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3D打印思维与实践
2018/5/3

宗贵升
(北京三帝打印科技有限公司,北京 100081)

摘要:3D打印思维是在第三次工业革命和中国制造2025的环境中,在3D打印技术和应用不断发展的背景下,对产品设计、研发、制造、销售、物流、维修,乃至企业价值链进行重新审视的思考方式。其涵盖了自由设计思维、大批定制思维、集成部件思维、技术补充思维、需求激活思维、平台服务思维、协同创新思维七个方面。
关键词:3D打印;3D打印思维;中国制造2025;3D打印应用

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

作者简介:宗贵升(1960—),男,美国德克萨斯大学材料科学与工程博士,专攻3D打印研究。

  3D打印是增材制造技术的俗称,ASTM组织对增材制造技术的标准定义是:“一种相对于减材制造,通过层层连接材料,直接立体成型三维物体的过程。”其具有无模具成型、复杂结构成型、一体化成型、提升产品结构优化、节约制造材料、加速产品入市时间、个性化设计与制造、分布式制造等优势。
  近年来,3D打印行业发展迅猛,以年均约30%的速度在增长[1]。相较技术与业务的增长,媒体的关注度大幅提升,甚至有些过热。但事实上3D打印并不是神器,仍有很多需要改进之处;同时,3D打印更不是泡沫,应该引起各方面的关注。
  在全球制造业挑战不断升级的今天,制造业比以往任何时期都变化得快。全球制造业国家纷纷出台了各自的竞争策略:美国奥巴马政府将3D打印列为刺激制造业回流、加速美国经济增长的重要“武器”;德国“工业4.0”战略支持工业领域新一代革命性技术的研发与创新;中国的《国家增材制造产业发展推进计划(2015—2016年)》提出至2016年初步建立较为完善的增材制造产业体系,产业销售收入实现年均增长30%以上,航空航天等直接制造领域达到国际先进水平等目标[1]。
  为了在竞争中不败,我们要提高效率、缩短产品入市的时间,并增强灵活性,这些需求推动了智能制造的发展[1]。3D打印是智能制造的核心技术之一,是工业制造的高效化手段。3D打印的突破性发展,不仅要靠技术的进步,更需要一批有3D打印思维的人群。
3D打印思维是在第三次工业革命和中国制造2025的环境中,在3D打印技术和应用不断发展的背景下,对产品设计、研发、制造、销售、物流、维修,乃至企业价值链进行重新审视的思考方式。其涵盖了自由设计思维、大批定制思维、集成部件思维、技术补充思维、需求激活思维、平台服务思维、协同创新思维七个层面:

自由设计思维

  是3D打印思维的核心。其他思维都是围绕自由设计思维在不同层面的展开。自由设计思维指设计可以不考虑制造是否能实现,可以突破传统设计的限制,设计非常复杂的零部件。
概念化设计——比如3D打印技术被广泛应用于概念汽车的设计,将成为支撑未来定制化、高性能汽车设计与制造发展的重要技术。德国独立汽车设计公司EDAG设计的概念车Light Cocoon(图1),采用3D打印外壳,其特殊的材料不仅具有“仿生学优化的车身结构”和“防风雨纺织品外壳”,而且还轻如尘埃。

 
图1  采用3D打印外壳的概念车[3]

  数字化建造——其核心包含了BIM(建筑信息模型)、3D打印和工厂化建造。其中,3D打印建造能大幅降低人工和建造成本、大幅减少工序(由打印机自动完成)、缩短工期、提高效益、节能减排。如英国伦敦的Softkill Design建筑设计工作室首次建立了一个3D打印房屋概念(图2),它并非采用固体墙壁建造,而是在骨骼基础上建造纤维尼龙结构。还有一些新闻报道的3D打印建筑,实质上是3D打印预制块,或者3D打印在建筑内装、外装上的应用。

 
图2  3D打印房屋概念[4]

创意家居——3D打印大大提高了家居制造业的效率和灵活性,设计成本和周期都将有效减少,满足了新时代消费者个性化定制的需求。定制的、个性化的家居产品将替代现在千篇一律的流水线成品,成为未来的主流。现代设计师已经利用3D打印技术打造出了ABS塑料及金属不锈钢材质的桌椅家具、家具装饰用品等。其造型新颖奇特,外观华丽,极具观赏性(图3)。

   
图3  3D打印家具[5]

大批定制思维

  是关于3D打印核心竞争力的思维。大批的定制个性化产品使得机械化流水线生产困难,呼唤智能制造/3D打印。生产多品种、小同质批量3D打印有快速、低成本的优势。
航空航天——全球最大的航空航天业公司波音公司的飞机上使用了约300种超20000件不同的3D打印零部件;中国首款国产大飞机C919的主风挡窗框、中央翼缘条等为3D打印制造。
汽车——美国通用汽车公司的快速成型部门大量采用SLS和SLA 3D打印技术进行产品开发,已经打印超过2万个零部件的验证模型;北京隆源成型运用“SLS蜡模+熔模铸造”间接金属3D成型制造小批量汽车零部件(图4)。

  
图4 北京隆源成型汽车变速器壳体快速铸造

  医疗——全球已有20+植入物获得美国FDA证;超过10万个性化髋臼,50%已成功植入人体;Align Technologies每年采用3D打印间接生产1700万套牙科隐形矫形器;全球每年EOS设备生产金属牙科桥冠达500万个。

