3D打印分布式云智能制造綠色生態(tài)模式創(chuàng)新研究

萬航 徐恒偉

摘 要

3D打印作為人工智能領(lǐng)域的前沿科技，引領(lǐng)著技術(shù)變革，顛覆了傳統(tǒng)的制造模式，有著劃時代的意義。本文在3D打印原有的基礎(chǔ)上打破時間和空間的壁壘，進(jìn)一步研究3D打印機(jī)分布式云智能制造新型模式，進(jìn)行綠色生態(tài)模式創(chuàng)新研究，在降本增效的同時對環(huán)境保護(hù)提出了更高的要求。

關(guān)鍵詞

3D打印;分布式;云智能制造;綠色生態(tài)模式

中圖分類號： TP391.73;F426.6 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.038

Abstract

As the cutting-edge technology in the field of artificial intelligence，3D printing is leading the technological change，subverting the traditional manufacturing mode，and has epoch-making significance.On the basis of the original 3D printing，this paper breaks the organizational barriers of time and space，further studies the new model of 3D printer distributed cloud intelligent manufacturing，carries out the innovation research of green ecological model，and puts forward higher requirements for environmental protection while reducing costs and increasing efficiency.

Key Words

3D printing;Distributed;Cloud intelligent manufacturing;Green ecological model

當(dāng)今世界，人工智能、綠色生產(chǎn)已儼然成為制造業(yè)的必然發(fā)展趨勢。云智能制造設(shè)備集遙感、分析、算法功能于一體，是先進(jìn)工業(yè)化水平、智能控制技術(shù)的整合與深度融合，已經(jīng)成為世界各國搶占的高地。智能制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)化及大力實踐正在催生云智能制造水平的提升，而3D打印作為人工智能領(lǐng)域的前沿科技，引領(lǐng)著技術(shù)變革，顛覆了傳統(tǒng)的制造模式，有著劃時代的意義。本文所涉及的3D打印分布式云智能制造綠色生態(tài)模式更是將區(qū)域化零為整，進(jìn)行線上資源整合和線下合理利用，兼顧了綠色生態(tài)保護(hù)和創(chuàng)新技術(shù)的發(fā)展。

作為第三次工業(yè)革命重要標(biāo)桿的3D打印引起了全民的廣泛關(guān)注，中國為此專門先后出臺了重要文件—《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計劃（2015～2016）》和《中國制造2025》，以推進(jìn)這一新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。為此在3D打印原有的基礎(chǔ)上打破時間和空間的壁壘，進(jìn)一步研究3D打印機(jī)分布式云智能制造新型模式，進(jìn)行綠色節(jié)能生態(tài)創(chuàng)新研究，在降本增效的同時對環(huán)境保護(hù)提出了更高的要求。雖然，3D打印/增材制造技術(shù)不可能完全取代消費品市場的大規(guī)模生產(chǎn)模式，但不可否認(rèn)的是，產(chǎn)品的批量和產(chǎn)品的綠色生命周期正在急速縮小和縮短。而消費者追求個性化的意識更強(qiáng)了，消費者品位的變化倒逼著消費品市場尋求更加靈活的生產(chǎn)方式。與傳統(tǒng)制造業(yè)技術(shù)相比，現(xiàn)在的3D打印技術(shù)正在以前所未有的速度快速發(fā)展，許多公司正在使用綠色生態(tài)技術(shù)更有意義地進(jìn)行批量與成本效益的權(quán)衡。

1 在傳統(tǒng)3D打印平臺基礎(chǔ)上，創(chuàng)建智能管理云平臺

智能管理云平臺由智能云集成化平臺、3D打印公眾需求創(chuàng)新平臺和大數(shù)據(jù)分析下的定制化生產(chǎn)平臺構(gòu)成。集成化系統(tǒng)依據(jù)公眾需求平臺提出的智能云服務(wù)要求，提供相應(yīng)的智能云系統(tǒng)服務(wù)。比如，F(xiàn)raunhofer研究所和Authentise公司均搭建了相應(yīng)的3D打印智能云交流服務(wù)平臺，結(jié)合本校智能控制技術(shù)專業(yè)3D打印設(shè)備，研究出一套適用于學(xué)校教學(xué)科研和企業(yè)管理設(shè)計規(guī)劃的智能云平臺系統(tǒng)。具體包含如下：

1.1 智能云集成化平臺

智能云集成化平臺匯聚大數(shù)據(jù)、云計算與物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等新興信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)，為公眾需求創(chuàng)新平臺提供原始數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐，進(jìn)行智能云計算服務(wù)。云計算技術(shù)能夠全盤調(diào)度網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的合理資源，形成持續(xù)提供數(shù)據(jù)支持，公眾需求用戶隨時可以提供大數(shù)據(jù)的系統(tǒng)化資源池;大數(shù)據(jù)依托云計算分段式的處理手段，對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘與分析;物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)可通過智能控制傳感器進(jìn)行實時信號采集，收集各種信息，這些資源信息經(jīng)云計算后可獲得智能化生產(chǎn)和生活所需的云數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)物物、物人的網(wǎng)絡(luò)銜接，便于鑒別、管理和實施。

