基于3D打印技術(shù)的模塊化柔性生產(chǎn)

王曉光

摘要：當(dāng)今市場波動較頻繁，柔性生產(chǎn)對于企業(yè)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。文章分析了3D打印的特點、優(yōu)勢及相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域，以及3D打印是如何與模塊化進行結(jié)合，接著闡述了模塊化生產(chǎn)的特點以及它對于傳統(tǒng)生產(chǎn)模式的優(yōu)勢，最后對模塊化生產(chǎn)可行性進行了相關(guān)分析。

關(guān)鍵詞：3D打印；柔性生產(chǎn)；模塊化生產(chǎn)；傳統(tǒng)生產(chǎn)模式

一、引言

以多品種、小批量的模塊化生產(chǎn)是相對于傳統(tǒng)生產(chǎn)的另外一種模式。隨著經(jīng)濟技術(shù)的快速發(fā)展，企業(yè)的競爭形式也在發(fā)生變化，它不僅僅是表現(xiàn)為價格、數(shù)量、質(zhì)量的競爭，更重要的是傳統(tǒng)生產(chǎn)方式弊端逐漸顯現(xiàn)，主要表現(xiàn)在：成本增加、過量庫存、適應(yīng)市場的靈敏度降低。21世紀(jì)，市場需求的多品種、小批量生產(chǎn)給企業(yè)造成了很大的壓力，而在模塊化生產(chǎn)方式的基本標(biāo)準(zhǔn)下，可以生產(chǎn)出不同種類的產(chǎn)品，更能適應(yīng)市場的需求，滿足消費者的個性化需求，并且能夠提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，成本會大大降低。

本文結(jié)合傳統(tǒng)生產(chǎn)方式及國內(nèi)外現(xiàn)狀，對模塊化柔性生產(chǎn)進行研究，以及在這一生產(chǎn)過程中3D打印是如何發(fā)揮其獨特的優(yōu)勢，期望這一模式能得到實際的應(yīng)用。

二、3D打印技術(shù)的模塊化柔性生產(chǎn)

（一）3D打印技術(shù)的特點

3D打印技術(shù)被稱為快速成型技術(shù)，集成了計算機輔助設(shè)計（CAD）、計算機數(shù)字控制（CNC）、精密機械、激光、新材料技術(shù)等于一體，快速將三維模型制成實物原型，是“增材制造”的主要形式。

3D打印技術(shù)主要包括立體光固化成型技術(shù)（SLA）、熔融沉積成型技術(shù)（FDM）和選擇性激光燒結(jié)（SLS）等。光固化成型具有成型過程自動化程度高的特點，制作原型表面質(zhì)量好、尺寸精度高以及能夠?qū)崿F(xiàn)比較精細的尺寸成型等特點，可用于航空、電器等行業(yè)的單件小批量精密鑄造。熔融成型對材料的利用高，而且工藝簡單，材料的成本也較低，可用于中等復(fù)雜零部件的生產(chǎn)制造。選擇性激光燒結(jié)使材料固化得更加結(jié)實，所以可用于精密的結(jié)構(gòu)性功能零部件的生產(chǎn)制造。這些技術(shù)的組合使3D打印技術(shù)得到迅速發(fā)展。

3D打印技術(shù)是采用材料疊加的方法來制造零件，即便是沒有模具也可以制造出形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的一些零件，比如說汽輪機葉輪、醫(yī)用骨骼等。3D打印技術(shù)是對數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)、系統(tǒng)仿真模擬技術(shù)、材料技術(shù)、計算機圖形技術(shù)以及機電加工與控制技術(shù)等的綜合運用，技術(shù)含量高，可控性強，可以通過仿真技術(shù)對零件、產(chǎn)品進行模擬，提高產(chǎn)出實物的精度。

用3D打印技術(shù)制造產(chǎn)品可以不用模具而直接制造成型，而且對于大型的模型，該技術(shù)也可以大量的縮短制造周期，從三維圖形到實體數(shù)據(jù)采集制造實體，一般只需要幾個到幾十個小時，這在傳統(tǒng)制造的方法里面是很難達到的。

3D打印技術(shù)運用在互聯(lián)網(wǎng)時代可以實現(xiàn)遠程操控，用戶只需要在電腦設(shè)計出產(chǎn)品形狀就可以傳送到技術(shù)中心將實物制造出來，能夠提高資源的利用率是加工廢物減少，也能產(chǎn)生環(huán)保效應(yīng)。

