3D打印產(chǎn)業(yè)鏈式創(chuàng)新分析與服務能力研究

宗學文 王磊 王小麗 劉文杰 李素麗 王磊 杜康

摘?要：快速成形技術(shù)經(jīng)過30多年發(fā)展，在不同行業(yè)產(chǎn)品開發(fā)制造痛點市場驅(qū)動之下，從源頭方法創(chuàng)新到商業(yè)化運營，再到各個行業(yè)應用推廣，形成了產(chǎn)業(yè)鏈雛形。文中為進一步揭示該技術(shù)創(chuàng)新、應用進化過程，以鏈式創(chuàng)新為目標，通過分析3D打印創(chuàng)新發(fā)展的技術(shù)內(nèi)核支撐邏輯，結(jié)合基礎(chǔ)3D打印產(chǎn)業(yè)鏈進化動態(tài)，提出了3D打印產(chǎn)業(yè)鏈各階段的不同目標，剖析行業(yè)創(chuàng)新應用關(guān)鍵。產(chǎn)業(yè)鏈上游為源于產(chǎn)品制造和市場需求的問題驅(qū)動的科學技術(shù)研究與關(guān)鍵技術(shù)突破，分析了基于光固化AM原理所研發(fā)的七種前沿技術(shù)以及空間打印技術(shù)，屬技術(shù)源頭創(chuàng)新;中游以不同工藝種類演化進展為主線，分析了其可加工材科從非金屬高分子、陶瓷到金屬材料的拓展過程，并給出了3D打印工藝下典型材料的質(zhì)量精度和性能指標;下游從產(chǎn)業(yè)應用創(chuàng)新出發(fā)，分析了3D打印新產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)流程，引入增材拓撲優(yōu)化建模設(shè)計創(chuàng)新概念，以客戶對產(chǎn)品的剛性指標開展設(shè)計研發(fā)，重視客戶滿意度因素：質(zhì)量、周期、成本，從而實現(xiàn)工藝凍結(jié)，產(chǎn)品量產(chǎn)。文中最后基于3D打印產(chǎn)業(yè)鏈式創(chuàng)新，從籌劃“備胎”保障產(chǎn)業(yè)運行安全、針對產(chǎn)業(yè)痛點，開展專業(yè)化合作協(xié)同等方面對促進我國3D 打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展給出了建議。

關(guān)鍵詞：3D打印;增材制造;產(chǎn)業(yè)技術(shù);鏈式創(chuàng)新;服務能力

中圖分類號：G 311

文獻標識碼：A?文章編號：1672-7312（2020）05-0432-11

Innovation Analysis and Service Capability Research

of 3D Printing Industry Chain

ZONG Xue-wen1，4，WANG Lei1，WANG Xiao-li2，LIU Wen-jie1，

LI Su-li1，2，3，WANG Lei3，4，DU Kang1

（1.College of Mechanical and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;2.Dept.of Mechanical Engineering，Xian Jiaotong University City College，Xian 710049，China;3.Collaborative Innovation Center of High-End Manufacturing Equipment，Xian Jiaotong Univertsity，Xian 710049，China;4.National Innovation Institute of Additive Manufacturing，Xian 710117，China）

Abstract：3D printing is an additive manufacturing technology that transforms 3D digital model into entity.According to the iterative process of UV curing technology，the relationship between its scientific basis，working mechanism，material characteristics and key technologies is analyzed by using the logic analysis method driven by scientific problems，and the innovative characteristics and technical scheme construction methods of UV curing frontier technology are revealed.Based on the experience of many cases，the author analyzes the adaptability of direct manufacturing and indirect manufacturing technology services to the existing industrial technology standard system by using the evaluation methods of manufacturing accuracy performance and other quality indicators;combined with the application cases of complex product development in different industries，the iterative characteristics of development are studied，and a new development process is constructed.With the help of topology optimization display design，the evaluation and decision criteria of R & D iteration and parts manufacturing path technology are given.The research shows that the source innovation，equipment development and application，and cross industry application innovation of common technologies like 3D printing follow different scientific basis and technological logic，and the results are in different forms.Continuous chain innovation not only involves the input and output of scientific and technological elements，but also needs timely coordination of government，industry，science，education and research to build core competitiveness in stages and form 3D printing technology Economic and social benefits.