1.2 3D打印公眾需求創(chuàng)新平臺

3D打印公眾需求創(chuàng)新平臺借助智能云集成化平臺的大數(shù)據(jù)動態(tài)交互功能，在需求創(chuàng)新、產(chǎn)品研究、產(chǎn)品制造、客戶評價和反饋等環(huán)節(jié)為企業(yè)和社會公眾提供實時動態(tài)服務(wù)，從而實現(xiàn)消費者個性化追求與企業(yè)的制造能效的實時匹配與對接。眾包與搜索引擎是公眾需求創(chuàng)新平臺的關(guān)鍵實現(xiàn)手段，創(chuàng)新型企業(yè)通過眾包能夠便捷有效地設(shè)計出符合消費者需求的個性化產(chǎn)品。各類消費群體通過搜索引擎追尋能夠滿足自己需求的3D打印原材料，獲取增材相關(guān)的技術(shù)支持與手段。

1.3 大數(shù)據(jù)分析下的定制化生產(chǎn)平

在以3D/增材打印為生產(chǎn)核心技術(shù)的數(shù)字化制造過程中，從原始模型的創(chuàng)建，到生產(chǎn)工序、工藝參數(shù)、3D仿真、材料性能、質(zhì)檢過程，全套供應(yīng)鏈下產(chǎn)生了海量的數(shù)據(jù)需要分析和研究。僅僅是金屬3D打印過程中就有50多個變量相互發(fā)生作用。這些剪不斷理還亂的大數(shù)據(jù)，為云智能增材制造帶來挑戰(zhàn)的同時也帶來了機(jī)遇。

3D打印的快捷性和時效性使得生產(chǎn)訂單的需求方式發(fā)生了根本性的變化。原來是公司需要預(yù)估生產(chǎn)哪些，產(chǎn)量多少，然后進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，按此模式時常會出現(xiàn)產(chǎn)能過?；蛘卟蛔愕那闆r。而3D打印技術(shù)可以做到按需生產(chǎn)，通過大數(shù)據(jù)獲得客戶定制化訂單，快捷生產(chǎn)，零庫存，實時發(fā)貨與專屬售后跟蹤評價。應(yīng)該說3D打印技術(shù)變革帶來了供應(yīng)鏈的生態(tài)調(diào)節(jié)，供應(yīng)鏈的轉(zhuǎn)變與創(chuàng)新帶來了數(shù)據(jù)量的變化，而數(shù)據(jù)量的變化與整合進(jìn)一步強(qiáng)化了3D打印在應(yīng)用端的滲透能力。此外，三維增材建模與生產(chǎn)平臺是對應(yīng)的，這些數(shù)據(jù)是龐大而繁雜的，這意味著它們需要更多的服務(wù)器架構(gòu)存儲空間，嚴(yán)密的安全性和敏銳的歸檔措施。圍繞這些個性化需求必將誕生出大數(shù)據(jù)分析下的定制化生產(chǎn)平臺，并將衍生出物聯(lián)網(wǎng)下“3D打印+大數(shù)據(jù)”的靈活商業(yè)范疇。

2 設(shè)計3D打印分布式智能制造的創(chuàng)新方式和模型架構(gòu)

對于傳統(tǒng)集中智能制造的模式來說，雖可以大規(guī)模生產(chǎn)，保證供應(yīng)鏈的產(chǎn)量和配置，但在靈活應(yīng)對客戶需求方面卻是令人擔(dān)憂。而3D打印分布式智能制造的創(chuàng)新方式和模型架構(gòu)，正好利用了大數(shù)據(jù)分析與運算，創(chuàng)新生產(chǎn)，整合資源，需求化地進(jìn)行分配生產(chǎn)，具體有以下兩種模式。

2.1 全價值供應(yīng)鏈下的3D打印分布式智能制造創(chuàng)新模型的建立

對傳統(tǒng)集中智能制造模式做進(jìn)一步改進(jìn)與挖掘，設(shè)計出全價值供應(yīng)鏈下的3D打印分布式智能制造創(chuàng)新模式，與前者相比該模式創(chuàng)新如下：首先，3D打印分布式制造代替了大規(guī)模集中制造;其次，系統(tǒng)化的生產(chǎn)物流轉(zhuǎn)變成為最后一公里的產(chǎn)品配送物流;第三，零部件供應(yīng)商和產(chǎn)品庫存逐漸消失;最后通過搜索引擎和眾包的推廣，網(wǎng)絡(luò)平臺公眾中的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)者可以充分參與企業(yè)技術(shù)孵化和創(chuàng)新研究。

2.2 跨界融合技術(shù)變革下的3D打印分布式智能制造創(chuàng)新模式的建立

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)挖掘等新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)深度融入各行業(yè)領(lǐng)域，企業(yè)的業(yè)務(wù)邊界變得模糊不清，這種改變將深度影響高興企業(yè)的生產(chǎn)與制造模式，甚至重構(gòu)企業(yè)內(nèi)涵和組織架構(gòu)。在這一大變局下，企業(yè)勢必將進(jìn)行跨界融合，進(jìn)行多領(lǐng)域多范圍的創(chuàng)新合作，基于此，在全價值供應(yīng)鏈模式的基礎(chǔ)上再提出一種可跨界融合技術(shù)變革模式的3D打印分布式制造方式。該模式下，虛擬VR決策層替代了企業(yè)實際的決策管理層，而工商一體化的產(chǎn)品自制轉(zhuǎn)變?yōu)橥獍a(chǎn)品制造模式。

