工業(yè)4.0計劃所描繪的場景是人們所期待的“第四次”制造技術變革么？對人類社會而言，怎樣的技術對制造技術的推動力與變革才能類比于前三次“工業(yè)革命”？要討論這樣的問題，有必要回歸到對制造技術本質(zhì)的認知上，亦即什么是制造。

作為數(shù)字技術驅(qū)動下的一項新興制造方法，增材制造技術對傳統(tǒng)制造思維的本質(zhì)革新是什么？傳統(tǒng)制造技術面臨的發(fā)展瓶頸，為制造技術下一輪升級預留下了怎樣的發(fā)展空間？增材制造技術如何推動制品性能的新一輪升級，從而再次賦能制造業(yè)？

增材制造三部曲【黎明前】

“造物”原屬于宗教、神學領域的概念，指的是造物主創(chuàng)造宇宙萬物的能力，這一點在東西方宗教論著里均有不同形態(tài)的描述。但從古人類第一次學會塑造工具、使用工具以來，“造物”亦已扎根于凡俗，并被賦予了“制造”這一名稱。

“制造”是人類利用、改造客觀世界，使之服務于己的最有力手段。從古時的手工作坊，到今天的數(shù)字化無人工廠，一般意義上，制造技術經(jīng)歷過三次“工業(yè)革命”的巨大進步，并被認為正在經(jīng)歷“第四次”革新。前三次“工業(yè)革命”分別以蒸汽動力、電氣動力以及電子計算機的廣泛使用為標志，它們推動制造過程進入機械化、電氣化、自動化時代，使得制造技術在規(guī)模、效率、精度等方面得到了極大進步，并直接奠定了現(xiàn)代社會的物質(zhì)基礎。

圖1 ?三次工業(yè)革命

時至今日，制造技術已成為現(xiàn)代工程成就的集大成者，從一臺典型的數(shù)控機床、工業(yè)機器人裝置中，很容易辨識到精密傳動機構、伺服馬達、自動控制器、光機電傳感器、以及信息處理及傳輸裝置。

可以說，在自動化與精密化這兩個方向上，現(xiàn)代制造業(yè)已經(jīng)取得了極高的技術成就，其對象物質(zhì)已發(fā)展至超合金、工程陶瓷、甚至金剛石等超難加工材料，其空間尺度已逼近物質(zhì)基本單元極限 - 原子級，其時間粒度已進入飛秒領域，其所用工具經(jīng)歷了傳統(tǒng)金屬刀具、合金/陶瓷刀具、金剛石刀具、以及激光/電子束/等離子體等能量束工具。種種跡象顯示，現(xiàn)代制造技術的前沿已觸及人類在基礎科學領域所創(chuàng)造成就的上限，例如作為電子信息技術的基石，大規(guī)模集成電路制造工藝，在基板材料、光刻分辨率兩個主要進化方向均已逼近已知物理極限。越來越多的人開始思考制造技術“第四次”重大革新的方向與動力可能來自何種激勵，德國的工業(yè)4.0計劃（最早發(fā)布于2013年4月漢諾威工業(yè)博覽會）、中國制造2025（發(fā)布于2015年5月）規(guī)劃均為這一思考的產(chǎn)物。

?圖2 ?數(shù)控機床

然而工業(yè)4.0計劃所描繪的場景，確定是人們所期待的“第四次”制造技術變革么？相信直到今天，很多制造領域?qū)＜胰孕拇嬉蓱]，這從兩者模糊不清的自我定義中可窺知一二。

相信對大眾而言，一個更容易達成共識的認知是：重大技術革新一定會呈現(xiàn)更清晰的技術界限，回顧前三次“工業(yè)革命”的標志性技術產(chǎn)物很容易證實這一點。例如第一次工業(yè)革命的蒸汽動力，第二次工業(yè)革命的電氣動力與大規(guī)模流水線，第三次工業(yè)革命的電子計算機與數(shù)字通信網(wǎng)絡。而從第三次工業(yè)革命以來，以狹義的眼光來評判，今天的制造業(yè)并未發(fā)生本質(zhì)變化；只不過是電子計算機性能更強了、軟件算法更復雜了、數(shù)字通信網(wǎng)絡速度更快了、更廣域了而已。由此來看，工業(yè)4.0計劃的所謂“第四次”工業(yè)革命，也不過是網(wǎng)絡信息技術支撐下，制造站點、物流網(wǎng)絡與消費群體的一次親密接觸而已，是柔性制造系統(tǒng)借助物聯(lián)網(wǎng)平臺試圖滿足規(guī)?；?、個性化消費需求的一次實踐，也將是對信息技術在制造領域所產(chǎn)生紅利的最后壓榨。

