基于“互联网+”的创意产品3D打印现状与分析

刘一海， 肖军杰， 樊瑞瑞， 程光耀， 齐元胜， 林达理

(1.北京印刷学院a.机电工程学院；b. 智能制造实验室，北京102600；2.中国民用航空飞行学院 空中交通管理学院，四川 广汉618307；3. 漳州理工职业学院，福建 漳州363000)

0 引言

工业产品的制造方法主要分为三类：1）等材制造，如铸造、锻压、焊接；2）减材制造，如车、铣、刨、磨等；3）增材制造，如3D打印。3D打印是一种典型的增材制造技术，其原理是将计算机设计出的三维模型分解成若干层平面切片数据，然后把打印材料按切片图形数据逐层叠加，最终堆积成完整的物体。由于3D打印具备制造高复杂度、高敏捷性、高柔性产品等系列优点，美国《时代》周刊已将3D打印列为“美国十大增长最快的工业”[1]。近年来，随着互联网技术的兴起，3D打印让每个人的创意想法、创新设计成为可能，3D打印创意产品可以给设计师和消费者带来最直观的视觉冲击与触觉感受。

1 基于“互联网+”的3D打印技术国内外研究现状

1.1 国外研究现状

基于云制造（CBM）系统，Baumann Felix[2]开发了一种小型轻量级云服务，用于在低成本联网计算机网络环境中获取3D打印机资源，远程使用本地或异地联网的3D打印机进行打印；它侧重于物理资源之间的接口及其在软件中的表示，形成网络物理系统（CPS）。T. Gotzelmann[3]为有视力障碍的人开发了有助于自动搜索和打印3D模型的辅助工具，开发了一种基于个人计算机的3D打印系统，扩展功能允许使用普通智能手机进行搜索和打印。Fujiyoshi Ken等[4]将RFID（射频识别器）模块嵌入到3D打印对象中，并在对象完成打印后写入其信息，实现了通过使用RFID（射频识别器）和3D打印技术将数字和物理世界融合的目的，同时增强了现实世界和虚拟世界之间的互动，带来更丰富的数据转换和数据操作。Bashyam Sanjai[5]设计和制造了一款3D打印自动售货机，取名创新站，可为德克萨斯大学奥斯汀校区的所有学生提供按需打印，并支持基于互联网的3D打印。SU Wenjing[6]提出了一种灵活的SIW可穿戴传感平台，该平台具有新颖的3D打印流程，可实现订制可穿戴设备的快速原型设计与打印；此外，他们还提出了一种灵敏度为1.7 MHz/Er的概念验证微流体传感器，可用作可穿戴传感设备，用于实时监测体液。Go¨tzelmann Timo[7]分析了实际打印3D模型的特点，并使其适用盲人的访问和打印。Walker Jason等[8]利用基于CAD实体建模的设计自由度，为模具内的外壳传感器（物联网）引入独特的模具功能，以便在多个位置收集温度、压力、湿度、气体化学、模具内芯的运动（移动或旋转）和磁场等各种数据，采用无线、有线的方式提高了集成监控水平。

1.2 国内对于“互联网+”的3D打印技术的研究

Wu J. J.[9]为了保证大面积3D打印机在广域环境中的稳定性和有效性，提出了基于物联网的3D打印操作状态监测平台，实现了物联网及众多3D打印机的远程监控，试验验证了该方案的有效性。童晶等[10]基于3D扫描和3D打印技术，借助嵌入式系统设计并实现了一个集成的个性化巧克力3D打印系统。平台利用Microsoft Kinect的深度摄像头和相关的驱动电路控制Kinect的平移和旋转，增强了3D扫描的稳定性；与同类商用产品相比，实验平台具有更好的3D打印精度、更友好的人机界面，可以提供更好的巧克力定制服务。YANG Hongxiong等[11]提出了一种新的工业3D打印成本计算方法，涉及工业和建筑产品的性能，讨论了现场和非现场3D打印的成本要素和计算算法，提出了工业化建设成本计算的思路，解决了不同施工技术的成本计算问题。JIANG Yuejuan等[12]针对第三次工业革命的影响，通过分析网络时代制造模式的特点，提出了基于3D打印的网络采集-分销制造（CDM）模式，并对其制造组织形式进行了分析：在CDM系统功能和体系结构的基础上，研究了其实现路径，构建了CDM云平台——云川3D网络。GUO Liang[13]提出了3D打印与云制造相结合的发展建议，分析了3D-PCP系统模式的潜在研究方向，评估了基于物联网的3D打印及服务流程。JIANG Yuejuan[14]提出了3D打印-采集分发制造平台的基本框架，并创建了分布式制造云数据算法；实验结果表明：优化的工作流程算法不仅可以满足客户对价格、质量和时间的要求，而且可以有效降低印刷成本，同时也可以在整个收集制造配送平台上发挥最佳作用。PAN Heng[15]得出结论：物联网技术在三维医学图像模型中的应用可以提高三维医学图像模型的便利性、安全性、耐久性和有效性，从而提高整体医学水平，更好服务人民身体健康。