（二）模塊化的柔性制造模式

模塊化柔性制造系統(tǒng)中有加工基本模塊（PMP）、模塊化驅(qū)動單元（MAE）、模塊化刀具和夾具（MTJ）和可重構(gòu)的控制系統(tǒng)（CCS）等基礎(chǔ)模塊。加工基本模塊主要用于加工和改變材料的狀態(tài)，如擠壓、鉆孔、銑削等。模塊驅(qū)動單元主要用于完成模塊組合的任何啟動運動。模塊化刀具和夾具與加工基本模塊相互配套使用?？芍貥?gòu)控制系統(tǒng)是利用計算機、數(shù)控等對加工生產(chǎn)系統(tǒng)能夠進行全方位的控制。

將模塊化生產(chǎn)合理利用可以使生產(chǎn)方式具有柔性的原因在于，模塊化的生產(chǎn)方式是以信息技術(shù)為基礎(chǔ)，以模塊化為一種主導(dǎo)模式，運用成熟的管理方法，以能夠滿足顧客的個性化需求為目標(biāo)的一種生產(chǎn)方式。由于模塊具有獨立性、抽象性、互換性和靈活性等特點，是不同的模塊之間在提高其標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和規(guī)格化程度的基礎(chǔ)上能夠使不同的模塊進行有效的組合。

模塊化生產(chǎn)的前提是進行模塊化設(shè)計。產(chǎn)品的模塊化設(shè)計將復(fù)雜的產(chǎn)品應(yīng)用模塊化的相關(guān)技術(shù)使其被分解成一個個的功能模塊，然后根據(jù)模塊間的相似性進行制造結(jié)構(gòu)方面的組合，根據(jù)不同的選擇組合，來實現(xiàn)產(chǎn)品的多樣化設(shè)計，進而也控制了生產(chǎn)的成本。

模塊化生產(chǎn)能夠充分運用互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的優(yōu)勢，信息流通渠道的快速可靠。通過構(gòu)造一個互聯(lián)網(wǎng)平臺，使消費者與企業(yè)之間進行良好的溝通和信息共享，從而打破時間和空間上的限制，能使供應(yīng)鏈的生產(chǎn)快速適應(yīng)客戶的個性化需求。

模塊化生產(chǎn)在不斷的組合中可以開辟新的發(fā)展途徑，大規(guī)模定制的組合。傳統(tǒng)的柔性制造模式都是通過設(shè)備的高自動化來達到規(guī)模經(jīng)濟，但是由于零件、產(chǎn)品等各方面存在差異，各方面設(shè)備的投入成本較為昂貴，分攤到單個產(chǎn)品中將增加成本。模塊化生產(chǎn)將打破這種單個企業(yè)的限制，在更大范圍內(nèi)是實現(xiàn)一種資源的整合，不同的模塊制造商可以整合在一起，各取所需，從而使成本大規(guī)模的得到控制。

（三）3D打印技術(shù)與模塊化柔性生產(chǎn)的結(jié)合

在傳統(tǒng)的制造領(lǐng)域，開模是一件耗時長、難度大和成本高的事情，而3D打印技術(shù)的優(yōu)勢恰好體現(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計和模型、模塊設(shè)計方面，只要通過數(shù)據(jù)模型的建立和材料的融合，就能進行相應(yīng)的生產(chǎn)。傳統(tǒng)的模塊化柔性生產(chǎn)對復(fù)雜的生產(chǎn)制造需要投入高成本，并且周期太長，結(jié)合3D打印技術(shù)的快速成型可以實現(xiàn)快捷、方便、縮短周期和降低成本等目的。

模塊化柔性生產(chǎn)模式通常分為三個層次，首先是系列模塊化的設(shè)計過程，這個過程需要根據(jù)市場調(diào)研的結(jié)果來完成，這實際上是對產(chǎn)品的一個前期需求了解過程。其次是對單個產(chǎn)品的模塊化設(shè)計過程，這個過程就需要根據(jù)客戶的具體要求對特定模塊進行設(shè)計與校驗修正。最后一個層次實際上是對模塊的一個選擇和組合的過程。在這些層次中結(jié)合3D打印技術(shù)，將快速高效的生產(chǎn)出滿足客戶需求并且適應(yīng)特定市場的實物。endprint

