知识产权推动制造业创新

时间：2020-01-05

对于科研界而言，德国Fraunhofer（弗劳恩霍夫）应用研究促进机构的存在神秘却又触手可及，一边是Fraunhofer不显山露水的低调，另一边是其**技术渗透到我们生活的方方面面，甚至是MP3刚流行的时候，这个生活中的流行技术也是来自于Fraunhofer应用研究促进机构的。就拿3D打印行业来说，主流的粉末床选择性激光融化技术就来自于Fraunhofer应用研究促进机构，我们所熟知的几家主流金属3D打印设备用的无一不包含来自Fraunhofer的**授权。而不仅仅是金属，Fraunhofer在陶瓷、玻璃、塑料、硬质合金以及各行各业的应用领域也有着广泛且深入的研究。

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图片：Fraunhofer的发明**与转化情况（2011-2015），来源：Fraunhofer

平均每天就会有两个**，Fraunhofer应用研究促进机构是欧洲较大的应用科研机构，成立于1949年，以德国历史上着名的科学家、发明家和企业家Joseph von Fraunhofer命名。目前拥有69家研究所及其它独立研究机构和24,500多名优秀的科研人员和工程师，分布于德国各地。年度研究总经费达21亿欧元（年度研究经费**过140亿人民币）。其*约19亿欧元来自于科研合同。**过70％的研究经费来自于工业合同、由**资助的研究项目及国际合作项目。

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图片：Fraunhofer组织架构，来源：Fraunhofer

Fraunhofer的发展本身像一部推进科技改变生活的写实画卷，同时也见证了科技改变生活的神奇魅力。而Fraunhofer是如何感知科技发展需求的？在3D打印领域的发展成就与现状是怎样的？作为一个拥有2万多研究人员的庞大的**组织，Fraunhofer是如何做到管理激励以及有效沟通的？本期，3D科学谷特别与谷友分享《Insights.视角》人物采访系列之Fraunhofer篇，本期对话的嘉宾是Fraunhofer IPT非常规制造工艺和技术集成部主管Kristian Arntz博士，同时Arntz博士是Fraunhofer的分支机构ACAM-增材制造研发中心的总裁。

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图片：3D科学谷Kitty Wang(左), ACAM-增材制造研发中心总裁及Fraunhofer

Kristian Arntz博士毕业于亚琛工业大学（RWTH），是激光加工领域的**。自2003年以科学家的身份加入Fraunhofer以来期间经历过负责激光材料加工部，再到负责IPT非常规制造工艺和技术集成部并**ACAM增材制造研发中心的发展，至今Arntz博士在Fraunhofer已经工作了14个年头。

商业化的研发机构

开拓未来是Fraunhofer应用研究促进机构的一大使命，研究工作完全面向人们需求的领域：健康、安全、通讯、能源和环境。Arntz博士表示，Fraunhofer的研究人员很少有中间离开的，很多人终身为这个研究机构服务并且感到骄傲，人员的稳定对于Fraunhofer持续稳定的推出科研成果尤为重要。Fraunhofer致力于打造技术、设计产品、改进方法和技术，从而通过富有创造性的研究开辟新的前景。

关于Fraunhofer的商业模式，Arntz博士介绍说Fraunhofer专注于研发，大量的**技术由Fraunhofer开发出来，并授权给各行各业的企业和Fraunhofer孵化出来的企业，这种模式的优势是即使这些企业被其他的企业收购了，这些**技术的转让费用仍然需要新的公司来继承。这使得Fraunhofer不需要担心技术转化过程中企业的经营风险，在商业世界中强者获得较终的生存权利，而无论是哪家在商业上更成功，Fraunhofer只需要保证其**技术满足市场的需求并具有良好性就可以获取用来持续经营的利润。此外，Fraunhofer还提供研究生培训，并培养博士。在中国，Fraunhofer就与*大学以及其他多所院校形成了多年的合作关系。

为了保持对市场需求的敏感度，Fraunhofer联合了工业界的大型企业形成了一个庞大的科研界上下游产业链系统，这些工业界企业向Fraunhofer提出自己的研发需求，由Fraunhofer**来解决这些难题。当然，在这个过程中，Arntz博士提出，需要注意的一点是，企业必须接受这个解决方案他们不能*自享有。另外，在项目的团队组成中，企业不能因为有其竞争对手存在而拒绝竞争对手进入到项目中。这一点，让笔者联想到了美国增材制造创新中心的联合知识产权理念，America Makes的会员单位提交项目申请，获取资金支持，完成科研项目，所获得的知识产权成为CDIP联合知识产权，归America Makes所有并按照会员级别分享。为什么西方国家都存在这样的联合知识产权合作模式？这或许是值得思考的地方。