?圖3 ?數(shù)字化生產(chǎn)線

對人類社會而言，怎樣的技術對制造技術的推動力與變革才能類比于前三次“工業(yè)革命”？要討論這樣的問題，有必要回歸到對制造技術本質(zhì)的認知上，亦即什么是制造？

我認為制造的過程是人力凌駕在自然物質(zhì)上的過程，制造的產(chǎn)物則是人思考所產(chǎn)生信息，通過動作承載到自然物質(zhì)之后的存在形態(tài)。

由此來看，信息的產(chǎn)生、傳輸以及承載到物質(zhì)的過程，才是制造的核心過程；制造技術的變革必然伴隨信息產(chǎn)生方式的變革（設計過程的革新，從原始思維向手工設計，從手工設計到CAD、CAM）、信息傳輸方式的變革（指令傳輸與處理系統(tǒng)的革新，從手工操作向機械傳動，從機械傳動向電控伺服）、以及信息作用方式的變革（工具與工藝方法的革新，從打磨、雕刻向刀具切削、從刀具切削向能量束加工）。制造技術變革的結果又必然推動制造能力的重大進步，同時也伴隨制品性能的重大升級。

歷史證明：第一次工業(yè)革命后，強大的蒸汽動力使得大規(guī)模金屬加工成為可能，金屬制品與機械動力在生產(chǎn)生活中大量替代畜力與木制品；第二次工業(yè)革命后，部署更靈活、可控性與穩(wěn)定性更強的電氣動力，使得大規(guī)模流水線作業(yè)成為可能，更精密復雜的電氣部件與流水線制品廣泛用于生產(chǎn)生活；第三次工業(yè)革命后，電子計算機不僅使得制造業(yè)對生產(chǎn)過程的控制精度、反應速度提升了若干個數(shù)量級，電子計算自身也被大量用于生產(chǎn)生活制品中，使得制品性能得到巨大提升。若以同樣標準評判工業(yè)4.0的自我定義，很難再次期待同樣的效果。在當前制造技術發(fā)展越來越逼近現(xiàn)有認知極限的背景下，理性思考制造技術的本質(zhì)過程，回歸到對信息產(chǎn)生方式、信息傳輸方式、以及信息作用方式革新等方向的探索上顯得尤為重要。

圖4??工業(yè)4.0與中國制造2025

是什么樣的力量或思維方式，推動著制造技術在現(xiàn)有技術路徑上發(fā)展到目前的準極限狀態(tài)？人類為什么要追逐零部件的極限精度、極限微小尺度、極限材料性能？

顯然是對制品性能的更高追求，然而對更高性能的追求與這樣的做法有唯一因果關系么？很難直接回答這樣的問題。但當你知道隨處可見的智能電話，其微處理器是由攤平的百億門電路組合而成，當你了解到每一架空客A380都包含了約400萬個零件時，相信這背后一定有解構思維的巨大貢獻。人們用最簡單的溝槽在方寸之間重復了百億次，達成了能處理復雜計算任務的高性能微處理器；用海量簡單的0/1翻轉實現(xiàn)了探索深空、深海運載工具的復雜控制算法；用超高速明暗交替的光點實現(xiàn)了巨量信息的高速、遠距離傳輸。人類的解構思維在制造領域應用的太成功了！

在晶體管發(fā)明不到60年的時間里，即將晶體管的制造尺度快速推進到了原子級的平坦化加工、納米尺度的立體微結構，以至于量子隧穿效應產(chǎn)生的電子滲漏開始影響納米晶體管的穩(wěn)定運行；在發(fā)明100年后，即將飛機的復雜程度推進到百萬零件級，以至于僅靠加工機械固有制造精度已無法實現(xiàn)有效組裝，而不得不發(fā)展出一整套協(xié)同作業(yè)軟件，來協(xié)調(diào)零部件設計、管控制造精度與公差配合。