3 創(chuàng)建3D打印綠色生態(tài)模式

從綠色環(huán)保生態(tài)角度出發(fā)，通過3D打印云智能制造，大幅節(jié)約了原材料的使用，不論是從物聯(lián)和互聯(lián)角度還是綠色作業(yè)、精密制造角度考慮，都將完全顛覆傳統(tǒng)工業(yè)化制造范疇，對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)有著改善作用，意義重大。研究主要包含以下三方面內(nèi)容：

3.1 3D打印綠色生態(tài)生產(chǎn)模式

3D打印綠色生態(tài)生產(chǎn)模式是指在保證3D打印相關(guān)研發(fā)產(chǎn)品的功效、功能和成本的前提下，全盤考量環(huán)境因素和資本效率的現(xiàn)代生產(chǎn)創(chuàng)新模式。它使產(chǎn)品從研發(fā)、生產(chǎn)、配送、運用到報廢的整個產(chǎn)品生命周期中不導(dǎo)致環(huán)境污染或污染可控最小化，遵循環(huán)境保護(hù)條例，對生態(tài)環(huán)境無害或者危害很小，使得3D打印資源集成度最高、能耗最低。由于3D打印離不開電子應(yīng)用技術(shù)，而智能制造發(fā)展迅速，規(guī)模也逐漸龐大，廢棄電子零部件逐年增多，對環(huán)境層面的影響很大，為了應(yīng)對這種局面，提出了綠色生態(tài)模式的概念，進(jìn)行綠色生產(chǎn)制造。

3.2 3D打印技術(shù)綠色低碳設(shè)計

在加工業(yè)里，低碳意味著“綠色低碳排放控制”，一種更有效節(jié)能減排的設(shè)計理念。加工過程僅僅是創(chuàng)新制造的一部分，電子廢品是大規(guī)模生產(chǎn)對環(huán)境造成的一種災(zāi)難性污染。低碳設(shè)計降低了整個產(chǎn)品生命周期內(nèi)的污染性，包括從產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品生產(chǎn)、裝配、運輸以及最終的報廢處理。3D打印技術(shù)的變革勢必對環(huán)境保護(hù)優(yōu)化提出更高的標(biāo)準(zhǔn)，綠色低碳設(shè)計的重點是力求將節(jié)能減排融入3D打印全過程中，其中最主要的一環(huán)來自增材的循環(huán)利用加工和再設(shè)計，穿插在整個設(shè)計過程中，對于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)起到至關(guān)重要的作用。

3.3 3D打印綠色材料選擇

3D打印綠色材料選擇是一項系統(tǒng)而又復(fù)雜的工程。在保證產(chǎn)品綠色性的同時，還得兼顧其質(zhì)量、成本和功能屬性等。綠色節(jié)能減排產(chǎn)品要求構(gòu)成產(chǎn)品的原料具有綠色效應(yīng)，即在整個物料生命周期內(nèi)，這類原料應(yīng)有利于降低能耗，生產(chǎn)負(fù)荷最小。具體分析來說，3D打印綠色材料設(shè)計時，材料選擇應(yīng)從以下幾點考慮：第一，精簡所用材料門類。精簡3D打印材料門類，不但可以簡化產(chǎn)品架構(gòu)，便于物料的研發(fā)、使用和標(biāo)識，而且在相同的產(chǎn)品數(shù)量上可以得到更多的某種回收原料;第二，計算機(jī)仿真設(shè)計，運用算法創(chuàng)造了新的產(chǎn)品種類，由于是專門依據(jù)周邊環(huán)境設(shè)計的，因此一個有創(chuàng)新構(gòu)思的零部件可以使用相當(dāng)長的時間，也更能節(jié)約有限的資源配置。

4 總結(jié)

3D打印分布式云智能制造綠色生態(tài)模式創(chuàng)新具有劃時代的理論作用和實踐影響，采用云智能平臺進(jìn)行大膽革新，通過3D打印加工技術(shù)的典型性能，結(jié)合新興信息化手段（含大數(shù)據(jù)、云計算和物聯(lián)網(wǎng)等）進(jìn)行深度融合，可以實現(xiàn)3D打印云智能創(chuàng)新;采用分布式制造的方式，能夠?qū)⒕哂胁煌a(chǎn)規(guī)模和能力、并且處于不同地域上的制造商達(dá)成合作關(guān)系，提供快速響應(yīng)市場需求的產(chǎn)品和服務(wù);采用3D打印綠色生態(tài)模式，降本增效，綠色生產(chǎn)，將環(huán)境保護(hù)和3D打印材料的有效利用相結(jié)合，力求做到原材料的低功耗、環(huán)境負(fù)荷最小化和3D打印材料的可再生回收利用。

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