Key words：3D printing;additive manufacturing;industrial technology;chain innovation;service capabilities

0?引言

隨著新冠肺炎（COVID-19）席卷全球[1]，各種醫(yī)療設(shè)備緊缺，面對這一場時間與疫情的較量中，如何快速開發(fā)制造出必備的醫(yī)療物資是各國都需要解決的實際問題。國家增材制造研究院有限公司利用光固化3D打印技術(shù)，快速開發(fā)打印出了醫(yī)用防病毒口罩，南京增材智造研究人員運用建筑3D 打印技術(shù)，快速開發(fā)打印防疫測控方艙[2]。這些應用表明，在類似于新冠疫情的應急保障中，3D打印技術(shù)作為共性技術(shù)雖然不是核心科技，仍可從設(shè)備開發(fā)、疫情防護、檢控隔離方艙等多方面進行應用創(chuàng)新。

增材制造技術(shù)（Additive Manufacturing，AM）俗稱3D打印技術(shù)，是一種現(xiàn)代化高度集成和多學科交叉的技術(shù)，不僅涉及到三維數(shù)字建模、測量、控制系統(tǒng)、軟件、算法、光學結(jié)構(gòu)、精密機械等學科，還集成運用了材料凝固原理、新型高分子材料等領(lǐng)域的技術(shù)。與傳統(tǒng)的減材制造、等材制造不同，它是基于計算機設(shè)計的產(chǎn)品三維數(shù)字模型，通過在3D打印設(shè)備加工坐標中定向、添加支撐、切片操作，生成加工的控制代碼，然后利用激光掃描（或面光源、噴頭），可以實現(xiàn)逐點、逐線、逐面地進行累加材料的方式，來制造三維實體產(chǎn)品的技術(shù)。它可根據(jù)數(shù)字化設(shè)計制造出形狀任意復雜、精度不同的各類原型，構(gòu)成技術(shù)上的顛覆性[3]。為制造業(yè)提供了嶄新的數(shù)字化制造理念，由于實現(xiàn)了傳統(tǒng)加工方法難以制造的復雜造型，被稱為新的工業(yè)革命的重大標志。

在30多年的發(fā)展中，3D打印行業(yè)從源頭上的方法創(chuàng)新，到商業(yè)化運營、再到不同行業(yè)的推廣，形成不同行業(yè)應用產(chǎn)業(yè)場景，不同階段其科研目標一直在變動[4]。就商業(yè)化機型服務而言，一直靠最成熟的技術(shù)，推動著應用創(chuàng)新內(nèi)容。即科研上游形成的各類新方法、新材料、關(guān)鍵器件與系統(tǒng)設(shè)備，隨著其成熟度增加逐步轉(zhuǎn)移到中游商業(yè)化技術(shù)與服務，進而形成在航空航天、汽車、醫(yī)療、教育等眾多下游的典型應用[5]。作者自2002年始，在盧秉恒教授團隊從事光固化立體光刻研究，開展了復雜結(jié)構(gòu)從原型到滿足不同行業(yè)標準鑄件的快速制造研究[6-8]。長期在科研一線工作，參加、主持了我國十多項科研項目，完成了100多個復雜零件快速開發(fā)，制件材料包括各種高分子[9]、鋁合金[10]、不銹鋼[11]、高溫合金[12]、鈦合金[13]，應用領(lǐng)域涉及汽車動力（發(fā)動機缸蓋、變速器殼體）[14-15]、航空（活塞式發(fā)動機、熱端葉片、二級渦輪導向器、操控手柄、黑匣子）[16-19]、磁懸浮列車（傳感變送器薄壁殼體）、摩托動力（發(fā)動機缸頭）、社區(qū)能量轉(zhuǎn)換裝備（各類燃氣葉盤、高效換熱器、復雜散熱結(jié)構(gòu)）、醫(yī)療植入體（各種鈦合金替代骨），取得了一系列成果，形成了系統(tǒng)完整的科研、開發(fā)應用技術(shù)體系[20-21]。

就我國3D打印技術(shù)研發(fā)推廣進程而言，上世紀90年代至2012年，我國科研工作主要是跟隨式研究推廣。期間，業(yè)界和文獻上廣泛以“快速成形技術(shù)”為主要稱呼，我國設(shè)備技術(shù)研制推廣應用，逐步成為國內(nèi)市場主流設(shè)備。隨著奧巴馬總統(tǒng)2013年宣布美國要靠“3D打印”等技術(shù)，使美國重返制造業(yè)強國?！?D打印”這個稱呼在公眾人物和媒體的推動下廣泛傳播。中美在制造業(yè)的前端競爭加劇，美國利用其全球市場機制優(yōu)勢，迅速完成了以3D System、HP等公司為龍頭的全球集約化整合，Google、各類風投也加大了技術(shù)初創(chuàng)型公司的投資強度，大有搶占技術(shù)創(chuàng)新、裝備量產(chǎn)、并在全球進行行業(yè)應用推廣高地之勢，國際產(chǎn)學界和標準化組織也形成了“增材制造”名稱共識，美、歐、中積極推進該領(lǐng)域技術(shù)名稱、工藝規(guī)范等相關(guān)標準的制定。近10年來我國加大了該領(lǐng)域的投入，成立了國家增材制造研究院和專業(yè)化運營公司，力推國家戰(zhàn)略層面和技術(shù)源頭創(chuàng)新，產(chǎn)生了技術(shù)源頭牽引、局部全球領(lǐng)跑，部分國際并跑，應用平民化的格局。近年來3D打印行業(yè)市場規(guī)模高速增長，我國設(shè)備開發(fā)和美國大的集約化公司立體運作相比，中高端高業(yè)化機型有距離拉大的趨勢。2019年全球和國內(nèi)的3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模分別

