由北京市科委支持北京航空航天大學研制的大型金屬構件激光成形增材制造成套裝備，該成果主要用于航空航天復雜構件整體加工。


　　即使對于普通人，3D打印技術也不再是個陌生概念，人們津津樂道的是用半個小時就可以打印出一個微縮版的自己。但其實，除了這些“花哨”的玩法，3D打印已應用于飛機關鍵零部件的制造等高端制造領域。


　　輕觸按鈕，床板的上半部徐徐抬起，折疊成一個舒適的輪椅。幾乎不用移動身體，老人就從床上直接出了門。這“變形輪椅”實際上是北京航空航天大學機械工程及自動化學院研發的“床椅一體化機器人”。


　　事實上，3D打印、“床椅一體化機器人”等智能裝備、以數控機床為代表的高端數控裝備，正是當前全球制造業布局的戰略重點。金融危機后，尋求產業轉型的北京，同樣將這三個領域作為發展高端制造業的突破口。2011年11月，北京市科委啟動實施了以這三個領域為重點支持方向的“北京高端數控裝備產業技術跨越發展工程（精機工程）”。


　　兩年多來，“精機工程”在北京高端裝備領域共投入科技經費3億余元，帶動社會研發投入20億元。在3D打印等上述三個領域取得多項關鍵技術突破，并形成逐步完善的產業鏈。


　　另一組數字更能說明這一工程的意義。“精機工程”實施，帶動2012年北京高端裝備制造業實現產值500億元，稅收20億元，利潤25億元。


　　北京3D產業鏈逐步完善


　　國內3D技術最廣為人知的應用是，我國首創用3D打印造飛機鈦合金大型主承力構件，該技術成功應用于國產大飛機C919上。這一技術由北京航空航天大學激光增材制造技術團隊研發。


　　該團隊成員湯海波告訴記者，3D打印技術是“增材制造”技術的俗稱，也稱“增量制造”、“添材制造”、“添加式制造”技術，是指依據三維CAD建模，在計算機自動控制下通過材料逐層添加堆積的成形制造技術。相對簡明通俗的可將3D打印技術分為“快速原型制造技術”和“高性能金屬構件增材制造技術”兩類。


　　其中，大型金屬構件激光增材制造裝備是發揮“變革性”的高性能金屬激光增材制造技術巨大潛力的設備基礎和必要手段，也是長期以來制約該先進技術發展的“瓶頸”之一。


　　湯海波所在團隊自開展高性能金屬激光增材制造技術以來，開展了其成套裝備技術研發，歷經17年持續研究和完善，提出了“外置型”大型金屬激光增材制造裝備新思路，發明了“高效氣體充排—柔性密封”等系列核心關鍵技術，并自主開發出激光增材制造專用掃描路徑生成軟件、保障了制造零件的質量和性能。


　　經過5代系列科研型激光增材制造裝備的研發，激光增材制造數十種鈦合金、超高強度鋼大型復雜關鍵金屬零件在大型運輸機、艦載機、C919大型客機、殲擊機等多型飛機中裝機應用，并多次作為“唯一方案”解決研制“瓶頸”，發揮了不可替代作用，同時使我國成為迄今世界上唯一掌握高性能大型金屬零件激光增材制造技術并實現工程應用的國家。


　　湯海波表示，北京市科委高度重視和支持高性能金屬激光增材制造技術的發展，2012年以來北京市科技計劃重點項目“大型高性能金屬零件激光增材制造裝備樣機研制”旨在開發具有自主知識產權、引領高端裝備制造業的激光增材制造裝備樣機，2013年繼續資助該裝備的系列化、工程化發展。


　　除北航外，清華大學開展了多功能快速成形設備、熔融沉積制造設備、電子束制造設備、生物打印技術研究。中國科學院光電院、自動化所等院所以及中航625所等國家重要科研機構，在軟件設計、金屬材料、激光器等方面都具有很強的技術優勢。