模塊化設(shè)計首先要進行產(chǎn)品的市場調(diào)查，必須注意市場對同類產(chǎn)品及特定產(chǎn)品的需求量，分析客戶需求來進行相應(yīng)模塊設(shè)計的可行性分析。對搜集的市場數(shù)據(jù)及產(chǎn)品數(shù)據(jù)在計算機系統(tǒng)中進行整合分類，制作出相應(yīng)的3D打印所需要的基礎(chǔ)三維視圖，并結(jié)合傳統(tǒng)生產(chǎn)進行功能分類的模塊的打印與制造。

3D打印與模塊生產(chǎn)的結(jié)合需要合理確定所覆蓋的產(chǎn)品種類和規(guī)格，根據(jù)產(chǎn)品所需零部件的精密、尺寸、復(fù)雜和材料等要求進行分類，分別選擇立體光固化成型技術(shù)（SLA）、熔融沉積成型技術(shù)（FDM）和選擇性激光燒結(jié)（SLS）等進行零部件的生產(chǎn)打印。

在3D打印和模塊設(shè)計過程中要以用戶需求為出發(fā)點，明確各模塊間的相互作用與交互關(guān)系，建立相應(yīng)的模塊總布局，形成多個系列的主題模塊，根據(jù)相應(yīng)的需求進行模塊之間的選擇與組合，在進行相關(guān)的計算機數(shù)據(jù)模擬之后就可以進行產(chǎn)品的正式打印生產(chǎn)。

3D打印技術(shù)與模塊化柔性生產(chǎn)的結(jié)合將是對傳統(tǒng)制造業(yè)的一種有益補充。傳統(tǒng)制造業(yè)經(jīng)過多年的發(fā)展，其生產(chǎn)工藝較為成熟，將3D打印技術(shù)與其進行結(jié)合將形成一種互補發(fā)展，相互帶動發(fā)展將成為制造業(yè)創(chuàng)新的發(fā)展新趨勢。

三、生產(chǎn)模式及可行性分析

（一） 顧客需求獲取、分析及管理

在大規(guī)模定制的情況下，模塊化的產(chǎn)品設(shè)計的基本過程要經(jīng)歷市場信息獲取，產(chǎn)品功能定義，產(chǎn)品模塊劃分與設(shè)計，模塊管理等階段。尤其是現(xiàn)在產(chǎn)品服務(wù)化趨勢越來越明顯，產(chǎn)品在生產(chǎn)設(shè)計過程中，需要越來越多的考慮顧客的因素。在此情況下，產(chǎn)品設(shè)計的目的是為了滿足顧客以及特定市場的特殊需求。因此，首先需要對客戶產(chǎn)品需求信息進行獲取與分析。

1. 顧客需求獲取

隨著市場競爭程度越來越激烈，客戶需求變化越來越快，以及需求種類越來越多，如何有效的把握客戶需求成為制造業(yè)產(chǎn)品設(shè)計制造的一個關(guān)鍵因素想要準(zhǔn)確的獲取對企業(yè)需求的信息，就需要有效的信息獲取和分析的方法?，F(xiàn)在是互聯(lián)網(wǎng)時代，網(wǎng)上調(diào)查，客戶關(guān)系管理，電子商務(wù)以及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)都是獲取需求信息的有效手段。通過這些方法，獲取顧客的工作環(huán)境，工作空間等以及顧客對產(chǎn)品的功能，適用性，外觀，產(chǎn)品心理價位等信息。

2. 需求分析與管理

在對客戶的需求獲取之后，要對其進行分析，企業(yè)需要建立一個信息管理系統(tǒng)，進行客戶管理，需求管理，需求預(yù)測，訂單管理等，客戶管理確定客戶的種類，通過各類客戶工作的環(huán)境，性格，收入，地區(qū)等信息分析其所需產(chǎn)品的大致需求。需求管理將客戶的具體需求進行整理，分類，分成基本需求，次要需求和潛在需求并分析各類需求之間的關(guān)系，需求預(yù)測通過客戶的信息以及需求的信息對今后可能會出現(xiàn)的趨勢進行預(yù)測。訂單管理對訂單的數(shù)量，所需產(chǎn)品的種類進行管理，方便企業(yè)安排生產(chǎn)計劃。

（二）產(chǎn)品及模式設(shè)計

1. 產(chǎn)品設(shè)計

產(chǎn)品設(shè)計主要步驟有產(chǎn)品功能分析，功能模塊設(shè)計，結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計，服務(wù)設(shè)計等。

