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3D打印思維與實踐
2018/5/3

宗貴升
(北京三帝打印科技有限公司,北京 100081)

摘要:3D打印思維是在第三次工業革命和中國制造2025的環境中,在3D打印技術和應用不斷發展的背景下,對產品設計、研發、制造、銷售、物流、維修,乃至企業價值鏈進行重新審視的思考方式。其涵蓋了自由設計思維、大批定制思維、集成部件思維、技術補充思維、需求激活思維、平臺服務思維、協同創新思維七個方面。
關鍵詞:3D打印;3D打印思維;中國制造2025;3D打印應用

3D Printing Is Changing the Way We Think
Garrison ZONG
(3DP Technology Inc., Beijing 100081,China)

Abstract: In the third industrial revolution and the "Made in China 2025" plan environment and with strong 3D Printing technology and application development, 3D Printing is changing the way we think, including but not limited our thinking in the product design, research and development, manufacturing, sales, logistics, maintenance, and even the enterprise value chain. This paper discuss seven thinking changes including free design, massive customized manufacturing, mechanical integration, technology complement, market driven, service platform, and collaborative innovation.
Key words:3D Printing; 3D Printing Thinking; "Made in China 2025" Plan; 3D Printing Application

作者簡介:宗貴升(1960—),男,美國德克薩斯大學材料科學與工程博士,專攻3D打印研究。

  3D打印是增材制造技術的俗稱,ASTM組織對增材制造技術的標準定義是:“一種相對于減材制造,通過層層連接材料,直接立體成型三維物體的過程。”其具有無模具成型、復雜結構成型、一體化成型、提升產品結構優化、節約制造材料、加速產品入市時間、個性化設計與制造、分布式制造等優勢。
  近年來,3D打印行業發展迅猛,以年均約30%的速度在增長[1]。相較技術與業務的增長,媒體的關注度大幅提升,甚至有些過熱。但事實上3D打印并不是神器,仍有很多需要改進之處;同時,3D打印更不是泡沫,應該引起各方面的關注。
  在全球制造業挑戰不斷升級的今天,制造業比以往任何時期都變化得快。全球制造業國家紛紛出臺了各自的競爭策略:美國奧巴馬政府將3D打印列為刺激制造業回流、加速美國經濟增長的重要“武器”;德國“工業4.0”戰略支持工業領域新一代革命性技術的研發與創新;中國的《國家增材制造產業發展推進計劃(2015—2016年)》提出至2016年初步建立較為完善的增材制造產業體系,產業銷售收入實現年均增長30%以上,航空航天等直接制造領域達到國際先進水平等目標[1]。
  為了在競爭中不敗,我們要提高效率、縮短產品入市的時間,并增強靈活性,這些需求推動了智能制造的發展[1]。3D打印是智能制造的核心技術之一,是工業制造的高效化手段。3D打印的突破性發展,不僅要靠技術的進步,更需要一批有3D打印思維的人群。
3D打印思維是在第三次工業革命和中國制造2025的環境中,在3D打印技術和應用不斷發展的背景下,對產品設計、研發、制造、銷售、物流、維修,乃至企業價值鏈進行重新審視的思考方式。其涵蓋了自由設計思維、大批定制思維、集成部件思維、技術補充思維、需求激活思維、平臺服務思維、協同創新思維七個層面:

自由設計思維

  是3D打印思維的核心。其他思維都是圍繞自由設計思維在不同層面的展開。自由設計思維指設計可以不考慮制造是否能實現,可以突破傳統設計的限制,設計非常復雜的零部件。
概念化設計——比如3D打印技術被廣泛應用于概念汽車的設計,將成為支撐未來定制化、高性能汽車設計與制造發展的重要技術。德國獨立汽車設計公司EDAG設計的概念車Light Cocoon(圖1),采用3D打印外殼,其特殊的材料不僅具有“仿生學優化的車身結構”和“防風雨紡織品外殼”,而且還輕如塵埃。

 
圖1  采用3D打印外殼的概念車[3]

  數字化建造——其核心包含了BIM(建筑信息模型)、3D打印和工廠化建造。其中,3D打印建造能大幅降低人工和建造成本、大幅減少工序(由打印機自動完成)、縮短工期、提高效益、節能減排。如英國倫敦的Softkill Design建筑設計工作室首次建立了一個3D打印房屋概念(圖2),它并非采用固體墻壁建造,而是在骨骼基礎上建造纖維尼龍結構。還有一些新聞報道的3D打印建筑,實質上是3D打印預制塊,或者3D打印在建筑內裝、外裝上的應用。