　　此外，從材料研制和生產到數字化設計，再到關鍵部件研制和生產、整機研制和生產、應用，北京具備全產業鏈的競爭優勢。如何讓這些優勢資源發揮更大效益？2009年以來，北京市有關領導多次到北航等單位進行專題調研，對相關技術發展做出重要批示，北京市科委系統調研掌握了3D打印、機器人等產業在北京的基本情況，在此基礎上啟動了一批重大科技項目。目前，投入科技經費近6000萬元，帶動社會研發投入2億元。


　　同時，北京市科委積極打造公共服務平臺，如建設數字化制造業研發平臺及數字化制造業服務與培訓基地。2011年、2012年連續在3D打印、機器人等新興產業布局了研發平臺，認定北航、機械研究總院、清華、625所等單位組建的北京市級重點實驗室或工程技術研究中心。


　　支持北京DRC工業設計創意產業基地建設“3D打印”產業設計展示、制造服務、信息匯集、產業孵化、人才培訓、國際交流、材料查詢和市場與政策研究等內容，并已將其納入到北京市科委“首都科技條件平臺”體系內。開設“3D打印”體驗館，推進3D打印技術在普通大眾間的傳播和推廣。


　　除了實現關鍵技術突破，商業模式創新也是產業發展必不可少的環節。北京市推動相關單位利用電子商務和物聯網技術，建設了國內首家在線3D打印電子商務服務平臺——3D打印電子商務叁迪網，2012年成功上線運行，以汽車設計、3C產品、裝備制造、動漫設計、個性化需求等為主要用戶，提供在線3D打印服務。


　　智能制造技術方興未艾


　　在新一輪科技革命中，發達國家大力倡導“再工業化，再制造化”戰略，提出智能機器人是實現未來制造業的關鍵技術。


　　前文提到的床椅一體化服務機器人主要由床體、座椅、信息與控制系統四大部分組成。該模塊化可變形的多功能床椅一體化系統即可自動從護理床變形為輪椅，又可從輪椅反向變換回護理床。在護理床狀態時，通過語音控制可以實現翻身、抬背與曲腿等功能，此外還配備了血壓、脈搏、體溫等生理參數監測及報警系統、網絡視頻娛樂與吃藥提醒系統等，可以與遠方的子女進行視頻情感交流；在輪椅狀態時，通過手柄控制輪椅可以在衛生間、室內和走廊等空間進行移動，進行大小便自理，也可自動尋路對接回床的功能。


　　目前，該服務機器人已處于小批量試制階段，目前已經投產10余臺套，在北京市四季青鎮國家級模范敬老院等單位應用示范已一年，極大地提高了臥床老人的自理能力，大大減輕了護理人員的勞動強度，得到了護理人員和老人的高度認可。


　　據國際機器人聯合會（IFR）預計，到2014年我國工業機器人需求量將達3.2萬臺，成為全球最大的需求國。然而，國產機器人在國內的市場占有率不足30%，并多為在進口產品的基礎上再做應用開發或提供成套設備，因此進口產品占據絕大部分市場。我國機器人總體技術上與國際先進水平相比還有很大差距，產品性價比較低。傳感器、高性能伺服電機、精密減速器等關鍵部件長期依賴進口并且受制于人。


　　北京的戰略部署有望帶頭改變這一局面。目前，北京已初步形成“數字化設計、關鍵部件、整機和應用”的智能服務機器人全產業鏈，具備壯大發展產業的有利形勢。為了進一步壯大該產業，北京市已投入市科技經費支持北大、工道風行、中電華強、北航、信息科技大學、博創興盛、自動化院、中航625所等企業、高校和院所及用戶單位聯合開展醫療康復機器人、反恐機器人、搜救機器人等服務機器人，以及焊接機器人、水下焊接機器人等工業機器人的研制、應用和產業化。


　　同時，梳理北京智能機器人領域產業鏈上下游的優勢資源，深度挖掘行業需求，積極籌建產業鏈上下游協同的聯盟，搭建交流平臺，跟蹤國內外技術前沿，聯合技術攻關、開拓市場，形成行業發展合力。


