各路专家谈“3D数字化打印”未来

主讲及嘉宾介绍：主讲叶修梓，国际著名软件专家，浙江大学博导，教育部“长江学者奖励计划”特聘教授；嘉宾有汪振坚，温州市经信委信息化推进处处长；洪振杰，温州大学数学与信息科学学院副院长，温州大学网络经济研究院执行院长；徐承柬，浙江天地人科技股份有限公司董事长。

主题：3D数字化技术与3D打印；主讲人：叶修梓；嘉宾：汪振坚，洪振杰，徐承柬；参与：沈一洲，刘冉，倪考梦，陈镇。

大家晚上好！很荣幸今天有机会跟大家分享一下3D数字化技术以及3D打印技术。我们的研究领域是产品的3D数字化设计、仿真分析、制造。

近几年来，我们也把3D技术推广到设计、仿真分析、制造以外领域，比如说在产品的市场营销方面的应用，也就是产品的3D网络营销。

在3D打印方面，我们最近也做了一点尝试，主要是研究牙齿的设计、3D打印。除了3D技术以外，我们的另一个研究领域是视频图像，也就是视频大数据的智能分析。

在视频大数据分析方面，我们在交通、安防以及商业连锁店视频大数据分析这一块，做了很多工作。比如说基于人脸分析的商业客流大数据分析。比如说在智能交通方面，基于视频的行人闯红灯系统，自动抓拍系统，斑马线未礼让行人系统，违章停车系统，高清卡口系统，这些都是视频大数据智能分析在智能交通上面的应用。当然还有在安防方面的基于人脸识别的一些应用。

再回到我们今天的主题“3D数字化技术与3D打印”。我先概括介绍一下我们多年来在这些方面的研究。我们的研究主要集中在3D打印、3D数字化技术和视频图像处理这三个方向。

在3D数字化技术方面，我们主要是做数字化设计(CAD)，数字化仿真分析(CAE)以及制造业的资源和服务平台，涉及到产品的设计、分析和服务。

我先跟大家简要分享一下3D数字化技术的发展历史。二战时出现了非常庞大的计算机，就有人在想是不是可以用计算机来做图形、做设计。第一个做这种尝试的是麻省理工学院的博士生，叫IvanSutherland(艾文·萨瑟兰)，他做了一个叫Sketchpad的一个小系统，这是1963年，是世界上第一个在计算机上面画图、画二维设计图的一个软件。这实际上是开创了计算机辅助设计跟计算机图形学科。

从那以后，就有人在想研制在计算机上面做辅助设计系统。首先是一些大的公司，包括法国的达索飞机公司，包括美国的通用汽车公司，他们自己的CAD中心都在研制公司内部用的CAD系统。

后来也出现了专业的专用CAD公司，研制CAD系统，卖给第三者用。但是那时候的系统是跟硬件绑在一块的，软件和硬件是同一个系统，售价也是非常昂贵的。比如说PRIME公司，它是硬件系统公司，是卖计算机硬件的，他也研制了一个CAD系统，是ComputerVision的CADDS系统，这个系统当时最初出来的时候是一百万美金一台。后来，慢慢地从一百万美金降到了五十万美金一台，然后再降到了二十五万美金一台，也是非常昂贵的。

80年代初，当时在理论界出现了研究怎么在计算机里面表示三维形体、形状，这些理论上的研究取得了比较大的突破。

同时，计算机图形技术也慢慢地发展起来。学术界也在考虑怎么同时设计产品系列，不是说设计一个，而是设计一个零件族，一个产品的系列。

这些研究导致了后来PTC(ParametricTechnologyCorporation)的Pro/E系统，这是一个参数化设计系统，这个软件也是在大型、中型机上面跑的，卖的也是挺贵的，当然比二十五万美金要便宜很多，卖的是八万美金。

在这个时候，我前面提到的一些大的汽车、飞机公司，他们原来做辅助设计的CAD中心，他们把CAD中心剥离出来，成立了独立的公司。比如法国的达索飞机制造公司的CATIA系统，通用汽车公司Unigrahics系统，都剥离出来，独立作为软件公司，卖他们的设计软件。

