3D打印批量制造的可行性及模式思考

柳　建，孟凡軍，殷鳳良，韓玉方

（1.裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國防科技重點實驗室，北京100072；2.裝甲兵工程學(xué)院教練團，北京100072）

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3D打印批量制造的可行性及模式思考

柳建1，孟凡軍1，殷鳳良1，韓玉方2

（1.裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國防科技重點實驗室，北京100072；2.裝甲兵工程學(xué)院教練團，北京100072）

摘要：3D打印的節(jié)材、節(jié)能技術(shù)特點高度契合我國的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，但3D打印也被貼上了個性化制造的標(biāo)簽。從技術(shù)背景、市場需求等方面闡述了實現(xiàn)3D打印批量制造、規(guī)?；a(chǎn)的必要性；同時，從技術(shù)、效率和經(jīng)濟角度分析了實現(xiàn)3D打印批量制造、規(guī)?；a(chǎn)的可行性。構(gòu)建了3 種3D打印批量制造模式，并對其特點進行了分析和介紹。

關(guān)鍵詞：3D打??；批量制造；可行性；模式

3D打印是增材制造技術(shù)的通俗叫法，是一種基于微積分原理的先進制造技術(shù)。相比于傳統(tǒng)制造方法，3D打印無需制造刀具、夾具和模具，可直接進行產(chǎn)品加工，具有制造周期短、成形不受零件復(fù)雜程度限制以及節(jié)材、節(jié)能等優(yōu)勢，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、生物醫(yī)療、考古等行業(yè)［1-4］。然而，由于3D打印技術(shù)還存在材料價格高、打印效率低、打印產(chǎn)品質(zhì)量還不夠高等問題，還被冠以生產(chǎn)成本與件數(shù)無關(guān)的工藝特點，所以被貼上了個性化生產(chǎn)的標(biāo)簽。

多數(shù)研究者都認為3D打印在個性化制造及高端零部件制造方面具有優(yōu)勢，但在批量、精密度要求不是很高的產(chǎn)品制造領(lǐng)域不具備傳統(tǒng)模具制造的優(yōu)勢。為此，本文對3D打印技術(shù)未來實現(xiàn)批量制造和規(guī)?；a(chǎn)的必要性、可行性進行了分析思考，并提出了幾種可能的3D打印批量制造模式。

1　實現(xiàn)3D打印批量制造的必要性

（1）從技術(shù)產(chǎn)生的背景來講，有必要實現(xiàn)3D打印的批量制造和規(guī)?；a(chǎn)。3D打印技術(shù)是在全球面臨資源、能源過度消耗而被迫進行綠色、可持續(xù)發(fā)展的大背景下應(yīng)運而生的，相比于傳統(tǒng)制造方法，3D打印可實現(xiàn)制造過程中材料、能源由被動消耗轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃犹峁?，且能方便地對其加以控制和調(diào)整，從而實現(xiàn)資源、能源的節(jié)約。對于制造業(yè)來講，實現(xiàn)3D打印的批量制造和規(guī)?；a(chǎn)，即可使其節(jié)能節(jié)材效力最大化，實現(xiàn)綠色制造目標(biāo)。如果3D打印僅偏聚于一隅，被冠以個性化制造標(biāo)簽的話，其所能發(fā)揮的節(jié)能節(jié)材功效將十分有限，即3D打印的技術(shù)背景意義不大。因此，要想實現(xiàn)節(jié)能節(jié)材的綠色制造目標(biāo)，有必要實現(xiàn)3D打印的批量制造和規(guī)模化生產(chǎn)。

（2）從市場需求角度來講，有必要實現(xiàn)3D打印的批量制造和規(guī)?；a(chǎn)。社會需求是科技創(chuàng)新的直接驅(qū)動力，隨著制造業(yè)的競爭日趨激烈，產(chǎn)品的開發(fā)速度已成為制造商決勝的關(guān)鍵；同時，制造業(yè)需滿足日益變化的用戶需求。傳統(tǒng)的工模具制造過程復(fù)雜、耗時長、費用高，已滿足不了市場需求。研究表明，在新產(chǎn)品開發(fā)中，3D打印只需傳統(tǒng)加工方法10%～30%的工時和20%～35%的成本，就能直接制造產(chǎn)品樣品或模型［5］。因此，在產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)上，傳統(tǒng)模具制造方法和3D打印沒有可比性。實現(xiàn)產(chǎn)品3D打印的批量制造和規(guī)?；a(chǎn)，將會更進一步地節(jié)約工時和成本，更好地適應(yīng)未來市場的快節(jié)奏。