達到了968億美元、23.6億美元，5年間的復合增速分別達26.1%、49.1%，預計未來幾年仍將快速增長;3D打印行業(yè)逐漸從行業(yè)導入期步入了成長期。作者依據(jù)相關(guān)文獻，分析3D打印多年創(chuàng)新發(fā)展的內(nèi)部邏輯，結(jié)合最為基礎(chǔ)的3D打印產(chǎn)業(yè)鏈動態(tài)進化，提出3D打印產(chǎn)業(yè)鏈各階段的不同目標，剖析行業(yè)創(chuàng)新應用關(guān)鍵。希望對我國政財風投、產(chǎn)學研用不同部門，在3D打印創(chuàng)新開發(fā)應用投資等方面有決策參考價值。

1?3D打印產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新路徑分析

3D打印技術(shù)本質(zhì)上是基于三維數(shù)模的短路徑制造創(chuàng)新，隨著成熟技術(shù)規(guī)模化推廣，必然帶來普及型裝備、耗材成本降低、應用場景擴容。從服務評價來看，制造的質(zhì)量、成本、周期競爭力，是行業(yè)客戶選擇該技術(shù)的根本依據(jù)。規(guī)?；膽弥挥薪⒃谠O(shè)備、材料、工藝等系列的標準、規(guī)范上，才能形成穩(wěn)健的產(chǎn)業(yè)群。和傳統(tǒng)制造相比，3D打印還很年輕，近年來受到不同層級組織重視，已逐步開展這方面工作，但迄今并未形成規(guī)范完整的技術(shù)保障體系。為進一步揭示該技術(shù)創(chuàng)新、應用進化過程，根據(jù)技術(shù)內(nèi)核支撐邏輯關(guān)系，將產(chǎn)業(yè)鏈劃分為上游、中游、下游，其具體內(nèi)容如圖1所示。

1986年美國的Charles W.Hull設(shè)想利用光敏樹脂制造任意形狀的立體原型，獲得了立體光刻的技術(shù)發(fā)明專利，創(chuàng)建了3D System公司，1987年成功完成了國際首臺以激光焦斑掃描累加成形的立體光刻成形機（SLA），最早實現(xiàn)了商業(yè)化應用，由此開啟了激光制造的典范。在此基礎(chǔ)上，美國、加拿大、以色列、歐洲的科研工作者，通過改變被加工材料、層間連接方式和能源供給器件，先后發(fā)展了疊層實體（LOM）、激光選區(qū)燒結(jié)（SLS）、熔融絲材沉積（FDM）、三維粉體粘接（3DP）、靜電掩模光固化等AM工藝，構(gòu)成了中期的快速成形技術(shù)體系，形成了90年代以來手機、汽車、發(fā)動機等復雜構(gòu)型制件的支撐技術(shù)。而后，科研人員以此為基礎(chǔ)，逐步發(fā)展演繹出一百多種增材制造新工藝，加工材料也從早期的光敏樹脂發(fā)展到聚苯乙烯、PLA、PCL、PEEK等高分子原型，逐漸開展了鋁合金、不銹鋼、模具鋼、鈦合金、高溫合金等金屬制件和各種陶瓷復合制品的增材制造技術(shù)研究，不同階段先后形成了Rapid Prototyping、Rapid Tooling、RP&M和直接制造方法體系。

