制造业转型需要跨界与平台思维，再到工业4.0制造与服务，中国工业4.0 可拓展的空间实际上非常大。而要把“智能制造”作为制造业转型升级的重要突破口和抓手，软件是主要的核心。

    3D打印助力中国制造2025

　　近几年间，国内3D打印产业发展迅速，应用领域也随之不断拓展。在“中国制造2025”战略规划中，3D打印也被列为关键技术之一，将为中国制造业注入新动能。3D打印作为智能制造的主要支撑技术，已经从快速原型制作发展到金属零件制造，从增材制造到增材和切削加工集成，从单一材料到多种材料。为产品设计创新开辟了广阔的空间，设计师可以专注于产品的功能和性能的开发，无需考虑如何去制造。

　　据相关数据显示，2017年国内3D打印市场规模将突破100亿美元，产业规模及应用领域将逐步拓展，其中包括航空航天、汽车、医疗、模具等领域。相对于传统减材加工方式，3D打印为制造业提供了新的选择和路径，将在产品设计及制造环节带来新的创新，为国内制造业转型升级提供助力。

　　其中在原型制作方面，3D打印能够快速实现原型制作，从而大大缩短研发及验证时间。使得企业能够快速生产出高质量产品。另一方面，在制造生产环节，由于受限于传统加工工艺限制，之前很多想法都无法实现。有了3D打印技术之后，人们的想法及创意能够更加容易地实现并制造出来。未来随着技术不断突破，3D打印将在高科技、国防等诸多领域取得更加广泛的空间。

　　Pidex提供的3D建模和3D打印解决方案，使得企业不用再购买昂贵的软件，或者依赖CAD工程师进行反复调整的流程，直觉式的界面和强大的功能，使得Pidex用户可以很方便的操作模型，加速他们快速原型制作和增材制造的过程。湃睿科技将持续关注3D打印领域，开发出更多满足客户需求的产品。另一方面，湃睿科技也将强化与设备商的合作，从而提供更加高效、易用、具有性价比的产品。”

    打破3D设计与3D打印之间的界限

　　我们都知道，3D打印是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。其中，模型数据处理及优化是3D打印的前提条件。仅仅有了3D模型也不能保证一定打印成功，因为打印工程师还有很多工作需要做才能保证打印成功：进行几何模型可打印性分析，包括检查最小的壁厚，去除细小特征，连接性检查，支撑的添加；导入数据如STL模型的清理和检查，避免自相交，保证模型封闭；对STL模型的分割，以减少打印件的尺寸或是需要分色打印，还需要设计拼接的搭扣；还有些零件需要进行轻量化处理变成中空，以减少材料消耗，缩短打印的时间，同时还得保证强度。

　　通常，3D打印工程师不得不反复和产品设计师沟通并传递模型，编辑和修复模型以保证打印的成功。这导致整个过程的冗长和缓慢，使得由设计到快速原型制作和增材制造的过程变得困难，延后了制造的时间。

    面向增材制造的设计

　　以3D打印为典型的增材制造技术的出现，极大的扩展了可制造工艺性，即使是模型最复杂的产品也能通过3D打印制造出来，这无疑极大释放了设计潜能，尤其是在航空、航天军工等重量敏感的领域，设计人员可以只专注于产品本身，可以设计任何结构的产品，而不需要考虑制造工艺的局限。设计师借助于专业仿真分析软件的拓扑优化功能，输入给定载荷与工况就可以得到满足性能要求的最优的且具备轻量化特点的模型。但是分析软件生成的优化模型通常是STL的小面片模型，还需要光顺处理以及调整才能进行3D打印，这也对设计师提出的新的挑战。

　　在3D打印过程中，从产品设计到3D打印需要用到不同的软件及数据，从而使得打印过程低效甚至会出现错误。在产品设计阶段主要采用CAD软件进行建模，并转化成STL文件输出至3D打印设备。3D打印设备接收到STL文件之后，采用切片软件进行优化打印。然而，CAD软件建模能力强，3D打印模型准备能力弱。相反，3D打印编程软件可切片生成轨迹，但3D建模能力弱，模型数据修改具有局限性。为此，湃睿科技推出了Pidex直觉式设计平台，致力于打破二者之间的衔接鸿沟，使得打印过程更加高效。