设备、软件、材料、工艺…全面开花的3D打印

Arntz博士介绍说，Fraunhofer在粉末床激光融化的加工工艺以及材料方面正在进行一系列的创新，目前不少经过粉末床激光融化技术加工出来的产品的致密度**铸造，有些情况下产品的金相结构优于铸造带来的结果。针对于多激光束加工技术，Fraunhofer目前还在探索在不使用振镜的情况下，将激光束集成到一列中，**速的轴向移动来实现粉末融化路径的激光扫描工作。

3D打印业界很多人对于Fraunhofer推出的入门级粉末床激光融化设备感到印象深刻。之前，Fraunhofer和亚琛应用技术大学的Goethelab联手推出一个新的入门级金属3D打印机，仅售3万欧元。Arntz博士介绍说之所以是入门级的设备，这款设备并不是用于生产领域的，不带振镜，速度不如工业级的粉末床激光融化设备快，这款设备用来满足教学、实验和一些普通的需求。Fraunhofer研究机构和亚琛大学提供一个全面的服务包，包括在3D打印过程中各个阶段的支持和培训。

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图片：Fraunhofer入门级金属3D打印机，来源：Fraunhofer

笔者看到，入门级的设备是Fraunhofer为普及金属3D打印的一个尝试，而

Fraunhofer的主要精力用在*技术的研发上。不仅仅Arntz博士所在的Fraunhofer IPT在研究金属3D打印技术，Fraunhofer ILT的研究人员还开发了用于涂层和修复金属部件的增材制造方法-EHLA**高速激光材料沉积技术。EHLA工艺在效率和速度方面均优于现有的抗腐蚀和耐磨损涂层保护方法。Fraunhofer可以在短时间内使用EHLA技术在大面积的零部件上沉积十分之一毫米的薄层，并且节约资源，加工过程具有经济性。

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图片：Fraunhofer的EHLA技术，来源：Fraunhofer

不仅如此，Fraunhofer还在软件领域有着自己专门的业务部门，针对当前缺乏足够的对3D打印产品的质量检测与测试手段，Fraunhofer IGD计算机图形学研究所开发了新的仿真模拟软件，将有助于预测和捕捉缺陷，并引导用户走向潜力的个性化大规模生产解决方案。核心是基于数学算法。通过基于物理的仿真模型推导加工过程，根据那些限定条件，Fraunhofer软件计算内部应力的分布和**值，可以判断零件的质量是否稳定。Fraunhofer仿真软件将使得生产的质量更加可预测可控制，减少设计师来来回回试错的成本，节约设计时间并减少制造浪费。

Arntz博士表示，Fraunhofer在3D打印领域从打印设备的研究到材料以及打印工艺的研究可以说是涉猎广泛，不仅仅在金属3D打印领域多有建树，Fraunhofer在塑料、陶瓷、硬质合金等领域进行着积极的研究。在塑料领域，当前的3D打印技术多集中在工程塑料的3D打印，而对于用于注塑工艺较常用的通用塑料，例如ABS来说却并没有较合适的解决方法，这较大的限制了塑料3D打印真正意义上与注塑竞争。此外，由于3D打印是一层一层来实现的，如果实现层与层之间的分子之间的融合程度与每层的分子之间的融合程度相同，这也是这一技术所面临的挑战。

Fraunhofer研发了一种可打印的材料是陶瓷或金属粉末悬浮液。陶瓷或金属粉末被混合在一种低熔点的热塑性粘合剂中，热塑性粘合剂在80摄氏度时就会融化成为液体。在打印过程中，打印机的电性温度熔化了粘合剂，并混合着陶瓷或金属粉末材料以液滴的形式被沉积下来。沉积后液滴*冷却变硬，三维对象就这样被点对点逐渐打印出来。这种工艺不仅可以打印骨科植入物、假牙、手术工具等医疗产品，还可以打印微反应器这样非常复杂、微小部件。

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图片：Fraunhofer打印的陶瓷制品，来源：Fraunhofer

Fraunhofer的研究人员已经成功地使用3DP粘合剂喷射三维打印技术生产硬质合金刀具，这些刀具具有良好的机械性能并能生产完全致密的部件，甚至可以选择性地调整弯曲强度、韧性和硬度。Fraunhofer认为这一工艺有着更广泛的拓展空间，包括将钨粉均匀的分布到硬质合金中，这样可以用来生产高性能的刀具。