1.1?上游—3D打印典型前沿創(chuàng)新研究

3D打印產(chǎn)業(yè)鏈中，上游為問題驅(qū)動的科學技術(shù)研究，問題來源于人類制造面臨的重大問題和市場需求，這些研究產(chǎn)生了新方法和制造方案，屬技術(shù)源頭創(chuàng)新。問題來源須具有重大價值或公共屬性，比如探索太空帶來的軌道制造和星球原位制造問題，以及光固化領(lǐng)域制造速度競爭帶來的光固化打印速度問題。該階段的科研目標是尋找科學依據(jù)、提供切實可行的解決方案，為實現(xiàn)制造進行實驗驗證。其科研過程可以產(chǎn)生諸多成果，需要揭示新方法產(chǎn)生的工作機理、新材料開發(fā)，研究相應流程的新算法和系統(tǒng)軟件測試，進行工藝路線規(guī)劃驗證創(chuàng)新，如切實可行則可為中游和下游提供關(guān)鍵技術(shù)支撐，光固化3D打印技術(shù)的持續(xù)演化，具有典型意義。

1.1.1?光固化打印速度驅(qū)動產(chǎn)生新方法

光固化AM的科學原理是基于光敏材料聚合機理、利用精密機械和光路控制器件，在計算機精準控制下，把目標三維數(shù)模轉(zhuǎn)化為設(shè)備特定的控制代碼，實現(xiàn)材料的數(shù)字單元逐層固化累加，自動完成整個數(shù)字模型的物質(zhì)重構(gòu)。從單元技術(shù)要素上看，主要涉及光敏材料體系特性設(shè)計、光源器件性能、控光器件指標、精密機構(gòu)構(gòu)建、三維數(shù)模、系統(tǒng)軟件開發(fā)和累加機制規(guī)劃。從早期的SLA點掃描制造技術(shù)開發(fā)，成功商業(yè)化運行服務30多年來，人們最為滿意的是其高精度制造能力，最為詬病的是打印速度很慢。隨著美國TI公司控光器件-微鏡陣列（DMD）產(chǎn)生，形成了DLP面掩模商業(yè)化機型，推動了SL技術(shù)向微納制造方向發(fā)展。但宏尺度制造速度并未有顯著改善。由于光固化制造技術(shù)應用廣闊，高速光固化新方法，成為近5年《Science》報道的熱點。目前已形成點累加、面增材到體制造的完備技術(shù)體系，我們將其技術(shù)原理、科學依據(jù)與創(chuàng)新進化邏輯研究分析結(jié)果見表1。

1.1.2?人類空間探索驅(qū)動產(chǎn)生新3D打印方法

推進載人航天與空間站建設(shè)、 月球探測等計劃[30]，具備“空間制造”能力是我國長期戰(zhàn)略。實現(xiàn)大尺寸功能構(gòu)件的空間制造、月球資源利用與原位制造，對我國空間探索具有十分重要的推動作用與戰(zhàn)略意義。

根據(jù)空間探索對增材制造技術(shù)的不同需求，應用環(huán)境可以劃分為空間艙內(nèi)、在軌原位和星球基地等三種環(huán)境約束條件。艙內(nèi)制造主要圍繞微重力電子束熔絲沉積、微重力熔融沉積開展研究;在軌原位與星球基地環(huán)境下，Repair，ISFR），以及空間原位資源利用（In-Situ Resource Utilization，ISRU）開展了系統(tǒng)研究。

ISFR/ ISRU 等人圍繞空間制造技術(shù)評估、空間資源主要圍繞空間原位制造和修復（In-Situ Fabrication and利用可行性分析、地面驗證試驗等開展了系統(tǒng)研究;此外，針對混凝土擠出（Concrete Extrusion System）工藝、月壤資源利用等增材制造工藝與材料方面，國外已開展了系統(tǒng)研究。

從研究對象上看，環(huán)境特征對技術(shù)方案形成剛性約束;從技術(shù)方案上看，是將已成熟方案移植到新的環(huán)境中，解決產(chǎn)生的關(guān)鍵問題-微失重和原位資源利用，實現(xiàn)特定環(huán)境的人類需求。依據(jù)這一邏輯，可以形成諸多新的制造方法。

1.2?中游—成熟3D打印提供商業(yè)化服務創(chuàng)新

驗證成功的前沿技術(shù)成果，可以逐步形成關(guān)鍵技術(shù)突破，構(gòu)成可商業(yè)化服務的技術(shù)體系，分步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移。成熟3D打印支撐技術(shù)包括：關(guān)鍵器件、設(shè)備系統(tǒng)、原材料和工藝規(guī)范。目前成熟的打印工藝可分為直接和間接制造，直接制造是指制造原型性能可滿足客戶設(shè)計需求，比如高分子材料制件、金屬制件;間接制造是打印原型不能滿足設(shè)計材料需求時，通過先打印出各種模具，比如注塑模具、各種鑄型模具，再通過快速注塑、鑄造等方式，實現(xiàn)可打印材料向設(shè)計材料轉(zhuǎn)化（毛坯或近終形鑄件），然后通過后處理工藝完成制造。