　　Pidex直觉式设计平台由ANSYS SpaceClaim和PISX公司共同打造，是一款可以由任何工程师使用的易用和强大的设计平台。Pidex采用直接建模与参数化相结合，直接建模为基础，辅以参数化建模。可以使任何人创建、编辑或修复几何模型而无需担心数据来源。另外，Pidex还能够对3D打印所需要的工艺补充进行处理，例如壁厚检查、晶格设计等。因此，采用Pidex会让使用3D设计变得快捷、容易、柔性和有价值。

    打印前的分析、清理和修补

　　不同于其他的3D打印软件，Pidex独一无二的混合模型，可以在同一环境中处理CAD模型和小面片模型，提供完整的工具用于模型编辑和创建，可以通过新的几何，用以增加、移除和改善小面片模型。

　　对导入的STL模型，可直接进行分析和清理，发现和即刻修复这些缺陷，包括不一致的面法向方向、面片自相交、模型不封闭以及其他可能导致打印失败的问题。

　　用户使用弹性的关键是能直接在STL模型上进行操作，3D打印模块允许用户：去除细小的特征、填缝隙、光顺；分割STL模型用于多材料的打印，赋予不同的颜色；进行布尔运算，融合STL与STL模型或实体；可打印性分析：壁厚、支撑检查等；创建连接结构以便后续零件拼接，添加支撑结构等；重新构建零件、将特征安排到更好的位置，调整过薄的壁厚以便优化打印。

    轻量化处理

　　轻量化设计也是打印流程中很关键的步骤。对于快速原型制造，少的材料意味着少的打印成本，少的运输成本和更快的打印时间。Pidex提供多达11种2D和3D的晶格类型，设计师可以根据需求方便的定义晶格抽壳的形式和尺寸，从而达到轻量化的目的。

    面向增材制造的拓扑优化建模

　　专业分析软件（如Ansys）的拓扑优化技术允许用户指定材料体积上的支撑点和载荷点位置，设置边界条件并让软件找出最佳形状。这种优化结果模型往往都是STL模型，可以导入Pidex中进行结构的调整和光顺，例如指定精确的孔位，指定参考的传统模型，利用Pidex的收缩包络功能，可以快速进行拟合，得到所需的光顺模型，再根据设计需要调整后就可以进行3D打印。

　　Pidex的直觉式操作界面允许用户比原来更快更有效的创建、编辑3D概念设计，并准备3D模型用于3D打印，它不仅能高效和易用的修补模型，同时还能修改STL和CAD模型以调整创意。Pidex的3D打印模块也把直觉式的界面、快捷和互操作性扩展到了3D打印领域。

    延伸阅读：我国3D打印产业化进程加速

　　我国3D打印产业的发展阶段已从概念导入期步入快速发展期，相关工艺技术实现突破，具体应用也加速落地。但我国在原材料方面仍然依赖进口，制约了国内增材制造技术的发展。因此，未来要推动产业合作，加强生产企业和用户需求对接，并在重点领域加强推广应用，着力提升社会公众对3D打印的认知与认可。

　　中国电子信息产业发展研究院副院长、中国增材制造产业联盟秘书长王鹏表示，我国增材制造产业已经建成了较为完善的产业体系，整体技术水平明显提高，部分制造工艺装备接近或达到国际先进水平，正从概念导入期步入快速发展期。 据中国增材制造产业联盟统计，2016年我国增材制造产业规模已达80亿元，产业规模实现较快增长。工信部装备工业司机械处处长佘伟珍透露说，“全球的增材制造产业都处于起步阶段，中国还要在材料、装备、工艺、应用等方面加大培育力度，完善产业政策体系。工信部正在抓紧编制《国家增材制造产业发展行动计划（2017-2020年）》，并将尽快出台征求意见稿”。

　　工艺技术实现突破

　　刚刚试飞成功的C919为了减重，首次成功应用了专利3D打印钛合金零件。增材制造又名3D打印，“作为一种新型制造技术，3D打印与互联网融合后，将给制造业带来变革性的影响”。杭州先临三维科技股份有限公司执行总裁、董事会秘书黄贤清说。