值得注意的是，在單體性能逼近制造極限的同時，解構思維指導下，采用海量零部件組合、構建大型系統(tǒng)的進程，也即將/或已到達性能平衡點。這種平衡來源于組裝/互聯(lián)的有償性，即組合/裝配鏈路越長，其消耗的資源越大。隨著系統(tǒng)規(guī)模擴大，零部件組裝所產(chǎn)生的性能增益，最終被組合/裝配鏈路所消耗資源抵消，使得整個系統(tǒng)性能無法進一步提升，這在采用大量計算、存儲節(jié)點構建超級計算機的實踐中已被反復證實，即在鏈接資源消耗的限制下，人們無法通過簡單擴大節(jié)點數(shù)量而得到更高性能的超級計算機。

當前的困境下，未來的制造技術應該走向何方？

我想作為一個思考個體，很難孤立的找到答案，但可以肯定的是無論制造技術發(fā)展走向何種形態(tài)，其始終是建立在人類對自然界運行規(guī)律的認知基礎上，因此長遠來看，制造技術的發(fā)展形態(tài)終究要遵從自然原理、回歸自然原理。更何況制造從來都不只是人的專利，自然界無時不刻不在造物。動、植物的生長，天候、地質(zhì)運動對地形的塑造亦為制造，甚至人們評價制造水準的高層次狀態(tài)也用上了“渾然天成”、“大巧不工”、“鬼斧神工”之類的修辭。這亦體現(xiàn)了人追求制造技術遵循自然原理的樸素思想。而自然界造物從來不靠精密的尺寸配合，也未選擇先造單體再組裝的路線。觀察人體自身亦處處體現(xiàn)自然造物的智慧，人體沒有一個精密尺寸結構，未包含一種極限單體物質(zhì)，但卻勝任多種精細操作與復雜任務，這不得不引起制造領域的思考，我們應該從自然界汲取什么樣的思想，使之融入到下一輪制造技術革新中？

增材制造三部曲【曙光】

隨著傳統(tǒng)制造業(yè)技術發(fā)展瓶頸的浮現(xiàn)，越來越多的人開始關注跨學科、跨領域的技術進展，并嘗試引入其它領域研究成果，探索新的制造技術突破。

近年浮現(xiàn)的仿生學、創(chuàng)成式設計、增材制造等新興設計理論與制造方法，可認為是這類嘗試的成果。

例如，受昆蟲外殼色彩變幻的吸引，研究人員發(fā)現(xiàn)了表面微結構的呈色機制，進而發(fā)明了無需顏料即可實現(xiàn)色彩變換效果的表面處理方法；通過分析水珠在荷葉表面的滾動機理，發(fā)現(xiàn)了具有憎/親水、憎/親油特性的微結構功能表面；通過分析蜻蜓飛行行為，解決了飛機在特定工況下振動問題；從植物纖維管束、動物海綿狀骨質(zhì)，以及生物胞狀微結構中得到靈感，制造出了蜂窩鋁材等發(fā)泡類高剛性、輕量化新材料。

越來越多的人開始從回歸自然原理的角度，思考制造技術的進化形態(tài)，并開始從解構思維主導的設計與制造方式，向面向功能的系統(tǒng)化思維轉變；從規(guī)則成形、精密裝配形式，向自適應生長、一體化功能結構轉變；從均質(zhì)材料單一物性，向復合材料、梯度材料的多屬性、多功能方式轉變。

圖5???表面微結構呈色示意圖

近年來，得到高速發(fā)展的增材制造（3D打?。┘夹g，是上述新思維與新技術的積極實踐者之一。人類在追求“虛空造物”這一終極夢想的漫長歷程中，從來沒有哪一種技術如3D打印這般逼近理想狀態(tài)。盡管從精度、生產(chǎn)效率等角度評價，3D打印技術的現(xiàn)狀還遠不及傳統(tǒng)數(shù)控切削、模具加工方式，但大量涌現(xiàn)的FDM、SLM、SLS、SLA、MJET等新型3D打印設備，其所呈現(xiàn)的輕量化、現(xiàn)場即時輸出能力，以及對復雜造型能力前所未有的釋放，不僅承載了公眾對未來制造的期待與夢想，也喚醒了信息化時代公眾對泛在、實體制造的熱情。