 
圖2  3D打印房屋概念[4]

創意家居——3D打印大大提高了家居制造業的效率和靈活性,設計成本和周期都將有效減少,滿足了新時代消費者個性化定制的需求。定制的、個性化的家居產品將替代現在千篇一律的流水線成品,成為未來的主流。現代設計師已經利用3D打印技術打造出了ABS塑料及金屬不銹鋼材質的桌椅家具、家具裝飾用品等。其造型新穎奇特,外觀華麗,極具觀賞性(圖3)。

   
圖3  3D打印家具[5]

大批定制思維

  是關于3D打印核心競爭力的思維。大批的定制個性化產品使得機械化流水線生產困難,呼喚智能制造/3D打印。生產多品種、小同質批量3D打印有快速、低成本的優勢。
航空航天——全球最大的航空航天業公司波音公司的飛機上使用了約300種超20000件不同的3D打印零部件;中國首款國產大飛機C919的主風擋窗框、中央翼緣條等為3D打印制造。
汽車——美國通用汽車公司的快速成型部門大量采用SLS和SLA 3D打印技術進行產品開發,已經打印超過2萬個零部件的驗證模型;北京隆源成型運用“SLS蠟模+熔模鑄造”間接金屬3D成型制造小批量汽車零部件(圖4)。

  
圖4 北京隆源成型汽車變速器殼體快速鑄造

  醫療——全球已有20+植入物獲得美國FDA證;超過10萬個性化髖臼,50%已成功植入人體;Align Technologies每年采用3D打印間接生產1700萬套牙科隱形矯形器;全球每年EOS設備生產金屬牙科橋冠達500萬個。

集成部件思維

  是減輕、性能提升(接近理論設計)、創新的重要思維,是關于3D打印的產品和市場定位的思維。3D打印使得零部件高度集成成為可能。不僅是機械疊加,類比集成電路,許多老產品用集成部件思維來重新設計會產生質的飛躍。
GE公司量產3D打印的航空噴油嘴(計劃2015年產30000個),實現了原18個裝配件一體成型,重量減少25%,壽命是傳統件的5倍;美國Local Motors公司發布的3D打印電動車Strati(圖5),車架、車身、座椅、中控臺、儀表盤、發動機罩均為3D打印,只有40個零部件(傳統汽車零部件超過2萬個),打印、組裝零部件共花44個小時,碳纖維增強熱塑性塑料材料打印。3D打印汽車應用也將趨向于點陣、中空、一體化等輕量化設計與制造。

 
圖5  3D打印電動車Strati[6]

技術補充思維

  是關于創新兼容的思維。即要認識到信息與通訊技術(ICT)的發展和應用,特別是ICT技術和制造業的結合,就產生了智能制造。3D打印是智能制造的核心技術之一,它是工業革命中的“將軍”,有不可替代的功能[2]。無論多么復雜的3D設計都能制造出來。但3D打印是一個有效的補充工具,而非替代工具。
走進將來的智能制造工廠,我們可以看到連接、恒開、智能、軟件和數據控制的各種獨立設備(如3D打印),機器對機器和機器對產品的溝通全部與人互動,物聯網觸發并提供用于決策的信息和數據(如產品告訴鉆床要鉆多深),實時處理和傳送信息,工作人員可自己或團體作出決策(社會團體決策),整個產業生態系統會產生深刻的變化[2]。
如果不改變規則、要求和期望,3D打印跟傳統制造比有許多缺陷,所以不能用來替代傳統的成熟制造方法。如果改變規則、要求和目標,把3D打印作為另一種制造方法,增量發展,3D打印將帶來設計、制造的新紀元。

激活需求思維

  是關于需求拉動市場和技術發展的思維。目前國內幾大研究基地基本都在學校和國企,源于大多是國家項目激活的需求,主要在航天航空、武器裝備等領域。3D打印的發展需要進一步在其它領域激活需求,拉動市場和推動技術進展。
食品3D打印——巧克力3D打印機(圖6),巧克力的形狀、圖案、口味可根據喜好選擇;糖果3D打印機,運用糖粉末逐層堆積結晶的原理,可打印多口味的彩色糖果;運用分子食物技術原理的水果3D打印機、軟質食物3D打印機等。