此外，由于當(dāng)前產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度較快，如果采用傳統(tǒng)制造模式進行批量生產(chǎn)，就需不斷地開發(fā)新模具，即意味著一次性模具的泛濫，勢必造成資源、能源的浪費問題，這同樣有悖于節(jié)能節(jié)材、綠色制造的時代發(fā)展背景。因此，從市場需求角度來講，有必要實現(xiàn)3D打印的批量制造和規(guī)?；a(chǎn)。

（3）科學(xué)技術(shù)的發(fā)展促進了社會進步；反過來，又能對科學(xué)技術(shù)進一步產(chǎn)生新的需求，從而促進科學(xué)技術(shù)的進一步發(fā)展。3D打印技術(shù)是制造領(lǐng)域的一次科技創(chuàng)新，實現(xiàn)其批量制造和規(guī)模化生產(chǎn)將會促進社會進步加速發(fā)展；反過來，自然也會對3D打印技術(shù)進一步產(chǎn)生新的需求，從而更能促進3D打印技術(shù)的成熟與發(fā)展。因此，從加速推進3D打印技術(shù)自身的發(fā)展角度來講，有必要實現(xiàn)3D打印的批量制造和規(guī)?；a(chǎn)。

（4）貫穿于產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)的不斷發(fā)展與完善為3D打印技術(shù)的推廣應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。目前，3D打印應(yīng)用材料領(lǐng)域不斷拓寬，已從最初的塑料發(fā)展至金屬、陶瓷材料等；其制造精度相比最初也有大幅提升，現(xiàn)階段主流3D打印工藝的制造精度已能滿足大多數(shù)制造工業(yè)的精度要求。此外，3D打印在功能技術(shù)性方面（如多種材料打印及其他衍生工藝）也正在不斷地發(fā)展完善，這些因素都將促進3D打印實現(xiàn)批量制造和大規(guī)模應(yīng)用。

2　3D打印批量制造面臨的瓶頸

（1）打印速度不夠高

雖然3D打印最初起源于快速成形技術(shù)，但目前其制造速度還普遍不高，尤其是較大型的簡單結(jié)構(gòu)件制造速度緩慢，難以滿足規(guī)?；a(chǎn)的要求。

（2）3D打印耗材（材料）種類有限

3D打印制造過程是一個“點-線-面-體”的發(fā)展過程。由于這種積分制造特性，使3D打印對材料的粘度、固化收縮率及固化后的機械性能等綜合物性要求比傳統(tǒng)制造加工更苛刻，造成目前3D打印耗材（材料）的種類有限。實際上，這也是導(dǎo)致3D打印材料價格及制造成本較高的原因。目前，相對較成熟的打印材料主要是塑料、樹脂類材料，金屬材料方面主要集中在鈦合金、不銹鋼材料等高端制造用料。據(jù)統(tǒng)計，目前已研究出可使用在3D打印機上的材料約有14種，即便在此基礎(chǔ)上進行混搭，大約也就一百多種，遠遠少于傳統(tǒng)制造加工材料的種類。顯然，3D打印要想獲得更廣泛的應(yīng)用，實現(xiàn)其規(guī)?；a(chǎn)，緊靠這些材料是遠遠不夠的。

