基于云制造的3D打印機(jī)應(yīng)用模式研究*

李 強(qiáng) 張 帥

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

我國制造業(yè)正處于升級轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)期，制造的服務(wù)化、創(chuàng)新化和資源調(diào)配與協(xié)同是企業(yè)競爭的關(guān)鍵因素，如何提出新的制造模式滿足企業(yè)的需求是能否成功轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。從“八五”到“十一五”我國科技部在國外先進(jìn)制造思想的基礎(chǔ)上開展了相關(guān)研究與應(yīng)用[1]。在借鑒外國已有的先進(jìn)制造模式(如眾包生產(chǎn) C-Sourcing[2]、工業(yè)產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng) IPS2)的基礎(chǔ)上提出了一種面向網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)的制造模式——云制造。云制造是一種面向服務(wù)、高效低耗和基于知識的網(wǎng)絡(luò)化制造新模式[3]。

3D打印技術(shù)是由20世紀(jì)70年代末、80年代初出現(xiàn)的快速成型技術(shù)發(fā)展而來的一種先進(jìn)制造技術(shù)[4]。它是將三維模型進(jìn)行切片處理，逐層堆積材料來生成三維實(shí)體的技術(shù)，由于是通過增加材料進(jìn)行生產(chǎn)制造，因此又稱為添加制造[5]。它具有傳統(tǒng)制造所不能比擬的優(yōu)勢：(1) 數(shù)字化制造：借助三維軟件將產(chǎn)品的三維模型構(gòu)建出來，驅(qū)動3D打印機(jī)進(jìn)行制造。構(gòu)建的三維模型可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳遞，實(shí)現(xiàn)異地分散化制造。(2) 產(chǎn)品多樣化：由于3D打印技術(shù)的一體化成型的特點(diǎn)使得打印單個(gè)和大批量、個(gè)性化和多樣化產(chǎn)品的成本保持不變。(3) 直接制造：無需模具，任何復(fù)雜難成型的部件均可通過3D打印機(jī)一次性制造出來，不需要進(jìn)行組裝焊接等復(fù)雜過程來實(shí)現(xiàn)。(4) 快速制造：3D打印制造工藝流程短、全自動、可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場制造，因此，制造更快速高效。(5) 無限的材料色度[6]：3D打印可以把基本的顏色組合起來產(chǎn)生新的顏色，也可以把基本材料組合打印產(chǎn)生新材料。但目前我國的3D制造業(yè)市場比較零散、主導(dǎo)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和開發(fā)平臺尚未確立，技術(shù)研發(fā)和推廣應(yīng)用還處于無秩序狀態(tài)。

本文在云制造和3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)上建立3D云制造平臺，整合3D打印市場，彌補(bǔ)了當(dāng)前3D打印市場的缺點(diǎn)，有利于3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和3D打印技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的確立。

1 3D云制造模式簡介

1.1 3D云制造平臺介紹

3D云平臺是面向廣大群眾、基于服務(wù)、能夠商業(yè)化運(yùn)行的云制造平臺。如圖1所示，3D云平臺由資源提供端(3D打印機(jī)設(shè)備提供方)、服務(wù)請求端(對3D打印產(chǎn)品有需求的客戶)和云服務(wù)平臺(交易橋梁)組成。資源提供端通過云平臺將可提供服務(wù)的3D打印機(jī)進(jìn)行虛擬化封裝發(fā)布；服務(wù)請求端通過云平臺發(fā)出服務(wù)需求；云服務(wù)平臺根據(jù)提交的服務(wù)請求，通過強(qiáng)大的云計(jì)算技術(shù)在云制造資源池進(jìn)行匹配，尋找符合服務(wù)請求的3D打印機(jī)設(shè)備，并為客戶提供服務(wù)。

1.2 3D云制造體系架構(gòu)

根據(jù)現(xiàn)有的對云制造體系架構(gòu)的研究文獻(xiàn)，結(jié)合3D打印機(jī)的特點(diǎn)和數(shù)字建模的分析優(yōu)化過程提出了3D云制造的體系架構(gòu)，如圖2所示。

