增材专栏 | 3D打印发展解读：增材制造三部曲

工业4.0计划所描绘的场景是人们所期待的“第四次”制造技术变革么？对人类社会而言，怎样的技术对制造技术的推动力与变革才能类比于前三次“工业革命”？要讨论这样的问题，有必要回归到对制造技术本质的认知上，亦即什么是制造。

作为数字技术驱动下的一项新兴制造方法，增材制造技术对传统制造思维的本质革新是什么？传统制造技术面临的发展瓶颈，为制造技术下一轮升级预留下了怎样的发展空间？增材制造技术如何推动制品性能的新一轮升级，从而再次赋能制造业？

本期专栏文章，安世增材技术总监俞红祥博士从制造的本质出发，以【黎明前】、【曙光】、【未来】三部曲，全面解读了增材质制造技术的产生、发展和未来趋势，以及作为数字化时代的新兴制造方法，增材制造对人类制造技术、设计思维等产生的影响与带来的变革。

“造物”原属于宗教、神学领域的概念，指的是造物主创造宇宙万物的能力，这一点在东西方宗教论著里均有不同形态的描述。但从古人类第一次学会塑造工具、使用工具以来，“造物”亦已扎根于凡俗，并被赋予了“制造”这一名称。

随着传统制造业技术发展瓶颈的浮现，越来越多的人开始关注跨学科、跨领域的技术进展，并尝试引入其它领域研究成果，探索新的制造技术突破。

近年浮现的仿生学、创成式设计、增材制造等新兴设计理论与制造方法，可认为是这类尝试的成果。

例如，受昆虫外壳色彩变幻的吸引，研究人员发现了表面微结构的呈色机制，进而发明了无需颜料即可实现色彩变换效果的表面处理方法；通过分析水珠在荷叶��面的滚动机理，发现了具有憎/亲水、憎/亲油特性的微结构功能表面；通过分析蜻蜓飞行行为，解决了飞机在特定工况下振动问题；从植物纤维管束、动物海绵状骨质，以及生物胞状微结构中得到灵感，制造出了蜂窝铝材等发泡类高刚性、轻量化新材料。

越来越多的人开始从回归自然原理的角度，思考制造技术的进化形态，并开始从解构思维主导的设计与制造方式，向面向功能的系统化思维转变；从规则成形、精密装配形式，向自适应生长、一体化功能结构转变；从均质材料单一物性，向复合材料、梯度材料的多属性、多功能方式转变。

图5   表面微结构呈色示意图

近年来，得到高速发展的增材制造（3D打印）技术，是上述新思维与新技术的积极实践者之一。人类在追求“虚空造物”这一终极梦想的漫长历程中，从来没有哪一种技术如3D打印这般逼近理想状态。尽管从精度、生产效率等角度评价，3D打印技术的现状还远不及传统数控切削、模具加工方式，但大量涌现的FDM、SLM、SLS、SLA、MJET等新型3D打印设备，其所呈现的轻量化、现场即时输出能力，以及对复杂造型能力前所未有的释放，不仅承载了公众对未来制造的期待与梦想，也唤醒了信息化时代公众对泛在、实体制造的热情。

在工业与消费领域，增材制造技术先行者们已积极投身于推动制品性能再次升级的浪潮中。航空发动机领域的巨头，美国GE公司，将激光/电子束金属3D打印技术用于现有发动机的性能优化与下一代高性能发动机的研发，其金属3D打印一体化成型的LEAP喷气发动机燃料喷油嘴，重量减轻25%，强度增加5倍。

图6  德迪与意动航空联合开发的全3D打印微型涡喷发动机

采用该型燃油喷嘴的LEAP发动机订单量已超过11000台，新款空中巴士A320 NEO、波音737MAX和国产C919大客机也将采用LEAP引擎；其用于波音777X的下一代动力引擎GE9X，是世界最大商用航空发动机，采用��燃油喷油嘴、T25传感器外壳、热交换器、诱导器、第五阶段低压涡轮（LPT）叶片、第六阶段LPT叶片以及燃烧器搅拌机等7大3D打印零部件；其先进涡轮螺旋桨发动机（ATP），有三分之一以上部件通过3D打印一体成型完成，使得设计师可以将855个独立部件大幅减少到12个。不仅如此，3D打印技术还使得ATP发动机在提升10％功率的同时减重5％、燃油消耗降低达20％。

图7  ATP发动机

瑞士SONOVA集团是目前全球助听器市场占有率第一的公司，在其Aurora运营配送中心配备了100余台3D打印机，技术人员先使用扫描仪采集患者耳部数字文件，进而使用特殊软件设计助听器外壳，而后即可选择任意一台3D打印机输出定制化助听器外壳。以这样的先进生产方式，Aurora运营配送中心每年可满足数百万患者听力矫正需求，而传统制造方式下，技师需要通过患者的耳道模型做出注塑模具，然后得到塑料产品，最后通过对塑料产品进行钻音孔和手工处理，得到助听器最终形状。如中间任何环节出错，就需要重新制作模型，不仅费用高昂，而且周期漫长。