（3）制造成本高

3D打印制造成本高主要是受打印材料和設(shè)備價格等因素的制約。如上所述，3D打印對材料綜合物性要求較苛刻，一般都是經(jīng)過特殊處理的，且不同的3D打印技術(shù)對成形材料的要求也不同，所以3D打印耗材價格較高。例如：某公司開發(fā)的ABS樹脂材料，最便宜的約300美元/千克［6］；用于打印的金屬材料（如鈦合金）價格甚至高達7000元/千克，而普通鈦合金材料價格僅需每千克幾百元。此外，3D打印設(shè)備尤其是工業(yè)級打印設(shè)備一般體積較大，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，售價往往動輒幾十萬元，這些因素直接導(dǎo)致了3D打印制造成本的居高不下。

3　3D打印批量制造的可行性及模式

3.13D打印批量制造的可行性

從技術(shù)及制造效率的角度來講，3D打印具備實現(xiàn)批量化制造的條件。根據(jù)其技術(shù)特點，3D打印直接制造單個工件的時間不變，因此，假設(shè)需批量制造N件產(chǎn)品，其批量制造時間為：

式中：N為批量制造件數(shù)，為一定值；Ts為單件打印時間，Th為單個打印件的后處理時間，且根據(jù)3D打印制造特點，產(chǎn)品一旦設(shè)計完成，Ts和Th即可視為定值。因此，3D打印批量制造時間主要取決于投入的打印制造配套設(shè)備數(shù)量n。當(dāng)n=1時，批量制造時間有最大值，為單件打印制造時間與批量件數(shù)的乘積；當(dāng)n取最大值，即打印制造配套設(shè)備數(shù)量與批量件數(shù)相等時，批量制造時間有最小值，即等于單件打印制造時間。

式（1）實際上說明，采用最基本、同時也是最有效的方法，即多臺設(shè)備同時打印就能實現(xiàn)3D打印的批量制造和規(guī)?；a(chǎn)。同時，由式（1）也可看出，3D打印批量制造效率的最終決定因素為單件制造速度。拋開模具設(shè)計制造周期因素，相比于鑄造等傳統(tǒng)制造技術(shù)，3D打印目前的制造速度確實較低，尤其是在制造結(jié)構(gòu)相對簡單的大型零件方面。不過，隨著激光、數(shù)控、信息等3D打印各方面相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，3D打印在制造速度和精度方面已得到了大幅提升。以主流的激光類3D打印技術(shù)為例，激光燒結(jié)加工速度已由最初的約6 ccm/h發(fā)展到現(xiàn)在的平均11～12 ccm/h［7］；未來，隨著大功率激光技術(shù)的不斷發(fā)展，加工速度還將進一步加快；選擇性激光熔化的制造精度目前也已達到0.02 mm。制造速度的不斷提升即表明制造時間Ts不斷縮短，而制造精度的不斷提高則預(yù)示著后處理時間Th的不斷下降。實際上，0.02 mm的制造精度已能滿足一般工業(yè)結(jié)構(gòu)件的精度要求，即Th=0。此外，制造速度和精度的提升也將帶來單位部件制造成本的降低。由此，隨著3D打印制造速度和精度的不斷提高，從技術(shù)及制造效率角度來講，未來3D打印具備實現(xiàn)批量制造和規(guī)?；a(chǎn)的條件。

從經(jīng)濟角度來講，未來3D打印成本有較大的下降空間，具備批量制造和規(guī)?；a(chǎn)的可行性。在3D打印成本構(gòu)成中，設(shè)備和材料占主要地位。目前，由于3D打印技術(shù)本身及產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的發(fā)展還不夠成熟、完善，市場規(guī)模還較小，仍被冠以個性化制造的標(biāo)簽，因此，昂貴的3D打印設(shè)備及材料價格是抬高3D打印直接制造成本和制約其實現(xiàn)批量制造的主要因素。然而，據(jù)相關(guān)資料顯示，一些3D打印巨頭公司的材料毛利近年來基本保持在50%以上，用于3D打印的金屬材料生產(chǎn)廠商的利潤空間也非常大［7］。就利潤空間而言，3D打印材料還有較大的下降空間。在打印設(shè)備方面，雖然工業(yè)級3D打印機目前仍然價格不菲，但相比最初已有了大幅降低。桌面級3D打印機的價格更是直線走低，單價從最初的幾萬美元到如今的幾百美元，這主要是拜“開源”所賜。