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图片：打印的硬质合金，来源：Fraunhofer

科研的合作无国界

从Fraunhofer身上，笔者深深体会到欧洲早已经把科研发展成一个独立运营的商业化产业，这或许是中国实现产业转型，发展科研兴国可以借鉴的经验。欧洲在不断进化其从法律到商业环境对知识产权的保护体系，使得专业的人员可以安心从事科研工作，其他的事情由懂法律、懂财务的专业人员来对科研人员进行支持，Arntz博士介绍说Fraunhofer的法律部门非常的强大，不仅仅保护他们的**技术，还规范他们的研发行为。这样的一个良性体系一方面激发了欧洲工业的创新动力使得科研人员有激情和专注能力，另一方面促进了企业发展的轻装上阵，对于企业来说，未必需要支付昂贵的人才培养成本来自行开发所有的技术，而是依靠Fraunhofer这样的大平台获取加速前进的能量。

在3D打印领域解决企业实际应用需求的一个典型案例就是：Fraunhofer协助西门子将3D打印导向叶片推进到产业化领域。经Fraunhofer改进后的工艺链完成了带复杂冷却结构的叶片制造任务，并且提高了表面质量。西门子公司在导向叶片完成3D打印之后进行了精密测量、精加工以及高温焊接工作。在双方合作下制造的功能性叶片经过了大量的测试，设计工程师在测试中获得了大量数据用来获得设计迭代的分析依据。为了在3D打印时尽量减少支撑结构，Fraunhofer采用了模块化的叶片设计思路，将叶片的两个部分分别进行3D打印，完成之后再进行焊接。

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图片：Fraunhofer与西门子开发的完成焊接的导向叶片，来源：Fraunhofer

此外，Arntz博士认为很多人以为Fraunhofer工作为荣，虽然他并不能说清楚Fraunhofer到底有什么样的魅力吸引了这些人才，并在不同的科研单元之间形成了良好的沟通与合作氛围。当接到一个富有挑战性的项目的时候，Fraunhofer旗下69个不同的研究所和科研部门之间会因为这个项目形成一个临时的团队，相互本来陌生的科研人员可以无间的配合项目的进展。在笔者看来，这对于Fraunhofer是很自然的事情，对于其他的组织或者其他的国家文化可能却是难以实现的。

科研的合作无国界，Fraunhofer在欧洲、美国、亚洲和中东都有自己的研究中心和代表处。根据Arntz博士，Fraunhofer完全可以跟中国企业合作，因为他们本身并没有**背景。Arntz博士介绍说日本很多企业与Fraunhofer保持密切的沟通与合作关系。通过合作，他们感到不少日本的团队合作精神以及日本企业**人的战略能力令人敬佩。在这里，笔者也期待更多的3D打印领域的中国企业能真正意义上走出**，不局限于建立国外的办事处，或者是与当地的企业达成合作，而是在研发领域获得与当地研发机构和当地大学的合作。

就在我们进行采访的近日，亚琛应用技术大学与Fraunhofer ILT宣布联合建立亚琛3D打印中心，这项由亚琛应用科技大学和Fraunhofer合作的项目有着雄心勃勃的目标。 Concept Laser的新型XLine 2000R选择性激光熔化系统在大型零件研究项目中起着重要作用，该项目旨在加速和优化大型金属部件的整个制造过程。 科学家正在与数字光子生产研究中心紧密合作，这些研究设施位于同一栋建筑内，是由德国联邦教育和研究部（BMBF）资助建立的。

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图片：亚琛应用科技大学研究与创新系主任Doris Samm教授; 亚琛应用科技大学机械工程与机电学系

专注、开放、团队合作，Fraunhofer在开拓未来的使命感带领下，已经形成了*特的Fraunhofer现象，这种现象让我们明白了为什么金属3D打印的粉末床融化技术会诞生于Fraunhofer，让我们理解了为什么Fraunhofer如此庞大的机构却可以保持新鲜的活力，将昨日的成就放在一边，在坚实的基础上自我鞭策，不断的“更上一层楼”。

更重要的，让我们体会到了，强大的欧洲制造背后有着像Fraunhofer这样完整运营的商业化研发系统不断的为创新注入活力。中国在制造业转型升级的道路上不仅仅可以借鉴欧洲工业企业的经营之路，还可以思考如何通过让知识产权像商品一样通过交易使得科研人员获得经济上的独立自主，并形成完善的研发外包的商业模式。这样完善的知识产权保护的法律体系和实现独立商业化运作的能力或许是成为实现*民族*的重要基石。

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