到了90年代的时候，计算机的发展发生了比较大的变化，主要是在操作系统方面，微软操作系统，Windows操作系统慢慢地就要出来了。还没有出来的时候，就有一帮人在想，怎么样把CAD系统搬到PC机上，当时的PC机实际上功能还不强的。

但当时已经有公司在想，怎么在PC机上做设计工作，这个系统现在很有名，大家都知道的，叫AutoCAD系统，当时它是世界上第一个在PC机上开发的，只能做二维的设计。

但是，那时候已经有迹象表明，PC机是可能有能力承载三维设计的工作的，因为Intel公司的芯片越来越强有力，就使得PC越来越强有力。

当时我在麻省理工学院做博士后，麻省理工学院的几个年轻人，我们几个人一起做了一个系统，94年的时候，叫SolidWorks，现在是世界上三维设计用的最多的一个软件。

当时我们的理想是让每个工程师都有一台3DCAD系统，这个系统必须是易学好用，当时我们看是有可能成功的，为什么呢？因为微软它的Windows操作系统出来以后，大大改变了用户界面，所以易学好用是可以办到的。Intel越来越强有力的芯片，是可以使得在PC上进行三维设计的。

SolidWorks公司成立于1994年，1997年被法国的达索系统公司(DassaultSystems)收购了，在当时来说，是天价收购。但现在来看达索系统公司是做了一件非常厉害的事情，他从这个收购里面现在赚了非常多的钱。

三维CAD系统发展到今天，现在不仅仅是做设计了，它做设计数据的管理，全生命周期数据的管理，也就是说CAD三维数据的全生命周期应用。

结合到现在的大数据、云计算和移动端，已经有公司在云端开发出基于云的3DCAD系统OnShape，这个我等一下如果有时间再讲。

大家都知道，设计不是最终目的，最终目的是产品，设计了以后就要对设计进行验证。比如iPhone，设计出来以后，你要验证iPhone的设计是不是合理，它的结构是不是合理，它的性能是不是达到了要求，如果iPhone从桌子上掉下来，或者你摔的话，是不是会被摔破，这些事情当然是可以把实物制造出来，再去做验证，但那样做的代价是非常大的。

从有数字化设计的第一天起就有人在想，怎么用数字化仿真技术，来虚拟验证设计的产品是不是达到了设计的物理性能要求，是不是在结构和力学强度上达到了设计要求。

最初做这个事情的，是美国宇航局(NASA)。大家都知道NASA在设计航天飞机的时候，对仿真分析有非常强的应用。最初的一个结构仿真分析系统，是为NASA做咨询的几个工程师，叫RichardMacNeal、RobertSchwendler这两个工程师。

他们在那时候开发了一套软件。这两个人跟NASA商量，是不是可以允许他们把这套软件拿出来卖，NASA后来同意了，当然是有条件的，条件是：这套系统你可以卖，但是技术你必须分享，如果有人要用这个技术，你不能独霸，你应该让他们用。

RichardMcNeal、RobertSchwendler两个人就成立了一个叫MSC公司(McNeal-SchwendlerCorporation)，专门做仿真分析。MSC软件公司成立的时候，是世界上十个最早的软件公司之一。

有一阵子MSC的产品需求量非常大，使得他们根本就来不及发货，也正由于这个情况，实际上对他们造成了很消极的影响，不求上进。他们的仿真分析系统的界面历史上是很难用的，因为这个产品带有一些垄断性质的。

大约在五年前，MSC公司决定对他的技术进行一次革新，主要是要在计算的速度和用户的感受上面，进行一次革命性的调整。当时我也被邀请去了，是他们三个系统架构师之一。

经过我们这五年的研发，MSC公司最新版本的产品Apex，今年年初发布。这个产品到现在为止已经获得了一系列的大奖，其中最主要的一个大奖，是上个月拿到的，就是美国的“R&D100”奖，这是软件研发上面是最高奖之一。