客戶滿意度是評價技術(shù)成熟度的重要指標，而評價的關(guān)鍵涉及復雜的工業(yè)體系標準要求的控形和控性質(zhì)量指標，同時商業(yè)化運用成本控制也是決定其市場競爭-生存的關(guān)鍵因素。

1.2.1?直接制造技術(shù)服務適應性

目前能提供商業(yè)化直接制造服務的主要3D打印見表2，經(jīng)過多年進化，各種工藝關(guān)鍵器件、原材料成分、制件經(jīng)濟精度能力在表中列出。由于點、線累加層累加中，采用單頭（激光、噴頭）存在著精度越高效率越低的約束，加上匯率、原材料價格因素制約，使不同工藝應用場景在不同國度應用受到影響，中低價值機型在我國應用廣泛。目前市場上打印材料主要分為非金屬材料和金屬材料兩大類。

非金屬材料商用直接制造服務市場中，以塑料（ABS）及光敏樹脂的需求量最大，應用最廣。直接制造有機材料的主要3D打印工藝、性能特征及適用場合見表3，其中，制件質(zhì)量指標及機械性能是客戶最看重的方面，據(jù)相關(guān)報道顯示：FDM 技術(shù)制備的ABS 塑料成型試件，其拉伸強度最高約為同種材料注塑件的78.53%[31];SLA技術(shù)制備的光敏樹脂成型試件，其抗拉強度可達41.7 MPa;PA

材料拉伸強度和柔韌性較好，可經(jīng)3D打印工藝成型出具有良好機械性能的零件[32];此外，PA 材料成型件表面粗糙度不如ABS 塑料和PC 材料成型件。

金屬3D打印是近10年市場發(fā)展最快的工藝，已從設(shè)計驗證發(fā)展到工業(yè)生產(chǎn)應用，能滿足一般工程場景應用。金屬3D打印根據(jù)熔點的不同，可采用激光、電弧和電子束進行增材制造。目前能夠直接用于制造金屬零部件的主要有：SLS、SLM、EBM和激光近凈成形（Laser Engineered Net Shaping，LENS）等，從凝固原理上看，它們普遍具有快速加熱、急速冷卻特征，合金種類確定后，其組織形態(tài)類似于常規(guī)熱加工中的淬火組織，制件性能和傳統(tǒng)制造存在差異。目前較為成熟的直接打印主要采用SLM 提供制備合金成型件服務，其全指標檢測和傳統(tǒng)技術(shù)標準仍會有差異。

國內(nèi)外研究者對SLM 制備成型件的機械性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)成型件或經(jīng)過后處理，其機械性能接近或高于傳統(tǒng)制造工藝制件。表4 給出了SLM與鍛造工藝下常用鈦合金[33]、鎳基高溫合金及鋼的成型件室溫力學性能，結(jié)果表明，SLM技術(shù)成型件機械性能普遍滿足鍛件標準。

總體來看，打印原材料質(zhì)量價格，是影響直接制造服務能力的關(guān)鍵因素，隨著商業(yè)化應用的拓展，原材料需求會進一步增長，因此3D打印材料制造企業(yè)的發(fā)展前景將愈加廣闊。

1.2.2?間接制造技術(shù)現(xiàn)有標準的適應性

間接制造是采用3D打印制造出傳統(tǒng)工藝需要的模具、模樣，利用原有工藝流程，實現(xiàn)短路徑快速制造，其評價標準是傳統(tǒng)標準體系。由于材料的凝固過程遵循既定工藝條件，制件的標準適應性要優(yōu)于直接制造。3D打印制造注塑模具，形成創(chuàng)應用，打印鑄造模具、蠟樣形成快速鑄造，兩者工藝具體原理及特征見表5。

快速鑄造它利用快速成型技術(shù)打印出模具或模樣，結(jié)合鑄造的方法，給用戶提供滿足現(xiàn)有工業(yè)標準體系的合格鑄件，該技術(shù)創(chuàng)新要點在于如何制造出滿足鑄造要求的鑄型。快速鑄造生產(chǎn)零件的質(zhì)量指標分為控形和控性兩個方面，零件形狀控制由打印設(shè)備制造精度保障，控性過程比較復雜，因材料凝固過程相互耦合、互相影響，極易產(chǎn)生缺陷。開發(fā)過程中，化學成分決定了合金種類，合金不同其缺陷形成機理也有較大差別，解決方法也不相同，解決了所有缺陷問題，就實現(xiàn)了零件的快速鑄造目標。大型鑄件如殼體類一般要根除宏觀缺陷，小型鑄件如單晶葉片一般要根除微觀缺陷，這個過程有各種問題出現(xiàn)，需要專業(yè)技術(shù)人員結(jié)合工藝現(xiàn)場提供創(chuàng)造性解決方案。

