吴怀宇_中国科学院分享 http://blog.sciencenet.cn/u/wuhuaiyu 博士、副教授 「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」

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【综述】3D智能数字化与3D打印:"中国制造"向"中国智造"转变的机

已有 6472 次阅读 2013-5-2 10:11 |系统分类:观点评述| 打印, 中国制造

最近写的一篇综述评论,分两期连载在2013年4月的《中国科学报》上:
上篇:「3D数字化与3D打印: 用“虚拟”再造“现实”」。          《中国科学报》技术评论专栏, 第5777期, 2013-4-10
下篇:「3D数字化与3D打印:转向“中国智造”的产业机遇」。《中国科学报》技术评论专栏, 第5782期, 2013-4-17

以下是完整的图文版,进一步补充了内容,还添加了图片,可读性更强一些  

 

    3D智能数字化与3D打印:“中国制造”向“中国智造”转变的机遇
 

本期话题:3D智能数字化与3D打印

话题背景

     近年来,我们经常能听到“3D”这个名词,且往往跟高科技联系在一起,如3D显示、3D电影、3D扫描、3D打印等等。按理说,人类每天就生活在三维空间中,3D对我们来说本应是一个再寻常不过的概念。现在,3D之所以被认为是“高科技”,很大程度上归因于我们通过高科技数字化的手段,使得客观世界中的3D实体能够在虚拟世界中得以高精度重建(3D扫描)、智能化编辑(3D设计)、真实感高清展示(3D显示),乃至重新返回至客观世界(3D打印)。就学科专业而言,3D技术横跨计算机视觉、计算机图形学、模式识别与智能系统、复杂系统与自动控制、数据挖掘与机器学习、工程材料学、光机电一体化等,是名副其实的“技术密集型”高科技。

     当今,中国正处于从“中国制造”向“中国智造”迈进的重要时期,3D智能数字化及3D打印技术可以让国内的设计师和工程师从产品制造工艺的束缚中解放出来,更加专注于产品本身的智力创造,大跨步进入想法到产品(Mind to Product)的“所想即所得”全新智造时代。3D智能数字化和3D打印的产业化无疑将为促进我国传统产业升级、彻底摆脱长期处于制造业产业链底端的尴尬局面发挥十分重要的推进作用。

3D打印出的任意复杂形状(传统制造工艺无法加工)


■作者:吴怀宇

(作者任职单位:中国科学院,自动化研究所
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
通讯地址/网址:
http://www.sigvc.org/people.htm#why


     目前,全球正在兴起新一轮数字化、智能化制造浪潮。欧美等发达国家面对近年来制造业竞争力的下降,抓住以网络化为驱动的“创客运动”的发展机遇,大力倡导“再工业化、再制造化”战略。2012年,《经济学人》、《福布斯》、《纽约时报》等杂志都称3D打印将引发“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。据预测,3D打印行业的产值将在2016年达到31亿美元。2012年8月,美国总统奥巴马拨款3000万美元,在俄亥俄州建立了国家级3D打印添加剂工业研究中心,并计划第一步投入5亿美元用于3D打印,以确保美国制造业不再继续转移到中国和印度。但笔者在下文中认为恰恰相反,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。

     3D智能数字化与3D打印: 用“虚拟”再造“现实”

     以数字智能化为核心的“第三次工业革命”引发的前提和基础是模式识别、视觉计算、自动化控制、机器学习、大规模数据挖掘等学科的成熟以及大批量低成本传感设备的普及。这种深层次的产业革命,不仅将席卷人类的体力劳动岗位,也将毫不留情地占据人类之前赖以自豪的脑力劳动岗位。任何能够提取出统计规律、特征描述或编码索引的日常工作都将被自动化。可以确信的是,将来一个人薪酬的高低,取决于他掌握数字智能化的专业程度。

     而作为“第三次工业革命”的前沿代表技术——3D数字化打印,成功地将虚拟的数字智能化技术与实实在在的工业产品桥接在一起。作为快速成形技术的一种,3D打印以经过智能化处理后的3D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、迭加成形的方式来增量构造物体的技术。3D数字化和3D打印是一对孪生兄弟,相辅相成。3D数字化是实现3D打印的前提和基础,否则“巧妇难为无米之炊”;而3D打印是3D数字化的“落到实处”。下面我们对这两方面分别进行阐述。

     1、3D智能数字化技术的发展现状

     我们首先介绍一下3D数字化。3D数字化就是利用计算机来生成数字化的3D图纸模型,以便输出到3D打印机。目前有两大类的方法进行3D数字化。第一大类是使用3D设计软件,由设计师从无到有地设计3D数字化产品。目前常见的3D商业设计软件有:SolidWorks、AutoCAD、3ds Max、Maya、Rhino3D、Zbrush等。此外还有多款各有特色的免费设计软件:Blender、Tinkercad、3DTin、SketchUp等,其中很多还支持基于WebGL的网络在线编辑。

     当然,并非人人都有能力自己设计3D形状,因此第二大类的3D数字化就是3D扫描(俗称3D照相),基于计算机视觉、计算机图形学、模式识别与智能系统、光机电一体化控制等技术对现实存在的3D物体进行扫描采集,以获得逼真的数字化重建。3D扫描技术分主动(Active)扫描与被动(Passive)扫描两种。