这个新的架构主要是针对互动体验方面，在检验修改的可靠性，在局部修改、局部迭代计算方面，在计算数据的保密、可靠，以及高性能计算上面，都做了很大的调整。

一个产品在数字化设计以后，我们刚才讲，要进行虚拟仿真分析，下一步就是制造。讲到制造大家马上就想起来3D打印。但实际上，3D打印技术是数字化制造的一部分，是最近才时尚起来的，在这之前，就是数字化制造技术CAM。像数控机床、模具，这些都是CAM的代表，这是批量生产的代表。

回到3D打印技术，3D打印技术实际上是非常古老的一个技术。由3D数字化设计出来的东西，在除了验证分析以外，大家就在想，是不是把它按某个比例缩小制造出来，大家看看，感受一下，这个东西是不是对的，80年代初就有叫产品原型制造技术，就是现在叫的3D打印技术。

那时候的3D打印技术是干什么的呢？是做产品的原型制造，所以是叫原型制造技术的。这就是为你设计出来的东西，比如说缩小十倍，打印出来看看对不对，检查一下里面的结构是不是对的。这是原型打印，原型打印即使现在也是3D打印技术的一个最基本的应用。

为什么现在3D打印技术，一下子热起来了？这是因为个性化消费、个性化制造带来的。在很多领域，它制造是不能成批制造的。一个比较明显的例子就是补牙，你如果要换牙，每个人有自己的牙齿，都是不一样的，你没有办法开模，你没办法批量制造，每颗牙齿都不一样。

这种个性化消费，就是3D打印技术发挥用处的地方。以前没有热，主要是因为在材料上面的代价是非常大的，当然3D打印的机器上面，也没有现在发展得快，这几年3D打印机器硬件上面的发展也是非常快的。

我下面略微详细介绍一下3D打印技术。今年的5月6号，空客声明，它有超过3000个零部件是用3D打印技术做的，其中有些材料是最近才成功应用到3D打印技术上面去。

今年5月16号，美国NASA宣布，他们准备举办3D打印设计竞赛，希望帮助宇航员在空间探索中建立太空家园。这些跟其他的，比如说生物打印技术的进步，可以表明3D打印技术的发展是非常快的，应用领域也是越来越广。

3D打印技术，也是一种绿色制造，这是什么意思呢？传统的制造技术是一个减料技术，就是拿一整块非常大的材料，然后把不要的一点点挖去，剩下的是要的东西。3D打印技术刚好相反，是一个增材制造。也就是说，需要的东西一点点地往上打印，最后就成就了这个产品。3D打印可以打印产品中传感器、电池、微电子机械系统，这些都可以一起打印出来。

增材制造和减材制造，在资源利用上面是相差非常大的。有的产品，如果用增材制造，它的用料可以是减材制造的5%左右。用减材制造，绝大部分材料都会被挖去。

现在在工业界，3D打印技术用的有多广呢？在去年的时候，普华永道针对美国和欧洲，超过100个工业制造商的调查里面显示三分之二的企业已经使用了3D打印技术，但是大多数企业也只是用来生成快速原型，这正是3D打印技术原来很古老的应用。

3D打印技术在汽车和工业制造，在航空、制药和医疗保健，在零售业、运动器材这些方面，都正在得到越来越广泛的应用。

我们说3D打印技术，其实也包含很多内容，打印技术实际上是很不一样的，有的是用墨水一层层印刷上去，有的用的是激光制造。

评判一个3D打印技术，主要是要从性能、材料和成品这方面去看。从性能方面，现在3D打印技术有很多方面是应该改进的，比如说速度、分辨率、应用性、可靠性、可重复性；从材料来说，现在混合多种类型的材料的应用越来越广；在成品上，越来越多的打印包含多个嵌入模块的功能。

现在的3D打印机有各种各样的，有高成本、高性能的、也有低成本、低性能的。高端的3D打印机一般是在企业和服务机构(专门做3D打印服务的服务机构)。低端的打印机，主要是针对消费者和普通的