“開源”使每個人都能成為制造商，高手在民間，“開源”可集全民智慧，最快速度地促進3D打印技術(shù)的發(fā)展與成熟。未來，隨著3D打印技術(shù)不斷發(fā)展成熟及其市場規(guī)模不斷擴大，3D打印材料和設(shè)備也能走薄利廣銷的商業(yè)模式，這將直接帶動3D打印制造成本的下降，促進3D打印批量制造和規(guī)?；a(chǎn)的實現(xiàn)。

3.23D打印批量制造模式

基于3D打印批量制造的多臺同時打印思想，本文提出3種3D打印批量制造模式。

（1）車間式批量制造模式

該模式的原理見圖1。多臺3D打印機和相應(yīng)的配套后處理設(shè)備組成3D打印批量制造車間，數(shù)字化集控中心負責(zé)3D打印制造前期數(shù)據(jù)處理和制造控制工作，包括制造模型設(shè)計（或模型掃描反求）、模型分層切片、最佳打印工藝路徑規(guī)劃及后處理加工時的加工余量計算、加工工藝設(shè)計等工作。3D打印制造過程中，打印設(shè)備在數(shù)字化集控中心的控制下，既可同時執(zhí)行同一項打印任務(wù)，也可同時執(zhí)行不同的打印任務(wù)。當(dāng)有3D打印批量制造服務(wù)需求時，3D打印制造服務(wù)公司首先依據(jù)需求方所提要求，通過數(shù)字化集控中心進行數(shù)字化模型設(shè)計，并進行原型制造驗證或根據(jù)實物進行數(shù)字化模型反求，以及模型分層切片及打印制造工藝路徑規(guī)劃；同時，公司將根據(jù)批量制造數(shù)量和交貨期限，并考慮公司近期業(yè)務(wù)量，合理安排投入打印的設(shè)備數(shù)量；最后，由數(shù)字化集控中心控制相應(yīng)數(shù)量的3D打印機完成打印制造任務(wù)。

圖1　車間式3D打印批量制造模式原理圖

（2）“中心負責(zé)，終端制造”批量制造模式

該模式的原理見圖2。3D打印批量制造任務(wù)由一家3D打印數(shù)字化服務(wù)公司（中心）和數(shù)量眾多的3D打印“終端”合作完成。每個“終端”擁有數(shù)量不等的打印設(shè)備，在批量制造過程中只負責(zé)具體的打印制造任務(wù)。服務(wù)中心負責(zé)根據(jù)需求方所提要求進行數(shù)字化模型設(shè)計，并進行原型制造驗證或直接根據(jù)實物進行數(shù)字化模型反求、建模，以及模型分層切片及打印制造工藝路徑規(guī)劃等技術(shù)服務(wù)；同時，綜合考慮批量制造數(shù)量、交貨期限、材料成本、制造利潤等因素，負責(zé)與需求方簽訂協(xié)議；最后，統(tǒng)計協(xié)調(diào)“終端”的打印制造數(shù)量意愿，并向其發(fā)送數(shù)字化打印制造工藝信息。各“終端”根據(jù)獲得的工藝信息完成相應(yīng)數(shù)量的打印制造任務(wù)，從而獲得相應(yīng)的制造利潤。

（3）“手拉手”聯(lián)盟型批量制造模式

該模式的原理見圖3。各3D打印制造服務(wù)公司手拉手組成3D打印制造服務(wù)聯(lián)盟，聯(lián)盟中的任何一家公司接到批量制造需求任務(wù)，獨自或在聯(lián)盟成員的協(xié)助下完成原型驗證、利潤計算及打印工藝規(guī)劃等工作，并考慮自己的制造能力后，向聯(lián)盟其他成員發(fā)布協(xié)助制造相關(guān)信息。聯(lián)盟其他成員則根據(jù)自己的打印能力承擔(dān)相應(yīng)量的打印制造任務(wù)，進而實現(xiàn)共同完成3D打印批量制造任務(wù)的目標(biāo)。