集成部件思维

  是减轻、性能提升(接近理论设计)、创新的重要思维,是关于3D打印的产品和市场定位的思维。3D打印使得零部件高度集成成为可能。不仅是机械叠加,类比集成电路,许多老产品用集成部件思维来重新设计会产生质的飞跃。
GE公司量产3D打印的航空喷油嘴(计划2015年产30000个),实现了原18个装配件一体成型,重量减少25%,寿命是传统件的5倍;美国Local Motors公司发布的3D打印电动车Strati(图5),车架、车身、座椅、中控台、仪表盘、发动机罩均为3D打印,只有40个零部件(传统汽车零部件超过2万个),打印、组装零部件共花44个小时,碳纤维增强热塑性塑料材料打印。3D打印汽车应用也将趋向于点阵、中空、一体化等轻量化设计与制造。

 
图5  3D打印电动车Strati[6]

技术补充思维

  是关于创新兼容的思维。即要认识到信息与通讯技术(ICT)的发展和应用,特别是ICT技术和制造业的结合,就产生了智能制造。3D打印是智能制造的核心技术之一,它是工业革命中的“将军”,有不可替代的功能[2]。无论多么复杂的3D设计都能制造出来。但3D打印是一个有效的补充工具,而非替代工具。
走进将来的智能制造工厂,我们可以看到连接、恒开、智能、软件和数据控制的各种独立设备(如3D打印),机器对机器和机器对产品的沟通全部与人互动,物联网触发并提供用于决策的信息和数据(如产品告诉钻床要钻多深),实时处理和传送信息,工作人员可自己或团体作出决策(社会团体决策),整个产业生态系统会产生深刻的变化[2]。
如果不改变规则、要求和期望,3D打印跟传统制造比有许多缺陷,所以不能用来替代传统的成熟制造方法。如果改变规则、要求和目标,把3D打印作为另一种制造方法,增量发展,3D打印将带来设计、制造的新纪元。

激活需求思维

  是关于需求拉动市场和技术发展的思维。目前国内几大研究基地基本都在学校和国企,源于大多是国家项目激活的需求,主要在航天航空、武器装备等领域。3D打印的发展需要进一步在其它领域激活需求,拉动市场和推动技术进展。
食品3D打印——巧克力3D打印机(图6),巧克力的形状、图案、口味可根据喜好选择;糖果3D打印机,运用糖粉末逐层堆积结晶的原理,可打印多口味的彩色糖果;运用分子食物技术原理的水果3D打印机、软质食物3D打印机等。

 
图6  万物打印巧克力3D打印机

  安全带扣减重——传统商用飞机上看似不起眼却关系着生命安全的飞机安全带扣,单位重量为120-155g。在不降低强度的情况下,3D打印的钛合金飞机安全扣单位重量则可下降到68g。一架商用飞机最多可有850个安全带扣,若全部采用3D打印,则飞机的总重最多可减少70 kg以上。

平台服务思维

  是关于商业模式、组织形态的思维。即以服务为切入口,搭建3D打印服务云平台,成为设计师和用户之间的桥梁,提供面向工业企业及消费类领域的3D打印服务。在这一平台之上,用户可以快速地将自己的设计与创意打印成型,从而突破传统工业制造的局限,以需求来推动制造,以制造来满足个性化生活需求。通过云制造,优化供应链模式。
如万物打印(www.wanwudayin.com)服务平台(图7)。其实现了如下价值创造:独特的软件技术大幅简化了3D建模过程,降低了准入门槛,跳过了原先需要专业设计师的环节,使得大众皆能参与3D打印;使3D打印成为服务而非货品,使得消费者不必购买3D打印机也能参与其中;提供高性价比的3D打印机,使该项技术普及化,进入千家万户;给设计师提供了售卖版权的收入;给实体店提供了服务性收入;提供高度定制化的产品,例如高级玩具、无人机零部件、机器人部件制造,减少中间环节,降低终端消费者的成本。
 
 
图7   万物打印网页截图

协同创新思维

  是关于产业边界和创新的思维。是以知识增值为核心,企业、政府、知识生产机构(大学、研究机构)、中介机构和用户等为了实现3D打印重大科技创新而开展的大跨度整合的创新组织模式。3D打印技术和应用行业综合协调要求比较高,为了实现重大科技创新,必须协同研发、创新,加速技术推广应用和产业化。
目前采用开放式创新的公司主要产品都是直接面向消费者的。工业型公司、其它公司对这个概念的应用也存在着巨大的潜力。比如国千科技研究院,其通过汇集3D打印多研究领域的“千人计划”专家,从而形成团队力量,促进专家之间、专家与政府、企业及其他研究团队之间的交流合作,加快工业制造转型升级,促进创新战略发展。以3D打印产品开发为例,可利用开放式创新和数字化协作平台来加快创新,当然同时也会面临寻找合适资源和知识产权保护等问题的挑战。

结语

  3D打印创造了全新的生产各种形状和尺寸物品的能力,使工程师能够设计出之前实现不了的更加复杂的产品,其具有改变整个生产行业的巨大潜力,有望成为中国高端制造业的重点环节,促进中国制造业升级。面向未来,应用3D打印思维来设计、制造、销售产品,拥抱智能制造,推动企业转型升级。    

参考文献:
[1] 宗贵升.宗贵升:实现智能制造,平台化运作将成核心[J].千人,2015,39:32-34.
[2] 宗贵升.宗贵升:3D打印思维[J].中国科技信息,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:本文刊发于2015年12月,《粉末冶金工业》】

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