【綜述】3D數字化與3D打印:"中國製造"向"中國智造"轉變的機遇

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受《中國科學報》主編邀請撰寫的一篇綜述評論，分兩期連載在2013年4月的版面上：
上篇：「3D數字化與3D打印：用“虛擬”再造“現實”」。《中國科學報》技術評論專欄, 第5777期, 2013-4-10
下篇：「3D數字化與3D打印：轉向“中國智造”的產業機遇」。《中國科學報》技術評論專欄, 第5782期, 2013-4-17
以下是完整的圖文版：

話題背景

近年來，我們經常能聽到“3D”這個名詞，且往往跟高科技聯繫在一起，如3D顯示、3D電影、3D掃描、3D打印等等。按理說，人類每天就生活在三維空間中，3D對我們來說本應是一個再尋常不過的概念。現在，3D之所以被認爲是“高科技”，很大程度上歸因於我們通過高科技數字化的手段，使得客觀世界中的3D實體能夠在虛擬世界中得以高精度重建（3D掃描）、自由編輯（3D設計）、真實感高清展示（3D顯示），乃至重新返回至客觀世界（3D打印）。就學科專業而言，3D技術橫跨計算機視覺、計算機圖形學、模式識別與智能系統、複雜系統與自動控制、數據挖掘與機器學習、工程材料學、光機電一體化等，是名副其實的“技術密集型”高科技。

當今，中國正處於從“中國製造”向“中國智造”邁進的重要時期，3D數字化及3D打印技術可以讓國內的設計師和工程師從產品製造工藝的束縛中解放出來，更加專注於產品本身的智力創造，大跨步進入想法到產品（Mind to Product）的“所想即所得”全新智造時代。3D數字化和3D打印的產業化無疑將爲促進我國傳統產業升級、徹底擺脫長期處於製造業產業鏈底端的尷尬局面發揮十分重要的推進作用。

3D打印出的任意複雜形狀（傳統制造工藝無法加工）

■作者：吳懷宇

（作者任職單位：中國科學院，自動化研究所

模式識別國家重點實驗室、中國-歐洲信息，自動化與應用數學聯合實驗室

通訊地址/網址：http://www.sigvc.org/people.htm#why）

目前，全球正在興起新一輪數字化、智能化製造浪潮。歐美等發達國家面對近年來製造業競爭力的下降，大力倡導“再工業化、再製造化”戰略。2012年，《經濟學人》、《福布斯》、《紐約時報》等雜誌都稱3D打印將引發“第三次工業革命”，期望以此讓製造業重新迴流到歐美等西方發達國家。據預測，3D打印行業的產值將在2016年達到31億美元。2012年8月，美國總統奧巴馬撥款3000萬美元，在俄亥俄州建立了國家級3D打印添加劑工業研究中心，並計劃第一步投入5億美元用於3D打印，以確保美國製造業不再繼續轉移到中國和印度。但筆者在下文中認爲恰恰相反，3D打印相關技術將給新興國家帶來了更多機遇，將使製造業——尤其是製造業的上游產業鏈，進一步掌握在中國等新興國家手中。

3D數字化與3D打印：用“虛擬”再造“現實”

以數字智能化爲核心的“第三次工業革命”引發的前提和基礎是模式識別、視覺計算、自動化控制、機器學習、大規模數據挖掘等學科的成熟以及大批量低成本傳感設備的普及。這種深層次的產業革命，不僅將席捲人類的體力勞動崗位，也將毫不留情地佔據人類之前賴以自豪的腦力勞動崗位。任何能夠提取出統計規律、特徵描述或編碼索引的日常工作都將被自動化。可以確信的是，將來一個人薪酬的高低，取決於他掌握數字智能化的專業程度。

而作爲“第三次工業革命”的前沿代表技術——3D數字化打印，成功地將虛擬的數字智能化技術與實實在在的工業產品橋接在一起。作爲快速成形技術的一種，3D打印以經過智能化處理後的3D數字模型文件爲基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印、迭加成形的方式來增量構造物體的技術。3D數字化和3D打印是一對孿生兄弟，相輔相成。3D數字化是實現3D打印的前提和基礎，否則“巧婦難爲無米之炊”；而3D打印是3D數字化的“落到實處”。下面我們對這兩方面分別進行闡述。