圖2　“中心負責(zé)，終端制造”3D打印批量制造模式原理圖

圖3　“手拉手”聯(lián)盟型3D打印批量制造模式原理圖

3.33D打印批量制造模式的特點

上述3種批量制造模式的實現(xiàn)方法雖然不同，但其實現(xiàn)思想都是多臺同時打印。第一種模式具有高效、利潤獨享等特性，但投入較大、實現(xiàn)門檻高，僅適合于實力雄厚的公司。第三種模式適合于有一定的設(shè)計服務(wù)和打印制造能力的中小型3D打印服務(wù)公司，通過聯(lián)盟形式可彌補自己能力的不足，實現(xiàn)互助互利。未來，隨著互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，聯(lián)盟成員可不局限于某一地區(qū)，該模式具備提供全國性甚至是全球性的3D打印批量制造服務(wù)的可能。第二種模式的最大特點是3D打印數(shù)字化服務(wù)公司不具體承擔(dān)打印制造任務(wù)，僅需提供優(yōu)質(zhì)的3D打印技術(shù)支撐和服務(wù)，而打印制造具體承制者無需掌握各種復(fù)雜的制造工藝和加工技能，只需擁有精度滿足要求的打印設(shè)備，然后根據(jù)3D打印數(shù)字化服務(wù)公司提供的打印數(shù)據(jù)進行批量制造，這樣就大幅降低了制造業(yè)的技術(shù)門檻。為此，未來任何一個家庭或個人，只要愿意都可從事3D打印制造服務(wù)，甚至可把3D打印制造服務(wù)作為一個副業(yè)，在業(yè)余時間接受打印制造任務(wù)，獲取額外的收入。因此，3D打印“終端”可聚居在世界任何一個角落，而3D打印數(shù)字化服務(wù)公司也可坐落于任何一個城鎮(zhèn)，提供全球化3D打印批量制造服務(wù)。該模式未來有望解決我國日益提升的勞動力成本問題，穩(wěn)定“中國制造”的地位。

4　結(jié)束語

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展是一種永不停息的過程，并有不斷地在生產(chǎn)化和商業(yè)化之中尋找出路的內(nèi)在特性。隨著3D打印技術(shù)及其商業(yè)化進程的不斷發(fā)展，3D打印的批量制造和規(guī)?；a(chǎn)或在不遠的將來成為現(xiàn)實。3D打印相關(guān)技術(shù)對包括中國在內(nèi)的新興國家來說是一次機遇，大力發(fā)展3D打印技術(shù)并實現(xiàn)其大規(guī)模應(yīng)用，有助于改變我國處于制造業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈低端的態(tài)勢，助推實現(xiàn)“中國制造”向“中國智造”的轉(zhuǎn)型，并最終實現(xiàn)我國由制造業(yè)大國向制造業(yè)強國轉(zhuǎn)變的戰(zhàn)略目標(biāo)。此外，3D打印技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用也將為我國“綠色制造”、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)的實現(xiàn)發(fā)揮建設(shè)性的作用。

參考文獻：

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［7］吳懷宇. 3D打印-三維智能數(shù)字化創(chuàng)造［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2014.

Feasibility and Model Ponderation for Volume Production of 3D Printing

Liu Jian1，Meng Fanjun1，Yin Fengliang1，Han Yufang2
（1. National Key Laboratory for Remanufacturing，Academy of Armored Forces Engineering，Beijing 100072，China；2. Drill Master Regiment，Academy of Armored Forces Engineering，Beijing 100072，China）

Abstract：3D printing technology agrees with the sustainable development strategy of the government very well，owing to its advantages such as material saving and energy saving. But it is always deemed to conform the individuation manufacturing in nowadays. The necessity to complete volume production of 3D printing was expounded in aspect of the technology background，market demand and so on. The feasibility was analyzed according to the technology，efficient and economy at the same time. Three kind model of volume production was presented，and the characteristic of each volume production model was analyzed and introduced.

Key words：3D printing；volume production；feasibility；model

中圖分類號：TG669

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009－279X（2016）02－0050-04

收稿日期：2015-09-30

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（51405510，51205408）

第一作者簡介：柳建，男，1982年生，工程師。