在运动领域，3D打印技术也是各大品牌争相投入研发的新领域。早在2013年，耐克和阿迪达斯就开始投资3D打印技术。耐克是第一家使用 3D 技术为运动员制鞋的制造商，开发了第一款3D打印橄榄球鞋—— “蒸汽激光爪”。通过足部数据采集分析，3D打印生产方式可以基于同一款运动鞋的设计模板，依据不同消费者的脚型、喜好、以及使用场景所需缓震、支撑等要素，在短时间内实现批量个性化定制；并且随着技术发展，未来的个性化建模时间更短、打印材料更多样、打印效率更高，原本高污染、强人工依赖性、需几十道工序才能做出一双鞋的生产链，将彻底被打破。

图8  设计仿真制造一体化3D打印鞋

然而与公众高涨的热情和期待形成鲜明对比的是，很多从事传统制造业的专业技术人员提及3D打印技术时，往往首先想到的是复杂结构、轻量化、个性化、以及快速样品制作，再往深一层思考便是压缩零部件供应链、实现中间件的零库存等。

增材制造技术的意义仅止于此么？只是为了弥补现有认知下传统制造力不能及的部分？

这样的内涵显然无法支撑公众对增材制造技术的宏大愿景，亦不足以感召更多的专业技术人员投身于增材制造产业并为之努力终身。传统制造领域对增材技术的认知局限，与增材技术的前身即“快速成型技术”不无关系。快速成型技术产生最初，仅仅是为了满足快速实现数字模型到物理实物的制造需求，进而实现新产品研制过程的设计原型验证与方案快速迭代。

为此，人们尝试了比模具更经济的数控切削成型方式，但在制作复杂零件方面仍有编程复杂度、成本、制造周期等诸多限制，进而催生了熔融堆积成形、立体光固化成形等真正意义上的增材制造方法。以至于至今很多制造业技术人员仍会将增材制造技术等同于快速成型技术，并狭义的将增材制造装备定位于单件或小样加工场景。

但我认为这样的定义并未反应增材制造技术对传统制造思维的本质革新，即便是用一台最廉价的桌面型FDM打印机，以点-线-面、层层堆积的方式打印输出数字模型实体时，其所展示效果也足以令人动容。

图9  德迪工艺混合智能制造流水线DHP-4

（FDM工位）

在整个打印过程中，成形信息（喷头运动）与物质材料（熔融态高分子物质）在时空维度下高密度混合，使得遵从数字模型所定义属性的物理实体在打印平台上一次输出成形、定性，这足以颠覆了人们对传统制造过程先成材、再塑形、最后组装定性的认知。

与之相对应，我们的设计、制造思维也应做出改变：装配不再作为实现复杂功能的必要措施，规则形状与精密尺寸配合亦不再是设计复杂系统的刚性约束。人们理应从实现复杂物理系统的传统设计、制造思路中跳脱出来，以直接面向功能的视角，从更底层思考物理实体的构建方法。这也意味着：增材制造技术作为数字技术驱动下、回归自然界“生长造物”的新方法，理应成为区别于传统制造的“第二种”造物路径。

借助超精密加工机床，今天我们可以将12英寸的大尺寸硅片整体加工至原子级表面平整度，以用于制作高密度集成电路；可以将静压气浮主轴的圆度偏差控制到纳米级，以实现“零磨损”超高速旋转；可以加工口径达2.4米的大型光学反射镜，以观测百亿光年外的星系。从将信息承载到物质的本质角度来看，形状信息在传统制造中长期占据主导地位。

图10  超精密加工

与之相比，人类在发现、利用材料方面的进步要慢许多，在有清晰记载的约六千年人类文明历程中，从起源时期的石器时代、到青铜器时代、再到铁器时代的进步耗费了超过97%的文明发展时间。仅在第一次工业革命后的一百余年时间里，精炼钢材、有色金属、合金材料、工程陶瓷、人造单晶材料等高性能素材才陆续登上制造业舞台。

与材料发展相比，利用材料物性提升制品性能的研究则更为初级，可供列举的典型案例包括：金属热处理、合金改性、离子注入等。直到2011年6月美国政府发布材料基因组计划（MGI），对新材料物性与材料配方关系的研究，才开始摆脱主要依靠研究者的科学直觉和大量重复的“尝试法”实验的低层次局面。