第一層：以三維建模軟件為平臺設(shè)計(jì)層，這里以SolidWorks軟件為例。

將要3D打印的產(chǎn)品/零件可通過3種方法進(jìn)行制造：(1)根據(jù)設(shè)計(jì)人員提供的設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行數(shù)字建模，導(dǎo)入3D打印機(jī)進(jìn)行打印。(2)如果有實(shí)物，利用3D掃描儀進(jìn)行掃描，將掃描得到的數(shù)字模型導(dǎo)入3D打印機(jī)進(jìn)行打印。(3)在數(shù)據(jù)庫中查詢模型，選擇需要的數(shù)字模型進(jìn)行打印。

上面的3種方法是針對不同情況而言的。眾所周知產(chǎn)品制造過程中沒一個(gè)過程都需要投入大量的人力物力，這些都會造成成本升高。所以在打印時(shí)先從模型庫中查找，模型庫中的模型全部都是經(jīng)過反復(fù)優(yōu)化的能正常使用的模型，如果有則可以直接進(jìn)行打?。蝗绻挟a(chǎn)品/零件的實(shí)物，則可以通過3D掃描儀進(jìn)行掃描直接得到數(shù)字模型，直接打印制造；若是新研發(fā)的產(chǎn)品，則只能進(jìn)行三維建模生成數(shù)字模型。

第二層：以ANSYS、ABAQUS、fe-safe軟件為平臺分析優(yōu)化層。

利用SolidWorks軟件構(gòu)建的三維模型可以導(dǎo)入上述3種分析軟件進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算分析，找出其中不恰當(dāng)?shù)牡胤竭M(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。例如在打印齒輪時(shí)，先對齒輪的三維數(shù)字模型進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算、流體力學(xué)計(jì)算，壽命預(yù)測等一系列分析后，各方面都符合要求然后再進(jìn)行打印制造。

第三層：以3D打印機(jī)為基礎(chǔ)的制造層。

將上述合格的產(chǎn)品模型通過網(wǎng)線或Internet網(wǎng)傳送給3D打印機(jī)進(jìn)行打印，經(jīng)過后處理產(chǎn)品即完成制造。

1.3 3D云制造的特點(diǎn)

3D云制造模式是一種面向多用戶的，按需獲取資源、即用即得、按時(shí)付費(fèi)的新型網(wǎng)絡(luò)制造新模式。與敏捷制造[7]、全球化制造、制造網(wǎng)格、應(yīng)用服務(wù)提供商[8]為代表的網(wǎng)絡(luò)化制造相比，具有以下特點(diǎn)：

(1)集中管理合理分配。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化制造模式主要強(qiáng)調(diào)“分散資源集中使用”的思想，缺乏對服務(wù)的集中管理和運(yùn)營，導(dǎo)致沒有動力促進(jìn)持續(xù)提供高質(zhì)量服務(wù)。3D云制造模式不僅強(qiáng)調(diào)分散資源集中使用而且強(qiáng)調(diào)集中資源分散使用的思想，服務(wù)模式是多對多服務(wù)而不是傳統(tǒng)的一對多或者多對一的服務(wù)，而且在整個(gè)服務(wù)過程中都有云平臺運(yùn)營方集中監(jiān)控管理，保證各方利益，可持續(xù)促進(jìn)良性循環(huán)。

(2)全面虛擬化服務(wù)化。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化制造主要是對各類“軟資源”(軟件應(yīng)用系統(tǒng)、制造數(shù)據(jù)等計(jì)算和信息資源)的封裝和發(fā)布。3D云模式不僅對設(shè)計(jì)制造過程中的軟件資源進(jìn)行封裝發(fā)布，而且對3D打印機(jī)、材料等硬件資源進(jìn)行虛擬化封裝發(fā)布，即軟硬件資源全部以服務(wù)形式發(fā)布。連接到云平臺的所有客戶均可通過云制造平臺完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析優(yōu)化、制造、試驗(yàn)、管理等產(chǎn)品全生命周期過程各類活動的業(yè)務(wù)。