在工業(yè)與消費領域，增材制造技術先行者們已積極投身于推動制品性能再次升級的浪潮中。航空發(fā)動機領域的巨頭，美國GE公司，將激光/電子束金屬3D打印技術用于現(xiàn)有發(fā)動機的性能優(yōu)化與下一代高性能發(fā)動機的研發(fā)，其金屬3D打印一體化成型的LEAP噴氣發(fā)動機燃料噴油嘴，重量減輕25%，強度增加5倍。

圖6 ?德迪與意動航空聯(lián)合開發(fā)的全3D打印微型渦噴發(fā)動機

采用該型燃油噴嘴的LEAP發(fā)動機訂單量已超過11000臺，新款空中巴士A320 NEO、波音737MAX和國產(chǎn)C919大客機也將采用LEAP引擎；其用于波音777X的下一代動力引擎GE9X，是世界最大商用航空發(fā)動機，采用了燃油噴油嘴、T25傳感器外殼、熱交換器、誘導器、第五階段低壓渦輪（LPT）葉片、第六階段LPT葉片以及燃燒器攪拌機等7大3D打印零部件；其先進渦輪螺旋槳發(fā)動機（ATP），有三分之一以上部件通過3D打印一體成型完成，使得設計師可以將855個獨立部件大幅減少到12個。不僅如此，3D打印技術還使得ATP發(fā)動機在提升10％功率的同時減重5％、燃油消耗降低達20％。

圖7 ?ATP發(fā)動機

瑞士SONOVA集團是目前全球助聽器市場占有率第一的公司，在其Aurora運營配送中心配備了100余臺3D打印機，技術人員先使用掃描儀采集患者耳部數(shù)字文件，進而使用特殊軟件設計助聽器外殼，而后即可選擇任意一臺3D打印機輸出定制化助聽器外殼。以這樣的先進生產(chǎn)方式，Aurora運營配送中心每年可滿足數(shù)百萬患者聽力矯正需求，而傳統(tǒng)制造方式下，技師需要通過患者的耳道模型做出注塑模具，然后得到塑料產(chǎn)品，最后通過對塑料產(chǎn)品進行鉆音孔和手工處理，得到助聽器最終形狀。如中間任何環(huán)節(jié)出錯，就需要重新制作模型，不僅費用高昂，而且周期漫長。

在運動領域，3D打印技術也是各大品牌爭相投入研發(fā)的新領域。早在2013年，耐克和阿迪達斯就開始投資3D打印技術。耐克是第一家使用 3D 技術為運動員制鞋的制造商，開發(fā)了第一款3D打印橄欖球鞋—— “蒸汽激光爪”。通過足部數(shù)據(jù)采集分析，3D打印生產(chǎn)方式可以基于同一款運動鞋的設計模板，依據(jù)不同消費者的腳型、喜好、以及使用場景所需緩震、支撐等要素，在短時間內(nèi)實現(xiàn)批量個性化定制；并且隨著技術發(fā)展，未來的個性化建模時間更短、打印材料更多樣、打印效率更高，原本高污染、強人工依賴性、需幾十道工序才能做出一雙鞋的生產(chǎn)鏈，將徹底被打破。

圖8? 設計仿真制造一體化3D打印鞋

然而與公眾高漲的熱情和期待形成鮮明對比的是，很多從事傳統(tǒng)制造業(yè)的專業(yè)技術人員提及3D打印技術時，往往首先想到的是復雜結構、輕量化、個性化、以及快速樣品制作，再往深一層思考便是壓縮零部件供應鏈、實現(xiàn)中間件的零庫存等。

