基于3D打印技术的模块化柔性生产

王晓光

摘要：当今市场波动较频繁，柔性生产对于企业的发展起着至关重要的作用。文章分析了3D打印的特点、优势及相关应用领域，以及3D打印是如何与模块化进行结合，接着阐述了模块化生产的特点以及它对于传统生产模式的优势，最后对模块化生产可行性进行了相关分析。

关键词：3D打印；柔性生产；模块化生产；传统生产模式

一、引言

以多品种、小批量的模块化生产是相对于传统生产的另外一种模式。随着经济技术的快速发展，企业的竞争形式也在发生变化，它不仅仅是表现为价格、数量、质量的竞争，更重要的是传统生产方式弊端逐渐显现，主要表现在：成本增加、过量库存、适应市场的灵敏度降低。21世纪，市场需求的多品种、小批量生产给企业造成了很大的压力，而在模块化生产方式的基本标准下，可以生产出不同种类的产品，更能适应市场的需求，满足消费者的个性化需求，并且能够提高企业的生产效率，成本会大大降低。

本文结合传统生产方式及国内外现状，对模块化柔性生产进行研究，以及在这一生产过程中3D打印是如何发挥其独特的优势，期望这一模式能得到实际的应用。

二、3D打印技术的模块化柔性生产

（一）3D打印技术的特点

3D打印技术被称为快速成型技术，集成了计算机辅助设计（CAD）、计算机数字控制（CNC）、精密机械、激光、新材料技术等于一体，快速将三维模型制成实物原型，是“增材制造”的主要形式。

3D打印技术主要包括立体光固化成型技术（SLA）、熔融沉积成型技术（FDM）和选择性激光烧结（SLS）等。光固化成型具有成型过程自动化程度高的特点，制作原型表面质量好、尺寸精度高以及能够实现比较精细的尺寸成型等特点，可用于航空、电器等行业的单件小批量精密铸造。熔融成型对材料的利用高，而且工艺简单，材料的成本也较低，可用于中等复杂零部件的生产制造。选择性激光烧结使材料固化得更加结实，所以可用于精密的结构性功能零部件的生产制造。这些技术的组合使3D打印技术得到迅速发展。

3D打印技术是采用材料叠加的方法来制造零件，即便是没有模具也可以制造出形状结构复杂的一些零件，比如说汽轮机叶轮、医用骨骼等。3D打印技术是对数据采集与处理技术、系统仿真模拟技术、材料技术、计算机图形技术以及机电加工与控制技术等的综合运用，技术含量高，可控性强，可以通过仿真技术对零件、产品进行模拟，提高产出实物的精度。

用3D打印技术制造产品可以不用模具而直接制造成型，而且对于大型的模型，该技术也可以大量的缩短制造周期，从三维图形到实体数据采集制造实体，一般只需要几个到几十个小时，这在传统制造的方法里面是很难达到的。

3D打印技術运用在互联网时代可以实现远程操控，用户只需要在电脑设计出产品形状就可以传送到技术中心将实物制造出来，能够提高资源的利用率是加工废物减少，也能产生环保效应。

（二）模块化的柔性制造模式

模块化柔性制造系统中有加工基本模块（PMP）、模块化驱动单元（MAE）、模块化刀具和夹具（MTJ）和可重构的控制系统（CCS）等基础模块。加工基本模块主要用于加工和改变材料的状态，如挤压、钻孔、铣削等。模块驱动单元主要用于完成模块组合的任何启动运动。模块化刀具和夹具与加工基本模块相互配套使用。可重构控制系统是利用计算机、数控等对加工生产系统能够进行全方位的控制。

将模块化生产合理利用可以使生产方式具有柔性的原因在于，模块化的生产方式是以信息技术为基础，以模块化为一种主导模式，运用成熟的管理方法，以能够满足顾客的个性化需求为目标的一种生产方式。由于模块具有独立性、抽象性、互换性和灵活性等特点，是不同的模块之间在提高其标准化、通用化和规格化程度的基础上能够使不同的模块进行有效的组合。

模块化生产的前提是进行模块化设计。产品的模块化设计将复杂的产品应用模块化的相关技术使其被分解成一个个的功能模块，然后根据模块间的相似性进行制造结构方面的组合，根据不同的选择组合，来实现产品的多样化设计，进而也控制了生产的成本。

模块化生产能够充分运用互联网发展的优势，信息流通渠道的快速可靠。通过构造一个互联网平台，使消费者与企业之间进行良好的沟通和信息共享，从而打破时间和空间上的限制，能使供应链的生产快速适应客户的个性化需求。

模块化生产在不断的组合中可以开辟新的发展途径，大规模定制的组合。传统的柔性制造模式都是通过设备的高自动化来达到规模经济，但是由于零件、产品等各方面存在差异，各方面设备的投入成本较为昂贵，分摊到单个产品中将增加成本。模块化生产将打破这种单个企业的限制，在更大范围内是实现一种资源的整合，不同的模块制造商可以整合在一起，各取所需，从而使成本大规模的得到控制。