     主动式扫描是对被测物体附加投射光,包括激光、可见白光、超声波与 X 射线等。其中激光线式的扫描(如手持式激光:Handhold  Laser),可以扫描大型的物体,但是由于每次只能投射一条光线,所以扫描速度慢。另外,由于激光会对生物体以及比较珍贵的物品造成伤害,所以不能应用于某些特定领域。而目前最新的基于结构白光(Structured Lighting)的扫描设备,能同时测量物体的一个面,点云密度大、精度高,在快速采集物体三维表面信息方面具有独特优势。除此之外还有基于时差测距(Time-of-Flight)、三角测距(Triangulation)、调变光(Modulated Lighting)和光照编码(Light Coding,如Microsoft Kinect设备就是采用此原理,具有实时性的特点)的主动式扫描技术等等。

     被动式扫描对被测物体不发射任何光,而是通过采集被测物表面对环境光线的反射,因不需要规格特殊的硬件,往往只需要一台或几台照相机获取多个视角的图片即可,因此成本非常便宜。被动式重建方法,如Autodesk的123D Catch,通常基于计算机三维视觉的理论方法,如立体视觉法(Stereoscopic)、从明暗恢复形状方法(Shape from Shading)、立体光度法(Photometric Stereo)和轮廓法等。被动式扫描的精度和鲁棒性受环境光照和照片质量的影响较大。

     在获得3D扫描的原始数据后,往往还需对其进行复杂的后处理,如将多个视角的形状片段进行对齐(Alignment)和拼接配准(Registration),以统一在同一个世界坐标系下。此外还需进行漏洞修补、噪声去除、三角化、重网格化等,以生成最终的高质量水密(Watertight)流形曲面。目前,还没有一种成熟的3D数字化技术能够对自然界的任意形状进行全自动地真实重建,如对于人体的头发等,还不能获得理想的结果。因此在实际操作过程中,往往需要同时结合多种扫描技术,以及一定的手工编辑,以获得一个好的重建质量。

     在获得数字化模型之后,往往还需要进行个性化地编辑定制,才最终输出到3D打印机。这种追求高附加值的个性化定制,却是以较大的的手工工作量为代价的,尤其是当需要“批量定制”时。因此,为提高定制效率,智能化技术将发挥关键的作用。比如,需要为一万名用户定制个性化的眼镜、服装、帽子,如果人工逐一为每位用户进行手工测量、手工设计,工作量和成本都将变得不可接受。而应用智能化技术,如采用计算机视觉方法,利用摄像头自动采集、分析提取每位用户的个性特征,并自动根据视觉美感进行形状设计、颜色肤色搭配等,可极大地缩减定制周期。可以说,数字化是“第三次工业革命”的载体和媒介,而智能化则是手段和核心。目前,智能化技术的应用研究尚处于起步阶段,离工业化的实际应用尚有一定的距离,但最近几年发展很快。

     2、3D打印技术的发展现状

     3D打印诞生于上世纪80年代,用于将虚拟世界中任意复杂的3D数字化模型变成客观世界中真实存在的3D实体。通俗来讲,只要你能够设计出来,你就能够通过3D打印技术打印出任何你想要的个性化产品。与传统的“切削去除材料”的加工技术(如3D雕刻)完全不同,3D打印采用分层加工、叠加成形的方式“逐层增加材料”来生成3D实体。3D打印无需机械加工或任何模具,就可加工任意复杂的中空形状,解决了许多过去难以制造的复杂结构零件(如复杂的航空发动机叶片)的成形问题。而且产品结构越复杂,制造效率优势(研制周期缩短、原材料节省)越显著。目前3D打印在电影制作、游戏动漫、医疗、教育、建筑、文物考古、生产制造业都发挥了其独特的作用。



 

3D打印机所打印的枪支部件(已承受数百次实弹射击测试)

     3D打印成为近年来的新闻热点,与2006年英国Reprap开源项目的发布不无关系。Reprap是3D桌面打印发展的基石,直接催生了包括Makerbot在内的一大批廉价普及型3D打印机,价格从几千到几万元人民币不等。而在高精度大尺寸工业打印领域,美国3D Systems和Stratasys两大公司占据了大部分的市场份额。当然,在这个新技术竞争激烈的领域不乏挑战者,如Mcor公司2012年新推出的Iris全彩打印机只需普通A4办公纸作为原材料,具有超低的成本优势和绿色环保的优势。在国内,由亚洲制造业协会联合华中科技大学、北京航空航天大学、清华大学等科研机构和企业共同发起的中国3D打印技术产业联盟于2012年成立。

     目前,3D打印机已经能够使用各式各样的新材料(液体、粉末、塑料丝、金属、沙子、纸张、甚至巧克力、人体干细胞等),通过喷墨沉积、熔融沉积成形、激光烧结、立体光刻、电子束熔炼、超声波固结等工艺将三维数字模型变成实物,从玩具、工具、到厨房用品、建筑、时尚衣服应有尽有,甚至还可直接打印具备触感的人造耳朵、人体骨骼、人造假牙、鲜肉,以及枪支、跑车、无人飞机等。利用3D打印机,未来甚至能够打印出人类。