增材制造技術的意義僅止于此么？只是為了彌補現(xiàn)有認知下傳統(tǒng)制造力不能及的部分？

這樣的內(nèi)涵顯然無法支撐公眾對增材制造技術的宏大愿景，亦不足以感召更多的專業(yè)技術人員投身于增材制造產(chǎn)業(yè)并為之努力終身。傳統(tǒng)制造領域?qū)υ霾募夹g的認知局限，與增材技術的前身即“快速成型技術”不無關系?？焖俪尚图夹g產(chǎn)生最初，僅僅是為了滿足快速實現(xiàn)數(shù)字模型到物理實物的制造需求，進而實現(xiàn)新產(chǎn)品研制過程的設計原型驗證與方案快速迭代。

為此，人們嘗試了比模具更經(jīng)濟的數(shù)控切削成型方式，但在制作復雜零件方面仍有編程復雜度、成本、制造周期等諸多限制，進而催生了熔融堆積成形、立體光固化成形等真正意義上的增材制造方法。以至于至今很多制造業(yè)技術人員仍會將增材制造技術等同于快速成型技術，并狹義的將增材制造裝備定位于單件或小樣加工場景。

但我認為這樣的定義并未反應增材制造技術對傳統(tǒng)制造思維的本質(zhì)革新，即便是用一臺最廉價的桌面型FDM打印機，以點-線-面、層層堆積的方式打印輸出數(shù)字模型實體時，其所展示效果也足以令人動容。

圖9 ?德迪工藝混合智能制造流水線DHP-4

（FDM工位）

在整個打印過程中，成形信息（噴頭運動）與物質(zhì)材料（熔融態(tài)高分子物質(zhì)）在時空維度下高密度混合，使得遵從數(shù)字模型所定義屬性的物理實體在打印平臺上一次輸出成形、定性，這足以顛覆了人們對傳統(tǒng)制造過程先成材、再塑形、最后組裝定性的認知。

與之相對應，我們的設計、制造思維也應做出改變：裝配不再作為實現(xiàn)復雜功能的必要措施，規(guī)則形狀與精密尺寸配合亦不再是設計復雜系統(tǒng)的剛性約束。人們理應從實現(xiàn)復雜物理系統(tǒng)的傳統(tǒng)設計、制造思路中跳脫出來，以直接面向功能的視角，從更底層思考物理實體的構建方法。這也意味著：增材制造技術作為數(shù)字技術驅(qū)動下、回歸自然界“生長造物”的新方法，理應成為區(qū)別于傳統(tǒng)制造的“第二種”造物路徑。

增材制造三部曲【未來】

千百年來，人類制造技術發(fā)展的絕大多數(shù)努力集中在了形狀塑造上，并且這種趨勢一直延續(xù)到現(xiàn)代，從打磨石器到陶器塑形，從制作木質(zhì)家具到鍛打金屬器具，從金屬切削加工到單晶硅片光蝕刻，對素材形狀的加工長期以來一直是人們賦予制品以功能的主要手段。

借助超精密加工機床，今天我們可以將12英寸的大尺寸硅片整體加工至原子級表面平整度，以用于制作高密度集成電路；可以將靜壓氣浮主軸的圓度偏差控制到納米級，以實現(xiàn)“零磨損”超高速旋轉；可以加工口徑達2.4米的大型光學反射鏡，以觀測百億光年外的星系。從將信息承載到物質(zhì)的本質(zhì)角度來看，形狀信息在傳統(tǒng)制造中長期占據(jù)主導地位。

圖10 ?超精密加工

與之相比，人類在發(fā)現(xiàn)、利用材料方面的進步要慢許多，在有清晰記載的約六千年人類文明歷程中，從起源時期的石器時代、到青銅器時代、再到鐵器時代的進步耗費了超過97%的文明發(fā)展時間。僅在第一次工業(yè)革命后的一百余年時間里，精煉鋼材、有色金屬、合金材料、工程陶瓷、人造單晶材料等高性能素材才陸續(xù)登上制造業(yè)舞臺。

與材料發(fā)展相比，利用材料物性提升制品性能的研究則更為初級，可供列舉的典型案例包括：金屬熱處理、合金改性、離子注入等。直到2011年6月美國政府發(fā)布材料基因組計劃（MGI），對新材料物性與材料配方關系的研究，才開始擺脫主要依靠研究者的科學直覺和大量重復的“嘗試法”實驗的低層次局面。