產(chǎn)品功能分析需要客戶的功能需求信息，從需求中分析顧客對產(chǎn)品的要求，可以利用功能結(jié)構(gòu)樹，將功能分級，分為物質(zhì)功能與精神功能，再往下分為技術(shù)功能，實用功能，環(huán)境功能，象征功能，審美功能，教育功能等，上一層的功能需要下層子功能相互協(xié)調(diào)完成。在此過程中可以使用QFD設(shè)計方法來進行設(shè)計。

構(gòu)建完成產(chǎn)品功能體系之后，通過客戶需求到產(chǎn)品功能需求的映射，將上述各個子功能分為基本功能模塊，次要功能模塊以及個性功能模塊。3D打印技術(shù)主要應(yīng)用于個性模塊的生產(chǎn)制造當(dāng)中。

依據(jù)功能結(jié)構(gòu)樹，進行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與功能模塊一一對應(yīng)，利用CAD，CAM技術(shù)對產(chǎn)品進行建模，得出各個零部件的公差、尺寸、精度等信息，分析各零部件是否可以使用3D打印進行制造。

現(xiàn)今產(chǎn)品服務(wù)化趨勢明顯，在進行產(chǎn)品設(shè)計時也要對產(chǎn)品的服務(wù)方面進行設(shè)計，定制生產(chǎn)成為主流生產(chǎn)方式，使得產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化零件不能做到通用，對產(chǎn)品的售后服務(wù)方面有巨大的考驗，通過對客戶信息以及產(chǎn)品的管理，在各地區(qū)設(shè)置3D打印服務(wù)網(wǎng)點，顧客可以根據(jù)自己的需求，在產(chǎn)品平臺上自己設(shè)計并利用3D打印技術(shù)，對個性化零件進行生產(chǎn)，為客戶提供維修，零部件更換等服務(wù)。一方面可以提高生產(chǎn)系統(tǒng)柔性，另一方面也可以提高顧客滿意度。

2. 工藝設(shè)計

工藝設(shè)計主要有工藝分析，工藝方案等步驟。

通過工藝分析一方面可以審查零件的結(jié)構(gòu)形狀及尺寸精度、相互位置精度、表面粗糙度、材料及熱處理等的技術(shù)要求是否合理，是否便于加工和裝配，是否可以使用3D打印技術(shù)；另一方面可以對零件的工藝要求有進一步的了解，方便3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)生產(chǎn)線相結(jié)合，以便制訂出合理的工藝規(guī)程。

編制工藝方案的依據(jù)是：產(chǎn)品的設(shè)計性質(zhì)（即：是創(chuàng)制還是仿制，是系列基型還是變型，是通用還是專用），產(chǎn)品的生產(chǎn)性質(zhì)（即：是長期性生產(chǎn)還是短期性生產(chǎn)），產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模（批量），產(chǎn)品生產(chǎn)方式（即：是大量連續(xù)生產(chǎn)還是成批輪番生產(chǎn)）。

通過以上兩部分分析，將生產(chǎn)系統(tǒng)模塊化分為：基本加工模塊，3D打印模塊，模塊化的夾具，模塊化的驅(qū)動單元以及可重構(gòu)系統(tǒng)。基本加工模塊使用傳統(tǒng)加工工藝生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化零件，3D打印模塊生產(chǎn)個性化以及符合工藝方案的零部件，二者通過零部件的結(jié)構(gòu)形狀及尺寸精度、相互位置精度、表面粗糙度、材料及熱處理等的技術(shù)要求以及加工，裝配的便利程度，成本，時間等要素進行分析分類。

3. 生產(chǎn)設(shè)計

由于3D打印是快速成型，一體化制造技術(shù)，生產(chǎn)計劃，庫存計劃等方面的要求也會相應(yīng)的有所變化，在生產(chǎn)方面，由基于預(yù)測的庫存生產(chǎn)轉(zhuǎn)向相應(yīng)客戶需求的定制生產(chǎn)，所以在生產(chǎn)系統(tǒng)需要極大的柔性以快速轉(zhuǎn)變產(chǎn)品種類，所以需要以3D打印為核心，基本生產(chǎn)模塊配合生產(chǎn)。