　　“智能機器人是一種戰略高技術，可以形成戰略性新興產業，蓋茨曾經預言它會像計算機一樣走進每個家庭。”北京航空航天大學教授、“床椅一體化服務機器人”項目負責人陳殿生告訴記者，當前整個國家都尋求產業升級的大背景下，北京寄予該領域重點關注具有重要意義。


　　“北京具有技術優勢，同時還可以挖掘許多此前國家項目支持過的項目，讓它們產業化。因此，這是一個具有廣闊發展空間的領域。”他說。


　　高端數控裝備獲跨越式發展


　　2012年3月16日，北一數控機床公司成功研制出的“高速鐵路關鍵零件高效雙龍門專用加工中心”在中國北車集團實現應用。這是“精機工程”實施以來研制出的第一個國產重大裝備，突破了專用機床設計制造關鍵技術,形成了自主知識產權，產生了較好的經濟效益。


　　同年11月7日，北一機床又成功研制出數控重型龍門機床，填補了國內空白。這兩項技術的突破，既有助于北一機床實現大發展，也印證了“精機工程”實施路徑的合理性。


　　多年來，北京高端裝備制造領域堅持走“高端、高效、高輻射”的道路，積累了較雄厚的技術實力，形成了門類較齊全、技術較先進的整機和功能部件產品。“十一五”期間，年均銷售增速在20%以上，在全國名列前茅；年均利潤率13%，遠高于全國平均水平5%，居全國首位；產值數控化率超過70%，遠高于全國平均水平53.2%。


　　在此基礎上，以“精機工程”為契機，北京承擔了國家“高檔數控機床與基礎制造裝備”科技重大專項（簡稱04專項）近1/3的研發任務，承擔課題數量和經費額均居于全國首位。通過產學研用結合，完成了一批數控機床產業技術研究課題，積累了寶貴的研究成果和研發經驗，培養了高水平的研發隊伍，形成了一批研發服務平臺，為北京數控裝備產業技術跨越發展奠定了堅實的基礎。


　　在軌道交通領域，正如前文所述，支持北一數控機床公司采用國產關鍵功能部件，包括國產主軸單元、靜壓蝸桿（X方向進給系統）等關鍵功能部件，成功研制出“高速鐵路關鍵零件高效雙龍門專用加工中心”。經中科院院士徐性初領銜的專家組鑒定，成果達“國際先進、國內領先”水平。同時作為用戶技改的重要組成部分。積極引導和支持北一采用國產主軸單元、靜壓蝸桿等關鍵功能部件，并實現整機突破；同時，作為“精機工程”實施以來研制出的第一個國產重大裝備成功應用于高鐵領域，完成了從裝備到技術的交鑰匙工程，凸顯了工程實施效果，產生了較好的經濟效益和社會效益。


　　在航空航天領域，為滿足航空產業對高端專機的應用需求，北京市科委支持中航625所和北京機電院公司聯合北航等共同研制用于飛機典型零件加工的高檔數控裝備，其中高速五軸聯動加工中心等高檔專機已在成飛、沈飛等航空用戶實現示范應用。該成果打破了國外封鎖，實現了進口替代。


　　此外，北一機床承擔的“數控重型橋式龍門五軸聯動車銑復合機床”課題成功研制的3臺數控重型龍門機床被列為國家04專項十大標志性設備，填補了國內空白。目前，3臺機床已實現應用。


　　同時，“精機工程”實現了部分關鍵功能部件與數控系統的突破和應用：北京市科委支持北京凱恩帝公司開展高性能數控系統關鍵技術研究與應用，并成功通過國家質量檢測中心驗證，在北京機電院五軸葉片加工中心和葉輪加工中心上實現應用。可替代部分國外同類產品，降低了主機廠配套成本；以整機需求為牽引，深度挖掘功能部件的工作著力點，布局科技項目，開展精密光柵、滾珠絲杠副等關鍵部件，顆粒阻尼、智能監測與診斷系統等共性技術攻關、產業化和應用。


　　當前，科技對經濟社會發展的支撐引領作用日益凸顯，北京市科委將繼續推進“精機工程”的深入實施，把北京建設成為國際一流的高端數控裝備創新制造中心。


　　(來源:科技日報)