中國工程院亦于2012年12月啟動了與MGI類似的《材料科學系統(tǒng)工程發(fā)展戰(zhàn)略研究—中國版材料基因組計劃》重大項目。材料基因組計劃融合了材料高通量計算、高通量制備，以及高通量檢測及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。其中計算技術又包括材料構象表征、高通量計算及篩選、機器學習、神經(jīng)網(wǎng)絡技術、優(yōu)化算法和新型的高通量制備及表征技術。其終極目的是通過所建立數(shù)據(jù)庫中已有材料結構與性能的相關性，指導新材料設計和開發(fā)，使得研究人員可在原子和分子層面上認識、設計和計算新材料。

圖11 ?材料基因計劃示意圖

什么因素促成了傳統(tǒng)制造業(yè)在形狀塑造方面的偏科式發(fā)展？

基于對制造過程本質(zhì)的理解，可以肯定的是塑形的源動力來自于思考所產(chǎn)生的信息，而思考的要素則來自于人類對自然界的感官認知。

人類對實體形狀的認知來源于視覺，是與聽覺、觸覺、嗅覺、味覺等所組成五感中對實體的第一認知。容易推斷：人類視覺對客觀實體認知的第一性及先天優(yōu)勢，是推動傳統(tǒng)制造執(zhí)著于塑形的源動力之一。

而新材料的發(fā)現(xiàn)與材料物性改進，則建立在人類對各種基本物質(zhì)屬性的認知與準確測定，以及對不同基本物質(zhì)相互作用機制的全面解析基礎上。這需要科學的理論指導與系統(tǒng)的試驗方法支撐，其相對滯后的發(fā)展局面就不難解釋了。

特別是，傳統(tǒng)制造方式普遍建立在對單一均值材料的塑形模式之上，其所能提供干預材料物性的手段很少，這進一步限制了材料及其改性研究與制造技術的協(xié)同發(fā)展。以積極的態(tài)度看待，這種滯后與不平衡發(fā)展局面，在傳統(tǒng)制造技術面臨發(fā)展瓶頸的現(xiàn)狀下，反而為制造技術下一輪升級預留下了發(fā)展空間，亦指明了革新的基本方向。

?圖12 ?3D打印示意圖

增材制造技術的出現(xiàn)，從根本上改變了傳統(tǒng)制造技術與材料技術相互割裂的發(fā)展局面。

其原因在于3D打印機在輸出物理實體時，采用了從無到有的受控生長方式，其所用的建造物質(zhì)從低維度的點、線或面形態(tài)，以積分原理累積形成最終的三維實體；而在持續(xù)累積過程中，3D打印機有充分的時空窗口對建造物質(zhì)的物性進行細粒度、高分辨率的主動控制，即將形狀信息承載至建造物質(zhì)的同時，亦將物性屬性施加至建造物質(zhì)。這使得打印過程結束時，所輸出三維實體既承載了高密度的形狀信息，也被附加了高分辨率的材料物性信息，使得最終制品的成形與定性得以同步完成。

簡而言之，無論采用FDM、SLM、SLS、SLA、MJET或其它何種類型的3D打印機，它們實際上均提供了類似的受控生長式實體建造框架，在該建造框架下，形狀信息通過運動對空間的選擇性作用到建造物質(zhì)上，而物性信息則通過運動對材料的選擇性施加到所用的建造物質(zhì)上，兩種選擇機制共同完成了形狀與物性信息在所建造物理實體上的高密度承載。

這讓我們有充分的理由相信，增材制造技術有足夠的潛力推動制品性能迎來新一輪重大升級，從而再次賦能制造業(yè)。這樣的自信源于任何制造過程本質(zhì)上都是將設計信息承載到物質(zhì)的過程，更高密度、更精細的設計信息承載到物理實體上，意味著所生成制品更強的功能性，進而帶來性能的飛躍。因此，在釋放復雜成形能力的表象下，增材制造的真實意義在于證明了“造物不止于形”的新興制造理念。

