基于云制造的3D打印机应用模式研究*

李 强 张 帅

(内蒙古科技大学机械工程学院，内蒙古 包头 014010)

我国制造业正处于升级转型的关键时期，制造的服务化、创新化和资源调配与协同是企业竞争的关键因素，如何提出新的制造模式满足企业的需求是能否成功转型的关键。从“八五”到“十一五”我国科技部在国外先进制造思想的基础上开展了相关研究与应用[1]。在借鉴外国已有的先进制造模式(如众包生产 C-Sourcing[2]、工业产品服务系统 IPS2)的基础上提出了一种面向网络化服务的制造模式——云制造。云制造是一种面向服务、高效低耗和基于知识的网络化制造新模式[3]。

3D打印技术是由20世纪70年代末、80年代初出现的快速成型技术发展而来的一种先进制造技术[4]。它是将三维模型进行切片处理，逐层堆积材料来生成三维实体的技术，由于是通过增加材料进行生产制造，因此又称为添加制造[5]。它具有传统制造所不能比拟的优势：(1) 数字化制造：借助三维软件将产品的三维模型构建出来，驱动3D打印机进行制造。构建的三维模型可以通过网络进行传递，实现异地分散化制造。(2) 产品多样化：由于3D打印技术的一体化成型的特点使得打印单个和大批量、个性化和多样化产品的成本保持不变。(3) 直接制造：无需模具，任何复杂难成型的部件均可通过3D打印机一次性制造出来，不需要进行组装焊接等复杂过程来实现。(4) 快速制造：3D打印制造工艺流程短、全自动、可实现现场制造，因此，制造更快速高效。(5) 无限的材料色度[6]：3D打印可以把基本的颜色组合起来产生新的颜色，也可以把基本材料组合打印产生新材料。但目前我国的3D制造业市场比较零散、主导的技术标准和开发平台尚未确立，技术研发和推广应用还处于无秩序状态。

本文在云制造和3D打印技术的基础上建立3D云制造平台，整合3D打印市场，弥补了当前3D打印市场的缺点，有利于3D打印产业的发展和3D打印技术标准的确立。

1 3D云制造模式简介

1.1 3D云制造平台介绍

3D云平台是面向广大群众、基于服务、能够商业化运行的云制造平台。如图1所示，3D云平台由资源提供端(3D打印机设备提供方)、服务请求端(对3D打印产品有需求的客户)和云服务平台(交易桥梁)组成。资源提供端通过云平台将可提供服务的3D打印机进行虚拟化封装发布；服务请求端通过云平台发出服务需求；云服务平台根据提交的服务请求，通过强大的云计算技术在云制造资源池进行匹配，寻找符合服务请求的3D打印机设备，并为客户提供服务。

1.2 3D云制造体系架构

根据现有的对云制造体系架构的研究文献，结合3D打印机的特点和数字建模的分析优化过程提出了3D云制造的体系架构，如图2所示。

第一层：以三维建模软件为平台设计层，这里以SolidWorks软件为例。

将要3D打印的产品/零件可通过3种方法进行制造：(1)根据设计人员提供的设计图纸进行数字建模，导入3D打印机进行打印。(2)如果有实物，利用3D扫描仪进行扫描，将扫描得到的数字模型导入3D打印机进行打印。(3)在数据库中查询模型，选择需要的数字模型进行打印。

上面的3种方法是针对不同情况而言的。众所周知产品制造过程中没一个过程都需要投入大量的人力物力，这些都会造成成本升高。所以在打印时先从模型库中查找，模型库中的模型全部都是经过反复优化的能正常使用的模型，如果有则可以直接进行打印；如果有产品/零件的实物，则可以通过3D扫描仪进行扫描直接得到数字模型，直接打印制造；若是新研发的产品，则只能进行三维建模生成数字模型。

第二层：以ANSYS、ABAQUS、fe-safe软件为平台分析优化层。

利用SolidWorks软件构建的三维模型可以导入上述3种分析软件进行相关的计算分析，找出其中不恰当的地方进行优化改进。例如在打印齿轮时，先对齿轮的三维数字模型进行疲劳强度计算、流体力学计算，寿命预测等一系列分析后，各方面都符合要求然后再进行打印制造。