1、3D數字化技術的發展現狀

3D數字化就是利用計算機來生成數字化的3D圖紙模型，以便輸出到3D打印機。目前有兩大類的方法進行3D數字化。第一大類是使用3D設計軟件，由設計師從無到有地設計3D數字化產品。目前常見的3D商業設計軟件有：SolidWorks、AutoCAD、3ds Max、Maya、Rhino3D、Zbrush等。此外還有多款各有特色的免費設計軟件：Blender、Tinkercad、3DTin、SketchUp等，其中很多還支持基於WebGL的網絡在線編輯。

當然，並非人人都有能力自己設計3D形狀，因此第二大類的3D數字化就是3D掃描（俗稱3D照相），基於計算機視覺、計算機圖形學、模式識別與智能系統、光機電一體化控制等技術對現實存在的3D物體進行掃描採集，以獲得逼真的數字化重建。3D掃描技術分主動（Active）掃描與被動（Passive）掃描兩種。

主動式掃描是對被測物體附加投射光，包括激光、可見白光、超聲波與 X 射線等。其中激光線式的掃描（如手持式激光：Handhold Laser），可以掃描大型的物體，但是由於每次只能投射一條光線，所以掃描速度慢。另外，由於激光會對生物體以及比較珍貴的物品造成傷害，所以不能應用於某些特定領域。而目前最新的基於結構白光（Structured Lighting）的掃描設備，能同時測量物體的一個面，點雲密度大、精度高，在快速採集物體三維表面信息方面具有獨特優勢。除此之外還有基於時差測距（Time-of-Flight）、三角測距（Triangulation）、調變光（Modulated Lighting）和光照編碼（Light Coding，如Microsoft Kinect設備就是採用此原理，具有實時性的特點）的主動式掃描技術等等。

被動式掃描對被測物體不發射任何光，而是通過採集被測物表面對環境光線的反射，因不需要規格特殊的硬件，往往只需要一臺或幾臺照相機獲取多個視角的圖片即可，因此成本非常便宜。被動式重建方法，如Autodesk的123D Catch，通常基於計算機三維視覺的理論方法，如立體視覺法（Stereoscopic）、從明暗恢復形狀方法（Shape from Shading）、立體光度法（Photometric Stereo）和輪廓法等。被動式掃描的精度和魯棒性受環境光照和照片質量的影響較大。

在獲得3D掃描的原始數據後，往往還需對其進行復雜的後處理，如將多個視角的形狀片段進行對齊（Alignment）和拼接配準（Registration），以統一在同一個世界座標系下。此外還需進行漏洞修補、噪聲去除、三角化、重網格化等，以生成最終的高質量水密（Watertight）流形曲面。目前，還沒有一種成熟的3D數字化技術能夠對自然界的任意形狀進行全自動地真實重建，如對於人體的頭髮等，還不能獲得理想的結果。因此在實際操作過程中，往往需要同時結合多種掃描技術，以及一定的手工編輯，以獲得一個好的重建質量。

2、3D打印技術的發展現狀

3D打印誕生於上世紀80年代，用於將虛擬世界中任意複雜的3D數字化模型變成客觀世界中真實存在的3D實體。通俗來講，只要你能夠設計出來，你就能夠通過3D打印技術打印出任何你想要的個性化產品。與傳統的“切削去除材料”的加工技術（如3D雕刻）完全不同，3D打印採用分層加工、疊加成形的方式“逐層增加材料”來生成3D實體。3D打印無需機械加工或任何模具，就可加工任意複雜的中空形狀，解決了許多過去難以製造的複雜結構零件（如複雜的航空發動機葉片）的成形問題。而且產品結構越複雜，製造效率優勢（研製週期縮短、原材料節省）越顯著。目前3D打印在電影製作、遊戲動漫、醫療、教育、建築、文物考古、生產製造業都發揮了其獨特的作用。

3D打印機所打印的槍支部件（已承受數百次實彈射擊測試）

3D打印成爲近年來的新聞熱點，與2006年英國Reprap開源項目的發佈不無關係。Reprap是3D桌面打印發展的基石，直接催生了包括Makerbot在內的一大批廉價普及型3D打印機，價格從幾千到幾萬元人民幣不等。而在高精度大尺寸工業打印領域，美國3D Systems和Stratasys兩大公司佔據了大部分的市場份額。當然，在這個新技術競爭激烈的領域不乏挑戰者，如Mcor公司2012年新推出的Iris全綵打印機只需普通A4辦公紙作爲原材料，具有超低的成本優勢和綠色環保的優勢。在國內，由亞洲製造業協會聯合華中科技大學、北京航空航天大學、清華大學等科研機構和企業共同發起的中國3D打印技術產業聯盟於2012年成立。