然而作為一種新興的制造方法，增材技術還需與之匹配設計理念與系統(tǒng)裝備才能付諸實踐。在將傳統(tǒng)制造的設計方法與評價標準遷移到增材應用的實踐中，兩者在多方面表現(xiàn)出了沖突性。例如面向規(guī)則設計與面向功能設計的對立，加工精度與成形自由度的對比，成熟度/易用性與工藝靈活度的對立，綜合制造成本與成形成本的對立等。

與此同時，增材制造所運用的受控生長式實體建造框架，對裝備也提出了特殊要求，包括素材在3D打印設備中正在沿著線材、顆粒、粉末、液體的趨勢越來越逼近自由形態(tài)，這要求增材裝備的運動系統(tǒng)能選擇、操縱細粒度的自由態(tài)素材，以執(zhí)行物性信息的賦值；生長成形式實體建造過程還要求增材裝備的運動系統(tǒng)，具備高速、準確選擇細粒度空間區(qū)域的執(zhí)行能力，以實現(xiàn)成形信息賦值。

圖13 ?3D打印材料

另外，多種素材在3D打印設備中混合成形、定性，還依賴于能量反應所激發(fā)的理化氛圍，這亦要求增材裝備的過程控制系統(tǒng)，可實時控制實體構建過程的關鍵理化狀態(tài)變量。

為了得出以上結論，德迪智能作為增材領域的新興公司，在跨度長達4年的創(chuàng)始階段逆流而上，實戰(zhàn)了幾乎全部類型的3D打印技術類型，承擔了巨大的生存風險，進而得以從大量實踐中提煉出共性邏輯，形成了對增材制造的獨到發(fā)展見解，并已成為德迪智能所奉行的核心價值觀，即增材設計思維，統(tǒng)一建造框架，以及全解析材料庫。在核心價值觀指導下，德迪智能新技術研究院啟動了面向批量制造的增材解決方案研究計劃，并輸出了以APRO控制系統(tǒng)和全解析材料庫為主的自主技術貨架成果。其中APRO控制系統(tǒng)作為統(tǒng)一建造框架的具象化表達，以及承接增材設計思維、執(zhí)行并輸出設計信息至物質(zhì)素材的中間環(huán)節(jié)，已成為德迪智能在增材領域構筑的核心技術優(yōu)勢之一。

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圖14 ?APRO外觀

APRO控制系統(tǒng)的誕生源于德迪智能對增材制造過程本質(zhì)特性的理解，即將更高密度的設計信息賦值到物質(zhì)對象上，以獲得制品性能的升級。為了更好的服務這一目標，APRO控制系統(tǒng)必須提供強大、穩(wěn)定的信息存儲、運算及輸出能力；必須能根據(jù)靈活多變的3D打印形式，便捷的從統(tǒng)一建造框架實例化成具體的3D打印控制器；必須同時兼顧多種形式的高速運動控制任務；必須具備種類齊備的傳感系統(tǒng)以實現(xiàn)建造氛圍理化狀態(tài)的實時閉環(huán)控制。

顧名思義，APRO控制系統(tǒng)進化出了敏捷-agile、精密-precise、魯棒-robust、優(yōu)化-optimized等四個基本基因。

其中敏捷基因體現(xiàn)在APRO系統(tǒng)既具有統(tǒng)一建造框架模型，既采用了相同運行邏輯和設備操作系統(tǒng)，也確定了分布式網(wǎng)絡硬件架構。3D打印設備制造商無需修改設備操作系統(tǒng)內(nèi)核，而只需按需選擇網(wǎng)絡模塊，并組網(wǎng)配置，即可快速實現(xiàn)3D打印控制器的搭建與部署；APRO系統(tǒng)的運動控制模塊還內(nèi)嵌了性能優(yōu)異的硬件算法，以支持實時軌跡解壓縮、運動路徑規(guī)劃、畸變矯正等先進控制功能。