1.3?下游—不同行業(yè)應用創(chuàng)新

根據(jù)《Wohlers Report 2020》，3D打印在應用領(lǐng)域上來看，目前使用最多的行業(yè)是汽車工業(yè)[21]，占比為16.4%如圖2所示。作為一項共性技術(shù)，它的高速、批量生產(chǎn)能力、低成本及環(huán)保等優(yōu)勢，不僅在醫(yī)療領(lǐng)域有著成熟應用，在航空航天、汽車工業(yè)、模具行業(yè)、綠色礦山開發(fā)、城市規(guī)劃、建筑設(shè)計、生物醫(yī)療、微納制造、珠寶設(shè)計、游戲創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域也有著廣闊的應用。

3D打印商業(yè)化運營是以技術(shù)和材料消耗向客戶提供產(chǎn)品支撐，行業(yè)應用客戶站在自己開發(fā)產(chǎn)品的角度，來評價3D打印對其貢獻，看其能否降低原有技術(shù)路線風險，因此質(zhì)量、周期、成本就成為客戶高度關(guān)注的指標?？蛻魬?D打印進行新產(chǎn)品開發(fā)，必須根據(jù)市場需求核定投資規(guī)模和產(chǎn)品定位，

客戶開發(fā)產(chǎn)品建?？梢灶A設(shè)量產(chǎn)工藝，如采用傳統(tǒng)工藝制造數(shù)模凍結(jié)后，就可以依據(jù)材料類別和需求，選擇直接制造還是間接制造，進而形成臺架實驗、設(shè)計評價，如果是汽車動力系統(tǒng)開發(fā)，通常必須經(jīng)歷“三高”測試;在有減重要求的開發(fā)中，今年針對增材和鑄造特點，形成了滿足既定載荷的拓撲優(yōu)化再設(shè)計技術(shù)，來實現(xiàn)減重目標，其創(chuàng)新關(guān)鍵是在凍結(jié)的模型基礎(chǔ)上深度再設(shè)計。

1.3.1?減重引發(fā)的—增材拓撲優(yōu)化設(shè)計創(chuàng)新

拓撲優(yōu)化是結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計的重要手段之一，但因其優(yōu)化后產(chǎn)品結(jié)構(gòu)過于復雜，使用傳統(tǒng)加工工藝難以快速制造，使其應用范圍得到了限制。

3D打印技術(shù)專注于復雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的開發(fā)制造，從而為拓撲優(yōu)化后的復雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的制備提供了新途徑，促進了拓撲優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展應用。3D打印技術(shù)與拓撲優(yōu)化技術(shù)的有機結(jié)合，使得新產(chǎn)品的開發(fā)與設(shè)計變?yōu)榛谛枨蟮脑O(shè)計而不再需要考慮加工工藝的設(shè)計，讓工程師擺脫制造工藝的約束，在“設(shè)計即產(chǎn)品”、“功能性優(yōu)先”的理念下設(shè)計輕量化、高性能產(chǎn)品，使得新產(chǎn)品達到從設(shè)計到制造的一體化的流程，從而更好地實現(xiàn)結(jié)構(gòu)高性能、輕量化以及時間短、材料利用率高等性能要求。

目前大量的產(chǎn)品設(shè)計制造案例都先使用拓撲優(yōu)化技術(shù)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，之后運用3D打印技術(shù)直接打印成型，或者與傳統(tǒng)鑄造工藝相結(jié)合，以打印后的產(chǎn)品作為鑄造用的模樣，已有很多成功案例投到實際生產(chǎn)之中。如通用汽車工程師通過Fusion 360中的拓撲優(yōu)化技術(shù)，設(shè)計了一種經(jīng)過功能優(yōu)化的新型座椅支架，可將安全帶緊固件固定在座椅上，并將座椅固定在地板上。傳統(tǒng)座椅支架是由八部分焊接而成的盒形零件，通過拓撲優(yōu)化，前后對比如圖4所示。然后選擇由不銹鋼材料通過激光燒結(jié)增材制造技術(shù)打印出的零件，相比以前的座椅支架輕了40%，堅固了20%，通過增材制造技術(shù)與拓撲優(yōu)化技術(shù)的結(jié)合，使該公司有效地制造出復雜且獨特的零部件。

