从3D打印技术到工业4.0的路径探索

陈歆研

摘要：作为一种快速成型工艺，3D打印技术必定会给未来制造业带来革命性的变革；一方面，传统制造业的规则将被彻底改变，另一方面，产品结构与造型的设计和评价方式亦被改写。但是，当前很多学者在看待这一新技术时往往片面强调个性解放、设计民主化，并相信这些是颠覆传统制造业的内在动力。但笔者认为，虽然传统工业模式必将改变，但其内在动力并不是消费者个性表达的泛在化，而是由制造方式及协作方式的转变所驱动的，3D打印技术是实现工业4.0的技术路径之一。

关键词：3D打印技术；产品设计；工业4.0；产业协作

中图分类号：F416文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）10（a）-0000-00

3D打印也被称为快速成型技术，快速成型是指对产品最终形态的一次性成型，但是在小批量制造领域其速度其实并不快，这也是当代3D打印技术尚未突破的难点。同时，3D打印技术是以增材方式完成制造，这一原理天然决定了这一技术对材料的节省。从德国工业4.0的精神来看，智能制造、绿色制造，泛在制造是其关键点，那么3D打印技术完全可契合智能制造与绿色制造的精神。

1 传统工业体系下的产品平衡态理论

传统的产品设计是建立在工业革命以来所形成的大批量生产方式之上的。为了创造更多利润，大规模生产成为一个必然选择，制造方必须生产能被大多数人所接受的产品，满足大众化需求。虽然传统工业模式并不尽如人意，但是在很长的时间周期中，每种按照批量生产法则而设计的产品都已经形成了一个自在演化的生态圈，并达到了一种难以轻易颠覆的平衡。以汽车为例，一部基于燃油动力的、以传统工业生产方式生产的汽车，必须同时满足多种条件的达成，才能成为一部合格的汽车。比如发动机的布置必须满足安全和稳定性；驾驶舱在遮蔽风雨的同时又必须可承受一定强度的撞击；车门开启的方式既要满足方便性还不能破坏车身力学结构；每个部件既要满足功能又要能够被批量制造等等，汽车之所以成为今天的形态，是经过漫长演化而得到的平衡状态。在各种目标的互相冲突中，产品形式不断演化和妥协，达到了一种平衡。因此，在工业设计行业里常常提及的关键能力，是要求设计师能更准确的理解产品。事实上这种理解力的对象，就是产品的平衡状态，新的设计方案一定要达成一种新的平衡状态，才具有“产品——商品”的价值，这就是所谓产品平衡态理论。

2 基于3D打印技术构建产品新平衡态的机会

过去，产品设计难以在每个项目上都获得极具创新的突破，就是因为不容易打破旧系统去建立新的平衡态。而3D打印技术的出现，就在很多产品领域为我们提供了构建新平衡态的机遇。

2.1达成特殊功能的全新平衡态

航天发动机的尾推管，管体内有许多热交换流道。在过去的设计中，由于制造技术的制约使很多优化想法无法实现。而采用3D打印技术及可以把内部流道直接打印出来，实现最优的热交换。同理，应用3D打印技术也可打印出多级叶轮、战机的隔栅板。隔栅板最初的设计是平面型的，且需加工很多均匀小孔。按照优化设计的思想，格栅板零件应是曲面型及弯曲的。传统工业手段几乎难以实现这种形态，只有用3D打印技术可以实现。所以，3D打印技术的出现极大地改变了飞机设计的思路。

2.2基于3D打印成型方式创造复杂结构的全新平衡态

3D打印使复杂的产品结构成为可能，同时产品结构设计的一体化趋势逐渐呈现。传统生产工艺中产品多由若干部件组装构成主体结构，而组装结构有时候会增加复杂度和故障率，生产和装配过程也会额外大量材料及能源。而3D打印的“增材”制造可以带来一体化结构，使产品变得简单，特殊结构就不需要再组装，既提高了效率，也提高了结构强度和可靠性。比如SLM（金属激光烧结技术），是用激光有选择分层烧结金属粉末，使烧结成形的固化层叠加生成所需形状，得到近乎致密的金属零件。飞机的一些关键部件是由钛合金加工而成，运用SLM技术，既可实现复杂结构的部件，又可实现结构性的最优化强度，同时还降低了制造成本。