（三）3D打印技术与模块化柔性生产的结合

在传统的制造领域，开模是一件耗时长、难度大和成本高的事情，而3D打印技术的优势恰好体现在产品设计和模型、模块设计方面，只要通过数据模型的建立和材料的融合，就能进行相应的生产。传统的模块化柔性生产对复杂的生产制造需要投入高成本，并且周期太长，结合3D打印技术的快速成型可以实现快捷、方便、缩短周期和降低成本等目的。

模块化柔性生产模式通常分为三个层次，首先是系列模块化的设计过程，这个过程需要根据市场调研的结果来完成，这实际上是对产品的一个前期需求了解过程。其次是对单个产品的模块化设计过程，这个过程就需要根据客户的具体要求对特定模块进行设计与校验修正。最后一个层次实际上是对模块的一个选择和组合的过程。在这些层次中结合3D打印技术，将快速高效的生产出满足客户需求并且适应特定市场的实物。endprint

模块化设计首先要进行产品的市场调查，必须注意市场对同类产品及特定产品的需求量，分析客户需求来进行相应模块设计的可行性分析。对搜集的市场数据及产品数据在计算机系统中进行整合分类，制作出相应的3D打印所需要的基础三维视图，并结合传统生产进行功能分类的模块的打印与制造。

3D打印与模块生产的结合需要合理确定所覆盖的产品种类和规格，根据产品所需零部件的精密、尺寸、复杂和材料等要求进行分类，分别选择立体光固化成型技术（SLA）、熔融沉积成型技术（FDM）和选择性激光烧结（SLS）等进行零部件的生产打印。

在3D打印和模块设计过程中要以用户需求为出发点，明确各模块间的相互作用与交互关系，建立相应的模块总布局，形成多个系列的主题模块，根据相应的需求进行模块之间的选择与组合，在进行相关的计算机数据模拟之后就可以进行产品的正式打印生产。

3D打印技术与模块化柔性生产的结合将是对传统制造业的一种有益补充。传统制造业经过多年的发展，其生产工艺较为成熟，将3D打印技术与其进行结合将形成一种互补发展，相互带动发展将成为制造业创新的发展新趋势。

三、生产模式及可行性分析

（一） 顾客需求获取、分析及管理

在大规模定制的情况下，模块化的产品设计的基本过程要经历市场信息获取，产品功能定义，产品模块划分与设计，模块管理等阶段。尤其是现在产品服务化趋势越来越明显，产品在生产设计过程中，需要越来越多的考虑顾客的因素。在此情况下，产品设计的目的是为了满足顾客以及特定市场的特殊需求。因此，首先需要对客户产品需求信息进行获取与分析。

1. 顾客需求获取

随着市场竞争程度越来越激烈，客户需求变化越来越快，以及需求种类越来越多，如何有效的把握客户需求成为制造业产品设计制造的一个关键因素想要准确的获取对企业需求的信息，就需要有效的信息获取和分析的方法。现在是互联网时代，网上调查，客户关系管理，电子商务以及数据挖掘技术都是获取需求信息的有效手段。通过这些方法，获取顾客的工作环境，工作空间等以及顾客对产品的功能，适用性，外观，产品心理价位等信息。

2. 需求分析与管理

在对客户的需求获取之后，要对其进行分析，企业需要建立一个信息管理系统，进行客户管理，需求管理，需求预测，订单管理等，客户管理确定客户的种类，通过各类客户工作的环境，性格，收入，地区等信息分析其所需产品的大致需求。需求管理将客户的具体需求进行整理，分类，分成基本需求，次要需求和潜在需求并分析各类需求之间的关系，需求预测通过客户的信息以及需求的信息对今后可能会出现的趋势进行预测。订单管理对订单的数量，所需产品的种类进行管理，方便企业安排生产计划。

（二）产品及模式设计

1. 产品设计

产品设计主要步骤有产品功能分析，功能模塊设计，结构模块设计，服务设计等。

产品功能分析需要客户的功能需求信息，从需求中分析顾客对产品的要求，可以利用功能结构树，将功能分级，分为物质功能与精神功能，再往下分为技术功能，实用功能，环境功能，象征功能，审美功能，教育功能等，上一层的功能需要下层子功能相互协调完成。在此过程中可以使用QFD设计方法来进行设计。

构建完成产品功能体系之后，通过客户需求到产品功能需求的映射，将上述各个子功能分为基本功能模块，次要功能模块以及个性功能模块。3D打印技术主要应用于个性模块的生产制造当中。

依据功能结构树，进行产品结构设计，产品结构与功能模块一一对应，利用CAD，CAM技术对产品进行建模，得出各个零部件的公差、尺寸、精度等信息，分析各零部件是否可以使用3D打印进行制造。