中国工程院亦于2012年12月启动了与MGI类似的《材料科学系统工程发展战略研究—中国版材料基因组计划》重大项目。材料基因组计划融合了材料高通量计算、高通量制备，以及高通量检测及数据库系统。其中计算技术又包括材料构象表征、高通量计算及筛选、机器学习、神经网络技术、优化算法和新型的高通量制备及表征技术。其终极目的是通过所建立数据库中已有材料结构与性能的相关性，指导新材料设计和开发，使得研究人员可在原子和分子层面上认识、设计和计算新材料。

图11  材料基因计划示意图

什么因素促成了传统制造业在形状塑造方面的偏科式发展？

基于对制造过程本质的理解，可以肯定的是塑形的源动力来自于思考所产生的信息，而思考的要素则来自于人类对自然界的感官认知。

人类对实体形状的认知来源于视觉，是与听觉、触觉、嗅觉、味觉等所组成五感中对实体的第一认知。容易推断：人类视觉对客观实体认知的第一性及先天优势，是推动传统制造执着于塑形的源动力之一。

而新材料的发现与材料物性改进，则建立在人类对各种基本物质属性的认知与精确测定，以及对不同基本物质相互作用机制的全面解析基础上。这需要科学的理论指导与系统的试验方法支撑，其相对滞后的发展局面就不难解释了。

特别是，传统制造方式普遍建立在对单一均值材料的塑形模式之上，其所能提供干预材料物性的手段很少，这进一步限制了材料及其改性研究与制造技术的协同发展。以积极的态度看待，这种滞后与不平衡发展局面，在传统制造技术面临发展瓶颈的现状下，反而为制造技术下一轮升级预留下了发展空间，亦指明了革新的基本方向。

图12  3D打印示意图

增材制造技术的出现，从根本上改变了传统制造技术与材料技术相互割裂的发展局面。

其原因在于3D打印机在输出物理实体时，采用了从无到有的受控生长方式，其所用的建造物质从低维度的点、线或面形态，以积分原理累积形成最终的三维实体；而在持续累积过程中，3D打印机有充分的时空窗口对建造物质的物性进行细粒度、高分辨率的主动控制，即将形状信息承载至建造物质的同时，亦将物性属性施加至建造物质。这使得打印过程结束时，所输出三维实体既承载了高密度的形状信息，也被附加了高分辨率的材料物性信息，使得最终制品的成形与定性得以同步完成。

简而言之，无论采用FDM、SLM、SLS、SLA、MJET或其它何种类型的3D打印机，它们实际上均提供了类似的受控生长式实体建造框架，在该建造框架下，形状信息通过运动对空间的选择性作用到建造物质上，而物性信息则通过运动对材料的选择性施加到所用的建造物质上，两种选择机制共同完成了形状与物性信息在所建造物理实体上的高密度承载。

这让我们有充分的理由相信，增材制造技术有足够的潜力推动制品性能迎来新一轮重大升级，从而再次赋能制造业。这样的自信源于任何制造过程本质上都是将设计信息承载到物质的过程，更高密度、更精细的设计信息承载到物理实体上，意味着所生成制品更强的功能性，进而带来性能的飞跃。因此，在释放复杂成形能力的表象下，增材制造的真实意义在于证明了“造物不止于形”的新兴制造理念。

然而作为一种新兴的制造方法，增材技术还需与之匹配设计理念与系统装备才能付诸实践。在将传统制造的设计方法与评价标准迁移到增材应用的实践中，两者在多方面表现出了冲突性。例如面向规则设计与面向功能设计的对立，加工精度与成形自由度的对比，成熟度/易用性与工艺灵活度的对立，综合制造成本与成形成本的对立等。

与此同时，增材制造所运用的受控生长式实体建造框架，对装备也提出了特殊要求，包括素材在3D打印设备中正在沿着线材、颗粒、粉末、液体的趋势越来越逼近自由形态，这要求增材装备的运动系统能选择、操纵细粒度的自由态素材，以执行物性信息的赋值；生长成形式实体建造过程还要求增材装备的运动系统，具备高速、准确选择细粒度空间区域的执行能力，以实现成形信息赋值。

图13  3D打印材料

另外，多种素材在3D打印设备中混合成形、定性，还依赖于能量反应所激发的理化氛围，这亦要求增材装备的过程控制系统，可实时控制实体构建过程的关键理化状态变量。

为了得出以上结论，德迪智能作为增材领域的新兴公司，在跨度长达4年的创始阶段逆流而上，实战了几乎全部类型的3D打印技术类型，承担了巨大的生存风险，进而得以从大量实践中提炼出共性逻辑，形成了对增材制造的独到发展见解，并已成为德迪智能所奉行的核心价值观，即增材设计思维，统一建造框架，以及全解析材料库。在核心价值观指导下，德迪智能新技术研究院启动了面向批量制造的增材解决方案研究计划，并输出了以APRO控制系统和全解析材料库为主的自主技术货架成果。其中APRO控制系统作为统一建造框架的具象化表达，以及承接增材设计思维、执行并输出设计信息至物质素材的中间环节，已成为德迪智能在增材领域构筑的核心技术优势之一。