快速制造技術(shù)是一個復雜的工藝過程，一般交由中游的專業(yè)商業(yè)化公司完成。它存在工藝路線多樣性，在不同材料、空間尺度零件制造時，需要選擇不同的工藝路線，合理決策才能夠滿足客戶要求。一般3D打印產(chǎn)品開發(fā)主要包含以下部分：3D數(shù)模前處理、打印預評估、系統(tǒng)仿真優(yōu)化、鑄造工藝和機加工。研究目標是分析客戶需求，從產(chǎn)品的多種技術(shù)經(jīng)濟指標中，決策最佳工藝路線（從圖3中選出）。

成本決策分析是中游服務商和客戶都很關(guān)心的問題，打印成本僅是快速制造工藝成本的一部分，工藝路徑一般有多工序構(gòu)成。目前市場上報價有兩種模式，一種是按產(chǎn)品服務程度和質(zhì)量指標，以及對標準的適用性;另一種簡單的打印報價會按照數(shù)模分析，進行質(zhì)量報價，這是普及型打印服務的主流報價模式，兩種模式的直接成本測算過程如下。

依據(jù)產(chǎn)品工藝決策，確立快速制造工序數(shù)，根據(jù)企業(yè)打印設(shè)備運行綜合成本，確定單位質(zhì)量材料成本報價，計算公式如下

C1=ni=1～n

YV×ρ×PiY

式中：C1為快速制造綜合成本;V為零件體積;ρ為打印材料密度;Pi為對應單工序質(zhì)量成本;i為復型工序號;n為快速制造總工序數(shù)。制件的技術(shù)指標可以按中游的類表2、3、4、5給出。

2?分析與討論

1）從歷史創(chuàng)新鏈形成來看，前沿開發(fā)、專業(yè)服務、行業(yè)應用逐步形成了產(chǎn)業(yè)鏈雛形。3D打印產(chǎn)業(yè)鏈，由SLA任意成形光敏樹脂的創(chuàng)意產(chǎn)生，并和LOM、FDM、SLS、3DP工藝分別構(gòu)建了自己的打印系統(tǒng)，工藝間有共用技術(shù)比如支撐切片軟件。他們通過向不同航空、航天、汽車等高端行業(yè)客戶推廣，利用市場力量推動形成了資金循環(huán)。并按照客戶使用經(jīng)驗和建議，開發(fā)升級換代機型，在機型迭代進步中催生出專業(yè)化核心技術(shù)支撐公司。例如美國光譜物理的激光器、德國SCANLAB掃描振鏡、汽巴公司的專業(yè)材料、Materialise公司Magics軟件、美國TI公司的DMD控光器件，它們向成形系統(tǒng)廠商提供關(guān)鍵器件、專業(yè)材料、系統(tǒng)軟件服務;系統(tǒng)廠商通過集成源頭技術(shù)專注于設(shè)備、工藝和應用研究，進一步向不同行業(yè)推廣，形成了多行業(yè)產(chǎn)品開發(fā)應用案例庫。

這是2013年前國內(nèi)外3D行業(yè)運行的基本特征，這種模式由客戶痛點市場驅(qū)動，形成了全球產(chǎn)業(yè)生態(tài)，呈現(xiàn)出原生產(chǎn)業(yè)鏈雛形。產(chǎn)業(yè)中有關(guān)鍵材料技術(shù)的開發(fā)者、運營服務的集成商和不同行業(yè)的使用者等三個群體。該階段由于市場容量小，打印材料開發(fā)力度不大，應用場景受到限制，但形成了以當時典型成型技術(shù)為主體，以解決客戶痛點為目標，逐步構(gòu)建出Rapid Tooling、RP&M和快速鑄造技術(shù)服務體系。其間，國外專業(yè)化公司隨著業(yè)務量的擴容，股權(quán)交易帶來控股方年度變動，但技術(shù)開發(fā)、設(shè)備迭代升級幾乎每年都有新品推出;國內(nèi)證券市場僅是拿3D打印概念引導股民投資個股，以隆源科技為例，資本-產(chǎn)業(yè)-應用生態(tài)圈很并未形成良性循環(huán)。

2）2013年奧巴馬的國情咨文，使原本屬于小領(lǐng)域的快速成形技術(shù)行業(yè)，瞬間通過“3D打印”被普及到全球的眾多行業(yè)，成為公眾信息，引起廣泛關(guān)注。由此帶來普及型打印設(shè)備、原材料規(guī)?；a(chǎn)，電商市場快速擴容，市場競爭加劇的后果是：傳統(tǒng)經(jīng)典工藝、機型和原材料急劇下跌，比如傳統(tǒng)FDM專業(yè)機型由原來10多萬驟降至簡化版的2千多元，各類原材料種類增加迅速，價格更加平民化。但由于價格低廉并不包含專業(yè)化的技術(shù)服務，由于其專業(yè)性強、想全面發(fā)揮3D打印優(yōu)勢，對非專業(yè)人士而言還需要突破許多瓶頸。