 
圖6  萬物打印巧克力3D打印機

  安全帶扣減重——傳統商用飛機上看似不起眼卻關系著生命安全的飛機安全帶扣,單位重量為120-155g。在不降低強度的情況下,3D打印的鈦合金飛機安全扣單位重量則可下降到68g。一架商用飛機最多可有850個安全帶扣,若全部采用3D打印,則飛機的總重最多可減少70 kg以上。

平臺服務思維

  是關于商業模式、組織形態的思維。即以服務為切入口,搭建3D打印服務云平臺,成為設計師和用戶之間的橋梁,提供面向工業企業及消費類領域的3D打印服務。在這一平臺之上,用戶可以快速地將自己的設計與創意打印成型,從而突破傳統工業制造的局限,以需求來推動制造,以制造來滿足個性化生活需求。通過云制造,優化供應鏈模式。
如萬物打印(www.wanwudayin.com)服務平臺(圖7)。其實現了如下價值創造:獨特的軟件技術大幅簡化了3D建模過程,降低了準入門檻,跳過了原先需要專業設計師的環節,使得大眾皆能參與3D打印;使3D打印成為服務而非貨品,使得消費者不必購買3D打印機也能參與其中;提供高性價比的3D打印機,使該項技術普及化,進入千家萬戶;給設計師提供了售賣版權的收入;給實體店提供了服務性收入;提供高度定制化的產品,例如高級玩具、無人機零部件、機器人部件制造,減少中間環節,降低終端消費者的成本。
 
 
圖7   萬物打印網頁截圖

協同創新思維

  是關于產業邊界和創新的思維。是以知識增值為核心,企業、政府、知識生產機構(大學、研究機構)、中介機構和用戶等為了實現3D打印重大科技創新而開展的大跨度整合的創新組織模式。3D打印技術和應用行業綜合協調要求比較高,為了實現重大科技創新,必須協同研發、創新,加速技術推廣應用和產業化。
目前采用開放式創新的公司主要產品都是直接面向消費者的。工業型公司、其它公司對這個概念的應用也存在著巨大的潛力。比如國千科技研究院,其通過匯集3D打印多研究領域的“千人計劃”專家,從而形成團隊力量,促進專家之間、專家與政府、企業及其他研究團隊之間的交流合作,加快工業制造轉型升級,促進創新戰略發展。以3D打印產品開發為例,可利用開放式創新和數字化協作平臺來加快創新,當然同時也會面臨尋找合適資源和知識產權保護等問題的挑戰。

結語

  3D打印創造了全新的生產各種形狀和尺寸物品的能力,使工程師能夠設計出之前實現不了的更加復雜的產品,其具有改變整個生產行業的巨大潛力,有望成為中國高端制造業的重點環節,促進中國制造業升級。面向未來,應用3D打印思維來設計、制造、銷售產品,擁抱智能制造,推動企業轉型升級。    

參考文獻:
[1] 宗貴升.宗貴升:實現智能制造,平臺化運作將成核心[J].千人,2015,39:32-34.
[2] 宗貴升.宗貴升:3D打印思維[J].中國科技信息,2015,515:6-10.
[3] Bridget Butler Millsaps.The Light Cocoon: EDAG Unveils Second 3D Printed Concept Car Inspired by Leaves[EB/OL].(2014-12-12)[2015-10-22]. http://3dprint.com/30561/light-cocoon-edag-concept-car.
[4] Amy Frearson. 3D printed houses are"not that far off"[EB/OL]. (2013-02-13)[2015-10-22].http://www.dezeen.com/2013/02/13/softkill-design-on-3d-printed-houses.
[5] 3ders.org. Francis Bitonti's collections: Integrating 3D printing into architectural design[EB/OL]. (2013-01-06)[2015-10-22]. http://www.3ders.org/articles/20130106-francis-bitonti-collections-integrating-3d-printing-into-architectural-design.html.
[6] Brian Krassenstein. Local Motors to 3D Print a Second Strati Car This Week, Two Days Faster Than the First[EB/OL]. (2014-11-03)[2015-10-22]. http://3dprint.com/22534/strati-3d-print-car.

【注:本文刊發于2015年12月,《粉末冶金工業》】

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