　　目前，我国增材制造工艺技术水平加速提升，一批工艺装备、关键零部件、软件系统实现突破。比如，湖南华曙高科技有限公司开发出全球首款开源一体化工业级3D打印智能控制系统；易博三维研制出国内首台微型金属桌面增材制造装备；佛山峰华卓立新开发出的阵列喷嘴全自动砂型增材制造机，打印的砂型各项参数接近国外水平；中航迈特研发的真空感应气雾化制粉炉突破国外技术封锁，并形成年产10台（套）的制备能力。

　　不仅如此，增材制造的行业应用也在不断拓展深化。目前，航空航天、汽车、机械装备等领域零部件模具开发成效显著，例如华科三维为玉柴的新产品六缸四气门发动机研发制作砂型，使其铸件制造周期由原来的5个月-6个月缩短至20天以内。 医学应用领域的探索方兴未艾。据介绍，目前国内的3D打印牙齿、骨骼修复技术已经成熟，并在各大骨科医院、口腔医院快速普及，华曙高科与医疗机构合作已经成功实施术前规划、手术模拟等患者辅助临床治疗500多例，相关应用技术已处于国内领先水平。广州迈普应用3D打印技术开发的硬脑膜产品—“睿膜”已获得美国FDA、国家食品药品监督管理总局、欧盟CE的批准，目前已应用于近万名患者的脑膜修复手术。

　　产业应用落地开花

　　“在国家政策的推动下，我国增材制造产业化取得重大进展，已经从研发转入产业化应用。”王鹏说。

　　目前，我国增材制造已涌现出杭州先临三维科技股份有限公司、西安铂力特激光成形技术有限公司、湖南华曙高科技有限责任公司、鑫精合激光科技发展（北京）有限公司、青岛三迪时空网络科技有限公司等具有一定竞争力的装备制造和服务企业，以及渭南高新区3D打印产业培育基地、安徽春谷3D打印智能装备产业园等产业集聚区。 “总体上看，我国增材制造产业化进程明显加速，基本形成了以环渤海地区、长三角地区、珠三角地区为核心，以中西部地区为纽带的产业空间发展格局。”工信部赛迪研究院装备工业研究所所长左世全告诉《经济日报》记者。

　　目前，北京、陕西、广东、湖北、上海等地基本形成产品设计、专用材料、关键器件、装备、工业应用等各个环节的完整产业链条，产业发展势头良好。据统计，2015年，广东省从事增材制造业务的企业超过400家，实现产值近30亿元。截至2015年，陕西省增材制造产业规模达到8亿元，申请的增材制造领域发明专利已达1000余件，占全国专利数量50%以上。北京市从事增材制造技术研发、生产与服务的企业达70家以上，2016年实现销售收入约5亿元。湖北省已拥有增材制造相关企业和研究机构几十家，2015年产值超过5亿元。

　　应用推广待加强

　　左世全表示，3D打印技术集合了大规模生产和手工生产的优点，能实现高效率、低成本的生产方式，代表着未来智能制造的方向。3D打印技术在消费电子业、航空业、汽车制造业、生物医学以及个性化消费品等领域的商业化应用，将大大提高制造业的生产效率、生产精度，同时起到节材节能的良好效果。

　　“增材制造的应用是制约行业发展的主要瓶颈之一。”王鹏坦言，目前国内消费市场对增材制造的认识还不足。同时，由于工业级增材制造设备的昂贵成本和维护费用，使中小企业望而却步，还需要较长时间的市场培育。

　　此外，左世全还指出，目前我国只开发出钛合金、高强钢等30余种金属和非金属材料，而且金属材料成形品的物理性能不稳定，镍基合金、钴铬合金、光敏树脂、耐高温高强度工程塑料等尚不具备批量生产能力。部分材料还基本依赖进口，但国外材料价格高昂，垄断性强，制约了我国增材制造技术的推广应用。当前我国增材制造应用主要集中在航空航天、军工等垄断性行业以及医疗等高壁垒性领域。

　　左世全建议，要开展分领域的技术、产业、应用领域的研讨会和对接会，搭建产业与政府、产业链上下游的对接通道，推动产业合作，加强生产企业和用户需求对接，加快技术的推广应用。