目前，3D打印機已經能夠使用各式各樣的新材料（液體、粉末、塑料絲、金屬、沙子、紙張、甚至巧克力、人體幹細胞等），通過噴墨沉積、熔融沉積成形、激光燒結、立體光刻、電子束熔鍊、超聲波固結等工藝將三維數字模型變成實物，從玩具、工具、到廚房用品、建築、時尚衣服應有盡有，甚至還可直接打印具備觸感的人造耳朵、人體骨骼、人造假牙、鮮肉，以及槍支、跑車、無人飛機等。利用3D打印機，未來甚至能夠打印出人類。

美國研究人員製造的一架3D打印無人飛機，巡航時速可達到45英里

3D打印技術目前面臨着以下幾個主要問題亟待解決：

一是與傳統切削加工技術相比，產品尺寸精度和表面質量相差較大，產品性能還達不到許多高端金屬結構件的要求；

二是大批量生產效率還比較低，不能完全滿足工業領域的需求；

三是設備和耗材成本仍然很高，如基於金屬粉末的打印成本遠高於傳統制造。

由此可見，3D打印技術雖然是對傳統制造技術的一次革命性突破，但它卻不可能完全取代切削、鑄鍛等傳統制造技術，兩者之間應是一種相互支持與補充，共同完善與發展的良性合作關係。

3D數字化與3D打印技術相結合所帶來的優勢，不僅僅在於通過複製手段真實還原現實世界，而且還可以在3D數字化的基礎之上，通過再設計工作，創造出一個更加美好的世界來。以電影《阿凡達》爲例，很多美輪美奐的場景都無法從現實中直接拍攝，而通過數字化的藝術設計，再使用3D打印機直接打印出來，這樣不僅免去了費時費力的手工製作，而且獲得了超越現實的逼真效果。3D數字化與3D打印的完美結合，將實現用“虛擬”再造“現實”的嶄新境界。

3D數字化與3D打印：轉向“中國智造”的產業機遇

在3D 打印技術領域，我們和國際相比雖然還有一定的差距，但已不太大。我國自20世紀90年代初開始追蹤3D打印技術研究，目前已取得了一批基礎研究和產業化成果，部分甚至處於世界領先水平。例如，北京航空航天大學、西北工業大學開展的金屬熔敷成形技術研究，在國際上首次突破了鈦合金、超高強度鋼等難加工大型複雜整體關鍵構件激光成形工藝。目前在北京、西安、武漢等地，緊跟國外也都相繼開設了3D照相打印館。然而，與國外相比，國內的產業規模化程度不高。現在市場上無論3D掃描還是3D打印，無論高端還是低端，大部分都是國外的產品。因此，3D數字化和3D打印在我國具有巨大的發展機遇。

1、3D數字化設備和軟件系統的產業化機遇

作爲3D打印的前端和上游產業鏈，3D數字化掃描是一項關鍵技術。因爲對於家庭的日常3D打印任務而言，最重要的一個環節是進行全（半）自動的數字化建模。目前國內的3D掃描設備在採集質量和速度上和國外的同類產品相差不大，價格卻可僅爲四分之一左右。然而在市場化和產業化上仍有明顯差距，大部分產品都出自小型公司，尚未形成有影響力的品牌。這方面有待於政府和商業機構進一步加大支持和投入。待時機成熟，完全可以使得國產3D掃描設備佔據絕大部分國內市場甚至國際市場。

特別需要指出的是，在3D數字處理軟件方面，我國與國外的差距仍然較大。實際上，待3D硬件設備成熟之後，國際3D打印市場的核心競爭將轉移到相關的配套軟件上來。目前國內的3D掃描廠商大多直接採用國外的大型成熟商業軟件，如美國的Geomagic Studio等。原因在於3D數字處理軟件的研發需要鉅額的資金投入和長期的技術積累，目前國內的小型公司難以承受研發風險、以及可能的知識產權侵權風險。但從長遠來看，擁有國產化的3D數字處理軟件是十分必要的，且是可行的，因爲目前國內的科研單位（如中國科學院、浙江大學、清華大學等）已基本解決了相關的技術難點，只是沒有資金實力形成功能完整的大型軟件系統。

除了大型的3D處理軟件，還有很多可實現單一特色功能的實用軟件值得關注。這類軟件研發風險小，可以作爲縮小與國外差距的另一個突破口。如一款實現網格混搭的新軟件MeshUp，可通過混合任意數量的網格和部分網格，來創建新的可直接輸出到3D打印機的數字化對象，比如可將用戶的人臉模型置入一個茶杯外壁並一起打印出來。