3 3D打印对实现工业4.0的作用

3.1 3D打印技术的结构性局限

今天，互联网技术促使社会协作开始转型，小型组织的崛起以及分布式的设计行为似乎成为必然趋势。很多人认为在互联网时代出现的长尾模式可以满足过去难以被满足的小众化需求，这是基本准确的。但是3D打印让设计者同时成为制造者，并将其视为泛在制造的体现，笔者就不敢认同了。工业4.0如果是让人们退回到前工业化时代的协作方式，那就是历史的倒退。

3D打印技术虽然可以带来新的设计机遇，但是很多产品的平衡态都需要系统化解决，这个是单独依靠一个3D打印技术所解决不了的。例如制造一部手机，3D打印机可以打印个性化的外壳，甚至利用全新材料制造屏幕，但依然无法解决芯片级的制造和不同化工原材料的电气化集成。一个高度系统化的产品，其平衡态也必须依靠系统化手段才能达成。3D打印技术只是在设计层面开辟了机遇，但不能成为构建新系统的唯一手段。个体设计行为可以越来越多，但个体制造的大量涌现，基本不会出现。

3.2 未来制造模式

3D打印技术一定会促进未来的制造模式发生改变，但它不会是分布式的，而是进一步的集约化。人类从工业化大生产中获得的最大收益是学会分工与协作。只有进一步的分工，才会解放人类对物质数量的依赖。在未来，最合理的发展路径是所有工厂都变成柔性制造商，而且彻底与设计、研发、销售相剥离。当3D打印及工业机器人等技术日趋成熟，未来工厂也将不再是劳动密集型产业，而彻底成为依靠自动化和数据化驱动的柔性、智能的制造工厂，制造成为其唯一职能。其客户可能是各种各样的中小型研发团体、设计组织及个人，按需制造特定数量的产品或部件。在工业4.0应有的模式中，3D打印技术的最大作用，就是促进传统工厂全面转型为智能工厂的技术基础。

3.3 设计主体与制造主体之间的关系

基于互联网时代日益发达的信息化基础设施，人们更容易连接、分享、发布，这样就带来了更低成本的社会化协作。当大量小众需求通过众筹、微信等这类平台表达，分布式设计行为就已经诞生了，这就是所谓长尾理论。但是如果集约化、智能化的制造主体还未形成，工业4.0则不会彻底出现。在未来，一旦智能工厂开始涌现，设计和制造将彻底分离。设计主体是随机分布的，不受地域限制的。但制造主体更集约化，只是体力工作者变少而设备居多，与物流通路的依存更紧密。两者的沟通可以变成全面的远程化，设计者可能在国外，但产品制造产地可能就在身边。3D打印技术的真正成熟，可能就是壓倒传统工业这片多米诺骨牌的最后一根稻草。

4 结语

德国工业4.0的构想向我们揭示了未来趋势，而3D打印技术将可能激活这个未来。3D打印带给我们新的结构、形态设计的可能，带来产品的新平衡态，它也是人类新协作模式的窗口，成为工业4.0的核心驱动力。

参考文献：

[1]（美）克里斯 安德森，《长尾理论》，中信出版社[M]，2006 年12月第一版

[2] 邵宇. 3D 打印技术的发展与产品设计民主化[J].工业设计，2013（05）.

[3] 孙娜，栾瑞雪.3D打印对工业设计发展的影响[J].品牌（下半月），2015（08）.

[4] 卢秉恒. 3D打印完美契合德国工业4.0[J] .中国信息界-e制造，2015（2）.2013，30（7）.