第三层：以3D打印机为基础的制造层。

将上述合格的产品模型通过网线或Internet网传送给3D打印机进行打印，经过后处理产品即完成制造。

1.3 3D云制造的特点

3D云制造模式是一种面向多用户的，按需获取资源、即用即得、按时付费的新型网络制造新模式。与敏捷制造[7]、全球化制造、制造网格、应用服务提供商[8]为代表的网络化制造相比，具有以下特点：

(1)集中管理合理分配。传统的网络化制造模式主要强调“分散资源集中使用”的思想，缺乏对服务的集中管理和运营，导致没有动力促进持续提供高质量服务。3D云制造模式不仅强调分散资源集中使用而且强调集中资源分散使用的思想，服务模式是多对多服务而不是传统的一对多或者多对一的服务，而且在整个服务过程中都有云平台运营方集中监控管理，保证各方利益，可持续促进良性循环。

(2)全面虚拟化服务化。传统的网络化制造主要是对各类“软资源”(软件应用系统、制造数据等计算和信息资源)的封装和发布。3D云模式不仅对设计制造过程中的软件资源进行封装发布，而且对3D打印机、材料等硬件资源进行虚拟化封装发布，即软硬件资源全部以服务形式发布。连接到云平台的所有客户均可通过云制造平台完成产品设计、分析优化、制造、试验、管理等产品全生命周期过程各类活动的业务。

2 应用与案例分析

以对数螺旋锥齿轮的制造过程为例。对螺旋锥齿轮具有传动性好，承载大，振动噪音小，应用范围广等优点。但对数螺旋锥齿轮的几何特性与啮合过程及其机床结构和加工调整都非常复杂，同时加工刀具、机床参数设置、加载变形和装配误差等各种因素、质量和性能的保证十分困难[9-11]。目前对数螺旋锥齿轮还处于研究阶段并未有哪条文献明确表明要应用在哪一领域，这不利于研究的发展。利用3D云制造平台完成对数螺旋锥齿轮的研究工作将会节省大量时间和人力物力，例如研究对数螺旋锥齿轮在飞机上的应用研究过程如图3所示。

由于对数螺旋锥齿轮的各种优良特性，某飞机厂决定将对数螺旋锥齿轮应用在飞机上，通过云平台客户端发起服务请求。根据云平台连接的软、硬件资源，经云计算智能匹配后形成服务流程：A大学设计对数螺旋锥齿轮并数字建模(A大学为最早发起并研究对数螺旋锥齿轮的学校，有丰富经验)——专家系统进行分析优化(涉及到飞机的各种条件数据，有可能涉及机密，由专家进行分析优化)——某3D打印设备商进行制造(根据材料、精度、运输费用等计算得出最优解)——成品试验(选择符合条件的试验单位进行可靠性试验)。

整个设计制造过程中涉及到的软、硬件资源都是以按时租赁的方式完成。A大学通过3D云平台的CAD、SolidWorks等设计软件完成齿轮的设计建模工作；将模型传送给专家系统后，专家通过云平台的ANSYS、ABAQUS等分析软件，结合自身经验输入相应数据进行分析，找到薄弱环节进行优化改进；模型最终确定后，云平台将模型传送给匹配到的3D打印机进行打印，经后处理、质量检测合格后会运输到指定试验单位进行可靠性试验；最后试验检测无误后即可大批量生产。

3 结语

3D打印机云制造模式目前处于试验阶段，已经接入部分3D打印机，完成接入打印机的虚拟化、数据标准化工作，但距离最终目标还有很大距离。其中涉及的云安全、服务管理还需进一步优化。从上述案例中可以看到由于3D打印机的特点，原本制造复杂的对数螺旋锥齿轮由3D打印机制造，一步即可完成，完美解决了传统制造工艺难的问题。进一步证明将3D打印机与云制造结合是可行的、有利的。3D云制造模式不仅会促进制造业新模式的发展，同时会促进3D打印行业的发展。