现今产品服务化趋势明显，在进行产品设计时也要对产品的服务方面进行设计，定制生产成为主流生产方式，使得产品的标准化零件不能做到通用，对产品的售后服务方面有巨大的考验，通过对客户信息以及产品的管理，在各地区设置3D打印服务网点，顾客可以根据自己的需求，在产品平台上自己设计并利用3D打印技术，对个性化零件进行生产，为客户提供维修，零部件更换等服务。一方面可以提高生产系统柔性，另一方面也可以提高顾客满意度。

2. 工艺设计

工艺设计主要有工艺分析，工艺方案等步骤。

通过工艺分析一方面可以审查零件的结构形状及尺寸精度、相互位置精度、表面粗糙度、材料及热处理等的技术要求是否合理，是否便于加工和装配，是否可以使用3D打印技术；另一方面可以对零件的工艺要求有进一步的了解，方便3D打印技术与传统生产线相结合，以便制订出合理的工艺规程。

编制工艺方案的依据是：产品的设计性质（即：是创制还是仿制，是系列基型还是变型，是通用还是专用），产品的生产性质（即：是长期性生产还是短期性生产），产品生产规模（批量），产品生产方式（即：是大量连续生产还是成批轮番生产）。

通过以上两部分分析，将生产系统模块化分为：基本加工模块，3D打印模块，模块化的夹具，模块化的驱动单元以及可重构系统。基本加工模块使用传统加工工艺生产标准化零件，3D打印模块生产个性化以及符合工艺方案的零部件，二者通过零部件的结构形状及尺寸精度、相互位置精度、表面粗糙度、材料及热处理等的技术要求以及加工，装配的便利程度，成本，时间等要素进行分析分类。

3. 生产设计

由于3D打印是快速成型，一体化制造技术，生产计划，库存计划等方面的要求也会相应的有所变化，在生产方面，由基于预测的库存生产转向相应客户需求的定制生产，所以在生产系统需要极大的柔性以快速转变产品种类，所以需要以3D打印为核心，基本生产模块配合生产。

3D打印可以直接将原材料转变为功能性零部件，不会受限其他零部件的库存，在生产时间上面可以依据客户订单管理提前生产，再根据个性化零件的数量来确定基本加工模块的生产，再辅以可重构控制系统，达到快速响应生产的效果，并以此来确定采购计划，物料需求计划，库存计划等。endprint

（三）方案可行性分析

在经过产品设计，工艺设计以及生产设计之后，可以得到若干个方案，每个方案中都由若干传统加工模块与3D打印模块组成，方案是否可行，3D打印技术是否可以应用，需要对每个3D打印模块与传统加工模块比较，进行可行性分析，本文主要对经济可行性及技术可行性进行分析。

1. 技术分析

技术可行性分析主要考虑工程技术标准，加工，资源，零件精度要求，工艺复杂程度，装配程度等方面。这些要素信息可以通过产品设计以及工艺方案中得到具体数据。

3D打印在工程技术标准及零件精度方面，3D打印产品精度高，并且一体化成型，消除原有公差配合所带来的问题，有助于提高产品质量。在加工方面，3D打印具有无刀具特征，无装夹特征，自由孔结构等特点。在资源方面，3D打印是堆积成型技术，资源不存在浪费，以及原材料为非标准型，可以减少加工步骤。装配方面，一体化制造技术可以大量减少装配难度及要求。

2. 经济可行性分析

企业以盈利为目的，所以方案不仅要考虑技术上的可行，也要考虑经济可行性，因此从工程技术标准，加工，资源，零件精度要求，工艺复杂程度，装配程度等方面考虑，建立评价体系量化要素，分別分析各个3D模块以及相对应的传统加工模块的生产效率和设备成本、人员成本、材料成本、这些信息可以从库存计划、生产计划、工艺方案中获取。

通过对各个模块的技术及经济分析，从生产柔性，生产成本，生产效率，顾客满意度等方面出发，经过专家评定，选择最终满意的方案，从而进行试验，投产。

四、结语

本文结合模块化生产的特点，对模块化生产进行相关的分析，主要包括产品设计、工艺设计、产品计划设计等分析，而这一过程还要结合计算机CAD技术、CAI技术等对产品进行建模仿真，从而不但可以满足市场客户的需求，而且还能够降低生产的风险、成本，从而能够进一步提高企业的经济效益。而3D打印作为一种快速成型技术，在生产过程中可以缩短生产周期，对原料的利用率几乎达到100%。鉴于这一基础，3D打印与模块化生产进行结合，它们既能发挥各自的优势又能进行优势互补，从而能够大大提高企业的生产率，进一步提高企业的经济效益。模块化生产是当今的一种生产趋势。但是由于目前3D打印在我国还不太成熟，并且3D打印技术受材料、市场、人才等因素的限制，从而只能生产诸如工装夹具等结构相对简单的产品，而生产一些功能很复杂的产品还不是很成熟。因此迫切需要政府、企业等相关部门对3D打印技术进行大量的人力、物力、财力的投入，3D打印技术会逐步走向成熟，从而这种模块化生产方式会更加灵活，以便更能满足市场消费者的需求，进一步推动我国的经济的发展。

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（作者单位：杭州电子科技大学管理学院）endprint