一款實現網格混搭的軟件MeshUp

又如一款叫做Chopper的軟件，能夠將一個尺寸大於3D打印機的模型，像它的名字那樣“剁（Chop）”成幾塊。同時，軟件自動生成連接節點，方便用戶組裝和粘合分散的部件。

Chopper軟件自動將尺寸大於3D打印機的模型分成多個部件

當前，3D打印的主要矛盾在於有限的打印設備精度和用戶期待的理想打印結果之間存在着較大的差距，而通過對3D數字形狀進行智能算法研究將有效地緩解這一矛盾。比如，可對3D形狀的頻域特徵空間進行智能化分析，優化生成最匹配於當前打印機精度的3D數字化模型。

對3D形狀的頻域特徵空間進行智能化分析

2、建立完善“中國智造”的產業生態圈

我國要完成向“中國智造”產業模式的轉變，關鍵要形成一大批能夠以3D產品創意設計、生產爲職業的羣體，建立完善良性循環而非惡性競爭的創新生態圈，這方面可借鑑美國Shapeways和Quirky公司的設計、製造、銷售全產業鏈模式。以美國Shapeways的在線打印服務模式爲例，幫助人們利用3D打印技術製作自己想要的產品，至今已獲得了數千萬美元的風險投資，證明了其模式在目前是成功的。用戶可以上傳自己設計好的3D模型，支付一定費用後，Shapeways利用設在紐約“未來工廠”裏的50臺工業3D打印機將其打印出來並郵寄給用戶。又如Quirky公司，鼓勵用戶通過Facebook和Twitter等社交媒體提交他們的產品想法，也可以對其他人的想法投票、評分，並提出修改意見。該公司每週都會挑選一個最好的產品創意，將它變爲現實。從命名、LOGO設計到包裝，Quirky將參與產品開發的每一個環節。Quirky的一個典型成功案例是一位中學生所設計的插線板，2012年獲得了50萬美元的淨收入，而設計者本人的收入則超過5萬美元。

我國目前已擁有一定數量的產品設計人員，這從目前市面上琳琅滿目的國產手機外觀設計就可窺豹一斑。當前存在的問題是缺乏有保障的生態環境支持這些設計人員去原創自己的風格，擺脫低水平仿造、低水平收入的惡性循環。這方面需要國家出臺相關的知識產權保護法案，以及提供政策上的支持（如建立類似於Kickstarter的融資平臺），還有營造創新文化氛圍。此外，我國還需進一步加強產業創新人才的教育和培訓，整體提升國人的動手能力和DIY（Do It Yourself：自己動手設計和製作）興趣，可將3D打印技術納入中學和大學的學科建設體系，增加必修環節和實訓項目，爲以後類似Shapeways和Quirky模式在中國的產業化形成提供相應的人才儲備和技術儲備。

目前，商業化高端3D打印設備的定價權掌握在國外少數幾家公司手中。這些高端設備售價非常昂貴，而國內尚缺乏相關的替代品，因此極大地增加了3D打印行業的運營成本。可喜的是，我國目前在高端3D打印設備的製造技術上與國外差距不大，在某些方面甚至有所超越。因此，加強我國在3D打印關鍵技術領域的研發投入，如設備和功能材料的製備、智能控制問題的解決、激光器/噴嘴等核心元部件的研製等，並進行商業化生產銷售，對市面上的國外同類產品進行價格上的有效制衡，是支撐“中國智造”模式的前提和保障。

如前所述，要打印一件3D物品，目前技術上還沒有一套全自動的解決方案，仍需要大量複雜的智力和手工勞動，如3D形狀的數字化掃描過程、數字產品的創意設計、3D打印產品的清理和拋光上色等。在歐美等發達國家，人工費用非常昂貴，這樣導致設計和打印一件3D產品價格不菲。以一家國外3D照相館爲例，其出售3D掃描和3D打印的人物雕像，一個6英寸的全綵雕像成本價約爲2493元人民幣。這個價位在國內幾乎沒有可行性。而在國內，完全可以使用國產的智能掃描設備，經設計師的創意加工之後，再採用低成本的單色材料，並利用低成本的單色3D打印機（如Reprap、Makerbot等）將模型打印出來，最後僱用極具價格優勢的美工流水線進行手動上色，全部成本在“中國智造”模式下可控制在100元人民幣以內。