图14  APRO外观

APRO控制系统的诞生源于德迪智能对增材制造过程本质特性的理解，即将更高密度的设计信息赋值到物质对象上，以获得制品性能的升级。为了更好的服务这一目标，APRO控制系统必须提供强大、稳定的信息存储、运算及输出能力；必须能根据灵活多变的3D打印形式，便捷的从统一建造框架实例化成具体的3D打印控制器；必须同时兼顾多种形式的高速运动控制任务；必须具备种类齐备的传感系统以实现建造氛围理化状态的实时闭环控制。

顾名思义，APRO控制系统进化出了敏捷-agile、精密-precise、鲁棒-robust、优化-optimized等四个基本基因。

其中敏捷基因体现在APRO系统既具有统一建造框架模型，既采用了相同运行逻辑和设备操作系统，也确定了分布式网络硬件架构。3D打印设备制造商无需修改设备操作系统内核，而只需按需选择网络模块，并完全组网配置，即可快速实现3D打印控制器的搭建与部署；APRO系统的运动控制模块还内嵌了性能优异的硬件算法，以支持实时轨迹解压缩、运动路径规划、畸变矫正等先进控制功能。

精密基因体现在APRO系统强大的边缘计算与信息处理能力上，为了更好服务于更高密度设计信息的存储、运算和输出，APRO系统组件的运动控制模块（运动控制器、扫描控制器、微喷控制器等）在执行层采用了硬件处理机制，即通过专享IP核/硬件处理线程、去操作系统化的Bare-chip运行机制、以及双精度浮点处理器/超高位宽定点处理器，以实现3D打印建造过程运动对空间与物质的高速选择控制。

鲁棒基因体现于APRO系统分布式硬件设计、高可靠性电路方案、以及分布式运算控制模式；APRO系统硬件由UI主机、网络中控，以及各边缘网络模块组成，UI主机不承载实时控制任务，全部实时控制由各边缘网络模块基于配置信息及程序脚本完成；各边缘网络模块均具备独立的计算控制能力，以及强健的电气隔离输入/输出通道；单一模块功能异常不会导致APRO系统功能奔溃。

优化基因体现于APRO系统高速/灵活的组网形态，以及可供用户选择的丰富网络模块产品库；为了提升系统互联效能及响应实时性，APRO各硬件模块基于ASIC通讯界面以及UDP长短包混合通讯协议，其中ASIC通讯界面实现了“CPU零开销”的网络传输，而长包通讯协议适用于巨型脚本的高效传输，短包用于实时控制信息传输时，则可发挥出短延时的优势；针对同样的功能，APRO硬件模块还提供了ARM单片机、DSP、FPGA SoC三种平台方案，可满足3D打印设备制造商对控制系统低成本、高性能等多元化需求。

图15  APRO控制系统示意图

需要特别强调的是，与APRO系统配套的“APRO_OS”设备控制软件，基于通用操作系统规范，提供了各网络模块的应用开发函数，以及自主设计的高级脚本语言开发环境。实例化的3D打印机控制通过APRO_OS环境下，脚本语言编译所得的应用程序（APP）实现，用户根据APRO_OS的应用开发函数，以及高级脚本语言指令手册，可开发自定义功能的APP以重新组织3D打印机硬件资源，实现3D打印硬件的灵活应用。

简而言之，APRO_OS赋予了3D打印机另一大属性，即脚本语言支持下的过程与工艺开源，使得3D打印机完全工具化（既可作为输出实体制品的生产工具，也可作为研发材料/工艺的可编程试验工具）。

这样的开源化设计源于增材制造自身发展的迫切需求。要发挥新材料、多材料调和物性对制品的性能增益，增材制造技术的发展必须立足于对材料特性的全方位认知，以及对制品目标功能的深度理解，并在此基础上探索设计思路与建造工艺。要达成这样的发展状态，需要更广泛的群体参与到增材制造技术、经验的累计中。

与之相悖的是，电子计算机、信息技术在推动制造装备自动化、精密化的同时，也在制造装置外围构筑了厚重的技术隔离墙，使得制造工艺的开发、测试与运用，从手工/机械化时代的大众群体，缩小至极小范围经过系统培训的自动化领域从业人员，这极大限制了制造工艺的发展速度。可以预见APRO_OS在3D打印设备的应用与普及，其所提供的过程/工艺开源化特性，必将全面加速3D打印工艺研发的规模与进度，促使新材料、新物性的不断出现，最终使得“大制造技术”在塑形、材料、物性三方面发展趋于平衡，以实现造物不止于形的高层次目标。