精密基因體現(xiàn)在APRO系統(tǒng)強大的邊緣計算與信息處理能力上，為了更好服務于更高密度設計信息的存儲、運算和輸出，APRO系統(tǒng)組件的運動控制模塊（運動控制器、掃描控制器、微噴控制器等）在執(zhí)行層采用了硬件處理機制，即通過專享IP核/硬件處理線程、去操作系統(tǒng)化的Bare-chip運行機制、以及雙精度浮點處理器/超高位寬定點處理器，以實現(xiàn)3D打印建造過程運動對空間與物質(zhì)的高速選擇控制。

魯棒基因體現(xiàn)于APRO系統(tǒng)分布式硬件設計、高可靠性電路方案、以及分布式運算控制模式；APRO系統(tǒng)硬件由UI主機、網(wǎng)絡中控，以及各邊緣網(wǎng)絡模塊組成，UI主機不承載實時控制任務，全部實時控制由各邊緣網(wǎng)絡模塊基于配置信息及程序腳本完成；各邊緣網(wǎng)絡模塊均具備獨立的計算控制能力，以及強健的電氣隔離輸入/輸出通道；單一模塊功能異常不會導致APRO系統(tǒng)功能奔潰。

優(yōu)化基因體現(xiàn)于APRO系統(tǒng)高速/靈活的組網(wǎng)形態(tài)，以及可供用戶選擇的豐富網(wǎng)絡模塊產(chǎn)品庫；為了提升系統(tǒng)互聯(lián)效能及響應實時性，APRO各硬件模塊基于ASIC通訊界面以及UDP長短包混合通訊協(xié)議，其中ASIC通訊界面實現(xiàn)了“CPU零開銷”的網(wǎng)絡傳輸，而長包通訊協(xié)議適用于巨型腳本的高效傳輸，短包用于實時控制信息傳輸時，則可發(fā)揮出短延時的優(yōu)勢；針對同樣的功能，APRO硬件模塊還提供了ARM單片機、DSP、FPGA SoC三種平臺方案，可滿足3D打印設備制造商對控制系統(tǒng)低成本、高性能等多元化需求。

圖15 ?APRO控制系統(tǒng)示意圖

需要特別強調(diào)的是，與APRO系統(tǒng)配套的“APRO_OS”設備控制軟件，基于通用操作系統(tǒng)規(guī)范，提供了各網(wǎng)絡模塊的應用開發(fā)函數(shù)，以及自主設計的高級腳本語言開發(fā)環(huán)境。實例化的3D打印機控制通過APRO_OS環(huán)境下，腳本語言編譯所得的應用程序（APP）實現(xiàn)，用戶根據(jù)APRO_OS的應用開發(fā)函數(shù)，以及高級腳本語言指令手冊，可開發(fā)自定義功能的APP以重新組織3D打印機硬件資源，實現(xiàn)3D打印硬件的靈活應用。

簡而言之，APRO_OS賦予了3D打印機另一大屬性，即腳本語言支持下的過程與工藝開源，使得3D打印機工具化（既可作為輸出實體制品的生產(chǎn)工具，也可作為研發(fā)材料/工藝的可編程試驗工具）。

這樣的開源化設計源于增材制造自身發(fā)展的迫切需求。要發(fā)揮新材料、多材料調(diào)和物性對制品的性能增益，增材制造技術的發(fā)展必須立足于對材料特性的全方位認知，以及對制品目標功能的深度理解，并在此基礎上探索設計思路與建造工藝。要達成這樣的發(fā)展狀態(tài)，需要更廣泛的群體參與到增材制造技術、經(jīng)驗的累計中。

與之相悖的是，電子計算機、信息技術在推動制造裝備自動化、精密化的同時，也在制造裝置外圍構筑了厚重的技術隔離墻，使得制造工藝的開發(fā)、測試與運用，從手工/機械化時代的大眾群體，縮小至極小范圍經(jīng)過系統(tǒng)培訓的自動化領域從業(yè)人員，這極大限制了制造工藝的發(fā)展速度。可以預見APRO_OS在3D打印設備的應用與普及，其所提供的過程/工藝開源化特性，必將全面加速3D打印工藝研發(fā)的規(guī)模與進度，促使新材料、新物性的不斷出現(xiàn)，最終使得“大制造技術”在塑形、材料、物性三方面發(fā)展趨于平衡，以實現(xiàn)造物不止于形的高層次目標。