由此，3D打印開啟了歷史上最好的黃金發(fā)展時期。對于專業(yè)人士，上游的前沿創(chuàng)新層出不窮，新方法學科交叉跨度越來越大。如果說前期快速成形服務是以解決工業(yè)客戶產(chǎn)品開發(fā)痛點為目標，現(xiàn)代的太空探索則是以解決人類長期生存為目標：月壤原位制造人類生存構(gòu)筑物、在軌宇航器維修器件、星球往返，這些都給科研工作者帶來巨大挑戰(zhàn)和機遇，將來形成的源頭技術(shù)會逐步向中下游轉(zhuǎn)移，可以預見，基于科學的方法創(chuàng)新必將會創(chuàng)造新的市場需求應用。

3）產(chǎn)業(yè)鏈中游是向下游輸送設(shè)備、材料技術(shù)的提供者，目前已按客戶投資目標進行設(shè)備分類開發(fā)，進入市場細分階段，產(chǎn)業(yè)鏈形態(tài)逐步健全。目前市場大致可分為：創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)打樣群體、行業(yè)客戶技術(shù)方案提供商、醫(yī)療打印服務商、工礦企業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)商、消費領(lǐng)域開發(fā)，航空航天、汽車工業(yè)、學術(shù)教育機構(gòu)、普及型客戶等應用群體，這些下游市場需求引發(fā)了設(shè)備材料的規(guī)?；a(chǎn)，使產(chǎn)業(yè)形態(tài)更為多樣化，這種市場推動的技術(shù)進步、產(chǎn)業(yè)應用、設(shè)備迭代、資金循環(huán)，商業(yè)化運營，會進一步推動3打印全產(chǎn)業(yè)鏈市場擴容，使增材制造技術(shù)逐步普及。

近年來中美歐都制定了3D打印技術(shù)路線圖，由于技術(shù)迭代中關(guān)鍵器件、材料、服務已形成全球優(yōu)勢技術(shù)合作趨勢。2018年美國特朗普政府開啟的無底線保護“美國第一”政策，已連續(xù)兩年深度打擊華為公司，如果在3D打印產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域采取同樣措施，那么支撐面成型的控光器件DMD、高端紫外和臭氧的檢測系統(tǒng)、高端三維造型系統(tǒng)、控制芯片，在國內(nèi)短期還無法完全替代。新冠疫情也會重創(chuàng)產(chǎn)業(yè)生態(tài)，從產(chǎn)業(yè)運行安全來講，應積極籌劃“備胎”，

采取必要的安全保障措施。

4）文中按鏈式創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)鏈融合現(xiàn)狀，劃分的上中下游，提出了各階段的科研問題來源、主要任務、研究目標與創(chuàng)新科學依據(jù)、商業(yè)化路徑和行業(yè)新品開發(fā)流程，測試數(shù)據(jù)具有樣本意義。作者希望對技術(shù)的不同參與者有所啟迪，其中新產(chǎn)品開發(fā)中，基于快速鑄造的拓撲優(yōu)化技術(shù)，會形成企業(yè)專利私權(quán)、大力提升復雜結(jié)構(gòu)新產(chǎn)品的市場競爭力，建議針對產(chǎn)業(yè)痛點，積極開展專業(yè)化合作協(xié)同，才能在行業(yè)中形成核心競爭力。

3?結(jié)語

3D打印目前存在新技術(shù)方法研究、商業(yè)服務、行業(yè)應用3大類，它們之間存在著核心技術(shù)輸送關(guān)系，各類內(nèi)部又有技術(shù)要素的迭代進化，同時會拓延到相鄰的上下游環(huán)節(jié)。前沿技術(shù)源頭創(chuàng)新具有大學科交叉特征，商業(yè)服務要求保障設(shè)備工藝能力的可靠性和穩(wěn)定性，行業(yè)應用關(guān)鍵是用3D打印新方法解決傳統(tǒng)開發(fā)高風險的老問題，一般需要通過多項指標評價進行決策，最高層次的應用創(chuàng)新是構(gòu)建新的設(shè)計方案。

3D打印作為國家2025戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)布局，如何利用資本市場推動形成全球產(chǎn)業(yè)核心競爭能力，是我國政產(chǎn)投和科教研共同課題。

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（責任編輯：王?強）