3D打印可以直接將原材料轉(zhuǎn)變?yōu)楣δ苄粤悴考?，不會受限其他零部件的庫存，在生產(chǎn)時間上面可以依據(jù)客戶訂單管理提前生產(chǎn)，再根據(jù)個性化零件的數(shù)量來確定基本加工模塊的生產(chǎn)，再輔以可重構(gòu)控制系統(tǒng)，達到快速響應(yīng)生產(chǎn)的效果，并以此來確定采購計劃，物料需求計劃，庫存計劃等。endprint

（三）方案可行性分析

在經(jīng)過產(chǎn)品設(shè)計，工藝設(shè)計以及生產(chǎn)設(shè)計之后，可以得到若干個方案，每個方案中都由若干傳統(tǒng)加工模塊與3D打印模塊組成，方案是否可行，3D打印技術(shù)是否可以應(yīng)用，需要對每個3D打印模塊與傳統(tǒng)加工模塊比較，進行可行性分析，本文主要對經(jīng)濟可行性及技術(shù)可行性進行分析。

1. 技術(shù)分析

技術(shù)可行性分析主要考慮工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，加工，資源，零件精度要求，工藝復(fù)雜程度，裝配程度等方面。這些要素信息可以通過產(chǎn)品設(shè)計以及工藝方案中得到具體數(shù)據(jù)。

3D打印在工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及零件精度方面，3D打印產(chǎn)品精度高，并且一體化成型，消除原有公差配合所帶來的問題，有助于提高產(chǎn)品質(zhì)量。在加工方面，3D打印具有無刀具特征，無裝夾特征，自由孔結(jié)構(gòu)等特點。在資源方面，3D打印是堆積成型技術(shù)，資源不存在浪費，以及原材料為非標(biāo)準(zhǔn)型，可以減少加工步驟。裝配方面，一體化制造技術(shù)可以大量減少裝配難度及要求。

2. 經(jīng)濟可行性分析

企業(yè)以盈利為目的，所以方案不僅要考慮技術(shù)上的可行，也要考慮經(jīng)濟可行性，因此從工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，加工，資源，零件精度要求，工藝復(fù)雜程度，裝配程度等方面考慮，建立評價體系量化要素，分別分析各個3D模塊以及相對應(yīng)的傳統(tǒng)加工模塊的生產(chǎn)效率和設(shè)備成本、人員成本、材料成本、這些信息可以從庫存計劃、生產(chǎn)計劃、工藝方案中獲取。

通過對各個模塊的技術(shù)及經(jīng)濟分析，從生產(chǎn)柔性，生產(chǎn)成本，生產(chǎn)效率，顧客滿意度等方面出發(fā)，經(jīng)過專家評定，選擇最終滿意的方案，從而進行試驗，投產(chǎn)。

四、結(jié)語

本文結(jié)合模塊化生產(chǎn)的特點，對模塊化生產(chǎn)進行相關(guān)的分析，主要包括產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、產(chǎn)品計劃設(shè)計等分析，而這一過程還要結(jié)合計算機CAD技術(shù)、CAI技術(shù)等對產(chǎn)品進行建模仿真，從而不但可以滿足市場客戶的需求，而且還能夠降低生產(chǎn)的風(fēng)險、成本，從而能夠進一步提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。而3D打印作為一種快速成型技術(shù)，在生產(chǎn)過程中可以縮短生產(chǎn)周期，對原料的利用率幾乎達到100%。鑒于這一基礎(chǔ)，3D打印與模塊化生產(chǎn)進行結(jié)合，它們既能發(fā)揮各自的優(yōu)勢又能進行優(yōu)勢互補，從而能夠大大提高企業(yè)的生產(chǎn)率，進一步提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。模塊化生產(chǎn)是當(dāng)今的一種生產(chǎn)趨勢。但是由于目前3D打印在我國還不太成熟，并且3D打印技術(shù)受材料、市場、人才等因素的限制，從而只能生產(chǎn)諸如工裝夾具等結(jié)構(gòu)相對簡單的產(chǎn)品，而生產(chǎn)一些功能很復(fù)雜的產(chǎn)品還不是很成熟。因此迫切需要政府、企業(yè)等相關(guān)部門對3D打印技術(shù)進行大量的人力、物力、財力的投入，3D打印技術(shù)會逐步走向成熟，從而這種模塊化生產(chǎn)方式會更加靈活，以便更能滿足市場消費者的需求，進一步推動我國的經(jīng)濟的發(fā)展。

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（作者單位：杭州電子科技大學(xué)管理學(xué)院）endprint