2 现状分析

我国正推动“制造大国”向“制造强国”的转型升级，智能制造是趋势，而3D打印技术则是实现智能制造的关键基础技术之一。3D打印技术可以称为“第三次工业革命”的代表性成果，其与互联网的结合，即“互联网+3D打印”将会推动形成新的商业运营模式[16-17]。

3D打印技术是向制造强国转型的重要契机[18]。尽管从目前的体验消费到需求消费还需要很长时间的探究，但因其设计空间不受限制、零技能制造、成本易控和无需组装等特点，可以快捷便利地让创新想法变为现实，使普通人很容易接触、掌握这项技术。需要指出的是，3D打印并不是要取代大规模生产制造，反而是对个性化生产的一种新的补充形式，使商品制造者本身就是消费者变成可能，正如华中科技大学史玉升教授所言，3D打印能够助力传统制造业转型升级，提升产品的设计、制造、售后全链条的服务水平。

就3D打印产业发展链条的结构而言，可以分为3个层次：以原材料的开发制造和技术研发为主的源头；以3D打印机器研发为主的中段；以3D打印产品服务为主的下游。目前我国在3D打印机方面的研究已处于国际前列，如论文和申请专利的数量处于世界第二位。但源头和下游的发展不太理想，在我国3D打印材料一直以来被视为产业瓶颈之一。世界3D打印技术产业联盟首席执行官、中国3D打印技术产业联盟执行理事长罗军表示，3D打印技术之所以发展缓慢，主要体现在3个方面：一是3D打印商业模式单一，设备是刚需；二是专业人才稀缺；三是原材料供给少，价格偏高。

目前，多色3D打印设备垄断在国外公司手中，价格昂贵。国内有些团队正在积极进行该方面的工作。多色3D打印可以扩大客户对于创意产品3D打印的需求，增加打印的范围。通过一次打印双色产品，减少传统3D打印后期的二次上色环节，可降低人工成本，实现利润最大化，且直接采用双色线材，一次成型，色彩均匀稳定，效果明显优于二次上色[19]。

由上述现状可知，由于互联网和3D打印都在飞速发展，所以它们的结合会碰撞出大量的创新点；并且，国内外都在积极创新，各有优势。随着这种趋势的持续高涨，进一步发展基于“互联网+”的3D打印技术将决定着谁占先机，引领市场。在即将到来的5G时代，互联网和3D打印的结合将会加快推进“中国制造2025”的发展。

3 发展方向及应用前景

基于互联网的创意产品3D打印，首先需要搜索、下载、创新创意模型，再依据分层切片数据3D打印创意产品数字模型，完成创意产品的物理实现，丰富了创意产品3D打印的服务范围，市场前景广阔。其中，该技术所需模型既可以根据客户需求创建，亦可来源于互联网，资源丰富、多样；只需根据客户要求获取3D模型，进行合理分割、切片，3D打印，即可迅捷形成客户所需产品；采用便捷的互联网物流系统，迅速交付给客户，实现现代化的CTC服务与盈利模式[20-22]，基于“互联网”+“3D打印”的技术融合发展路线如图1所示。

图1 “ 互联网”+“3D打印”技术融合发展路线

综上所述，“互联网+3D打印+创意产品”目前尽管部分实现了网络化设计、订制和制造，还未能承担装备制造业和服务业的转型升级重任；作为《中国制造2025》规划当中的重点布局内容，新一代智能化装备、产品发展将日趋完善，并最终给工业生产和经济组织模式带来质的改变，同时也对我国制造强国的愿景起到积极的推动作用。