 美国研究人员制造的一架3D打印无人飞机,巡航时速可达到45英里

     3D打印技术目前面临着以下几个主要问题亟待解决:

     一是与传统切削加工技术相比,产品尺寸精度和表面质量相差较大,产品性能还达不到许多高端金属结构件的要求;
     二是大批量生产效率还比较低,不能完全满足工业领域的需求;
     三是设备和耗材成本仍然很高,如基于金属粉末的打印成本远高于传统制造。

     由此可见,3D打印技术虽然是对传统制造技术的一次革命性突破,但它却不可能完全取代切削、铸锻等传统制造技术,两者之间应是一种相互支持与补充,共同完善与发展的良性合作关系。

     3D智能数字化与3D打印技术相结合所带来的优势,不仅仅在于通过复制手段真实还原现实世界,而且还可以在3D数字化的基础之上,通过再设计工作,创造出一个更加美好的世界来。以电影《阿凡达》为例,很多美轮美奂的场景都无法从现实中直接拍摄,而通过数字化的艺术设计,再使用3D打印机直接打印出来,这样不仅免去了费时费力的手工制作,而且获得了超越现实的逼真效果。3D智能数字化与3D打印的完美结合,将实现用“虚拟”再造“现实”的崭新境界。

     3D智能数字化与3D打印:转向“中国智造”的产业机遇

     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智能数字化和3D打印在我国具有巨大的发展机遇。

     1、3D智能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智能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,价格却可仅为四分之一左右。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,完全可以使得国产3D扫描设备占据绝大部分国内市场甚至国际市场。

     特别需要指出的是,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、以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,因为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。

     除了大型的3D数字处理软件,还有很多可实现单一特色功能的智能化软件值得关注。前面已提到过,智能数字化技术的应用目前在国内和国外都处于起步阶段,差距不大。而且这类功能单一软件研发风险小,可以作为缩小与国外整体差距的另一个突破口。如一款实现网格混搭的新软件MeshUp,可通过混合任意数量的网格和部分网格,来创建新的可直接输出到3D打印机的数字化对象,比如可将用户的人脸模型置入一个茶杯外壁并一起打印出来。

 

    一款实现网格混搭的软件MeshUp

     又如一款叫做Chopper的软件,能够将一个尺寸大于3D打印机的模型,像它的名字那样“剁(Chop)”成几块。同时,软件自动生成连接节点,方便用户组装和粘合分散的部件。

 Chopper软件自动将尺寸大于3D打印机的模型分成多个部件 

     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之间存在着较大的差距,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。

 对3D形状的频域特征空间进行智能化分析 

     可以预见的是,以视觉计算、模式识别、机器学习等为代表的智能化技术将获得广泛的工业化应用,配以低成本的传感设备,可以进行自动感知捕获、特征提取、统计分析、以及智能化定制设计,以满足高附加值“批量定制”的工业需求。

 

     2、建立完善“中国智造”的产业生态圈 

     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。以美国Shapeways的在线打印服务模式为例,帮助人们利用3D打印技术制作自己想要的产品,至今已获得了数千万美元的风险投资,证明了其模式在目前是成功的。用户可以上传自己设计好的3D模型,支付一定费用后,Shapeways利用设在纽约“未来工厂”里的50台工业3D打印机将其打印出来并邮寄给用户。又如Quirky公司,鼓励用户通过Facebook和Twitter等社交媒体提交他们的产品想法,也可以对其他人的想法投票、评分,并提出修改意见。该公司每周都会挑选一个最好的产品创意,将它变为现实。从命名、LOGO设计到包装,Quirky将参与产品开发的每一个环节。Quirky的一个典型成功案例是一位中学生所设计的插线板,2012年获得了50万美元的净收入,而设计者本人的收入则超过5万美元。

     我国目前已拥有一定数量的产品设计人员,这从目前市面上琳琅满目的国产手机外观设计就可窥豹一斑。当前存在的问题是缺乏有保障的生态环境支持这些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。这方面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),还有营造创新文化氛围。此外,我国还需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(Do It Yourself:自己动手设计和制作)兴趣,可将3D打印技术纳入中学和大学的学科建设体系,增加必修环节和实训项目,为以后类似Shapeways和Quirky模式在中国的产业化形成提供相应的人才储备和技术储备。

     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打印关键技术领域的研发投入,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。

     如前所述,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、产品创意的智能化设计、3D打印产品的清理和抛光上色等。在欧美等发达国家,人工费用非常昂贵,这样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,其出售3D扫描和3D打印的人物雕像,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,完全可以使用国产的智能扫描设备,经设计师的定制加工之后,再采用低成本的单色材料,并利用低成本的单色3D打印机(如Reprap、Makerbot等)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。

 国外一个6英寸的全彩雕像成本价为2493元人民币,而在“中国智造”模式下成本可控制在100元人民币以内 

     由此可见,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的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。




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