2 應(yīng)用與案例分析

以對數(shù)螺旋錐齒輪的制造過程為例。對螺旋錐齒輪具有傳動性好，承載大，振動噪音小，應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。但對數(shù)螺旋錐齒輪的幾何特性與嚙合過程及其機(jī)床結(jié)構(gòu)和加工調(diào)整都非常復(fù)雜，同時(shí)加工刀具、機(jī)床參數(shù)設(shè)置、加載變形和裝配誤差等各種因素、質(zhì)量和性能的保證十分困難[9-11]。目前對數(shù)螺旋錐齒輪還處于研究階段并未有哪條文獻(xiàn)明確表明要應(yīng)用在哪一領(lǐng)域，這不利于研究的發(fā)展。利用3D云制造平臺完成對數(shù)螺旋錐齒輪的研究工作將會節(jié)省大量時(shí)間和人力物力，例如研究對數(shù)螺旋錐齒輪在飛機(jī)上的應(yīng)用研究過程如圖3所示。

由于對數(shù)螺旋錐齒輪的各種優(yōu)良特性，某飛機(jī)廠決定將對數(shù)螺旋錐齒輪應(yīng)用在飛機(jī)上，通過云平臺客戶端發(fā)起服務(wù)請求。根據(jù)云平臺連接的軟、硬件資源，經(jīng)云計(jì)算智能匹配后形成服務(wù)流程：A大學(xué)設(shè)計(jì)對數(shù)螺旋錐齒輪并數(shù)字建模(A大學(xué)為最早發(fā)起并研究對數(shù)螺旋錐齒輪的學(xué)校，有豐富經(jīng)驗(yàn))——專家系統(tǒng)進(jìn)行分析優(yōu)化(涉及到飛機(jī)的各種條件數(shù)據(jù)，有可能涉及機(jī)密，由專家進(jìn)行分析優(yōu)化)——某3D打印設(shè)備商進(jìn)行制造(根據(jù)材料、精度、運(yùn)輸費(fèi)用等計(jì)算得出最優(yōu)解)——成品試驗(yàn)(選擇符合條件的試驗(yàn)單位進(jìn)行可靠性試驗(yàn))。

整個(gè)設(shè)計(jì)制造過程中涉及到的軟、硬件資源都是以按時(shí)租賃的方式完成。A大學(xué)通過3D云平臺的CAD、SolidWorks等設(shè)計(jì)軟件完成齒輪的設(shè)計(jì)建模工作；將模型傳送給專家系統(tǒng)后，專家通過云平臺的ANSYS、ABAQUS等分析軟件，結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)輸入相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找到薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)；模型最終確定后，云平臺將模型傳送給匹配到的3D打印機(jī)進(jìn)行打印，經(jīng)后處理、質(zhì)量檢測合格后會運(yùn)輸?shù)街付ㄔ囼?yàn)單位進(jìn)行可靠性試驗(yàn)；最后試驗(yàn)檢測無誤后即可大批量生產(chǎn)。

3 結(jié)語

3D打印機(jī)云制造模式目前處于試驗(yàn)階段，已經(jīng)接入部分3D打印機(jī)，完成接入打印機(jī)的虛擬化、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化工作，但距離最終目標(biāo)還有很大距離。其中涉及的云安全、服務(wù)管理還需進(jìn)一步優(yōu)化。從上述案例中可以看到由于3D打印機(jī)的特點(diǎn)，原本制造復(fù)雜的對數(shù)螺旋錐齒輪由3D打印機(jī)制造，一步即可完成，完美解決了傳統(tǒng)制造工藝難的問題。進(jìn)一步證明將3D打印機(jī)與云制造結(jié)合是可行的、有利的。3D云制造模式不僅會促進(jìn)制造業(yè)新模式的發(fā)展，同時(shí)會促進(jìn)3D打印行業(yè)的發(fā)展。