突破3D打印技术应用瓶颈 助推智能制造升级

孙春华

（苏州市职业大学 机电工程学院，江苏 苏州 215104）

3D打印，又称增材制造，通过层层叠加的制造方式来构建产品，是一种深刻颠覆传统规则的制造技术[1]。3D打印技术代表的是效法自然生长法则的制造思想，是一种自由制造的理念和方法论。从20世纪80年代发展至今，3D打印技术同信息技术、人工智能等被称为第四次工业革命的关键技术，虽在个性化、复杂性、小批量等制造方面具有独特的优势，但至今还没有成为一种主流的制造方式。本研究分析了3D打印技术应用受限的主要原因，深入思考了3D打印技术应用的意义和优势，提出要紧扣3D打印技术应用的关键，以助推产业智能化改造和数字化转型升级。

1 3D打印技术应用受限的主要原因

3D打印技术的出现，不仅给工业制造带来了一种“恍然大悟”的感觉，而且还提供了一种“另辟蹊径”的解决方案[2]。但3D打印从20世纪80年代发展至今，一直没有成为一种主流的制造技术，其应用也不尽如人意。受限的主要原因：①3D打印被单纯看成是一种制造技术，难免会将其与目前成熟的加工制造技术比较，在成本、精度、效率等方面都还不能与传统制造技术相比。这就是很多人认为3D打印并不“酷”，不被接受的原因所在。②3D打印技术本身有一定的局限性。目前，3D打印技术的工艺种类、可选择的材料种类、能直接制造产品的工艺等都相对较少。对大多数设计师来说，3D打印的主要用途仅局限于验证设计产品，即用于产品原型的制造。③企业接纳3D打印技术较为艰难。面对传统制造体系已具备成熟的传统制造生产线和充裕的技术资源，做出用3D打印替代传统制造体系这样颠覆性的转型，不仅需要具备足够的勇气和充足的资金，而且还要面临3D打印技术人才缺乏的压力。这对企业来讲，从传统制造模式这一“山峰”走下去，重新攀登3D打印这一新的“山峰”，其过程是极为艰难的。

2 3D打印技术的应用优势

免除模具和制造成本对设计的复杂性不敏感是3D打印技术的两大特点，使得3D打印特别适用于快速制造小批量个性化精准定制和复杂形状的产品。3D打印技术还缩短了产品供应链，可变“异地制造”为“本地制造”，减少库存，降低运输成本和对能源的依赖。因此，挖掘3D打印技术的潜力，突破传统设计思想、制造方式的限制，有必要深刻认识3D打印的优势。

2.1 释放自由度，重塑产品

3D打印采用层层叠堆来构建物体，这种增材制造的创新方式释放了产品设计的自由度，带来了灵活的制造理念。应用该技术不仅可以从0到1地创造出一个前所未有的零件，也可以结合轻量化、点阵结构、一体化等设计技术，对原有零部件进行再设计制造，进而带来新的附加值。2017年“为增材制造而设计挑战赛”的部分获奖作品如图1所示。

图1 “为增材制造而设计挑战赛”(2017)获奖的部分作品

GE公司研发的飞机发动机3D打印燃油喷嘴如图2所示。采用基于粉末床金属熔融工艺，3D打印帮助GE完成了从20个零部件到1个整体件的一体化结构产品的更新。由于质量的减轻和散热结构的优化，使用寿命提高了5倍，提升了GE新型飞机发动机的市场竞争力，并领跑市场。GE公司得到了可观的回报，并由此开启了GE积极抢滩布局3D打印，构建新的产品制造和供应链体系。

图2 3D打印一体化燃油喷嘴

因此，3D打印技术降低了企业的生产成本，提升了经济效举益。谁能够创新设计并制造出既提高整体性能，又提升经济效益的产品，谁就能在市场竞争中胜出，而这正是各国政府纷纷提高对3D打印重视程度的一个重要原因，也是我国制造业转型升级的重中之重，是制造业走向强大的目标所在[3]。

2.2 多材料打印，简单快捷

3D打印技术发展至今已能同时打印多种材料，这使得3D打印除了具备可制造难加工材料零部件的优点外，还具备制造一次性功能梯度复合材料和智能零部件的独特优势。这种优势在智能机器人、传感器、生物医药、假肢义体等多材料产品的生产制造上可充分地发挥。采用3D打印技术制造的软体机器人如图3所示。软体机器人是下一代专用于弹性软体领域，替代人进行安全操作和在复杂受限环境应用的新一代机器人。采用3D打印可将所使用的多种材料（流体、凝胶、功能聚合物这些材料和其他易变形材料）按照设计要求一次性打印而成。

图3 3D打印软体机器人

2.3 数字化基因，赋能智造

3D打印具有与生俱来的数字基因，从产品模型的设计与制造、材料的使用、产品的供销、市场的反馈，都可融入“数字线程”的产品生命周期中。这使得3D打印能很容易地融入数字化的智能制造环境中，成为制造生产线的某一部分，并融入主流的生产技术中。3D打印与现有制造技术的深度融合，为企业转型升级提供了一条途径，将极大地提升企业的智能制造水平。

因此，3D打印技术是重塑产品，实现数字化智能制造的一种途径，其潜力是不言而喻的。目前3D打印技术实现产品设计和性能优化的范围非常广泛，已渗透到各个制造领域，大到飞机发动机零部件、热交换器、液压阀体、注塑模具、医疗器械，小到首饰、运动鞋和口罩支架，都成为3D打印技术大显身手的平台，并且可以期待更多的新应用领域的分支会迅速地应运而生。

3D打印的价值还体现在个性设计、按需生产、本地制造，传统的供应链将被颠覆重组。供应链的缩短，可减少企业运输成本和对资源依赖的压力。

3 走好3D打印技术的关键几步

3D打印技术虽然具有如此大的优势，但并不意味着任何企业只要购买了3D打印设备，就能实现美好的愿景。就技术本身来讲，3D打印不仅仅涉及以逐层叠加的方式进行材料成型的设备，还涵盖了仿真技术、优化设计、过程监测，以及后处理工艺。从产业链上来看，如果企业要实现零件或产品的分布式制造，3D打印产品、消费者、3D打印和相关后处理设备、分布式制造中心并需要并入网络，通过互联网、物联网、区块链等技术来管理制造需求和制造过程。因此，3D打印并不是一座“孤岛”，而是一系列硬件、软件技术系统集成。因此，推广3D打印技术的应用还有很长的路要走，还需要走好以下关键几步：

3.1 突破规则，为增材制造而设计（DfAM）

多年来，传统制造企业所要求的设计规则占据了设计师大脑，这就意味着，当设计师在设计3D打印零件或产品时，就需要打破所熟知的设计规则，依照增材制造特点和工艺要求，设计一种为增材制造的全新思路。DfAM是当前3D打印向应用端深化的重心和必经之路。

1）要做到DfAM，必须熟知3D打印工艺的特点。包括加工过程、支撑结构、表面质量和后处理。只有这样，才能选择合适的3D打印工艺，遵循其工艺特性，最大程度地提高加工制造成功率，增强增材制造工艺的经济效益。

2）要做到DfAM，必须了解为3D打印而设计的规则。包括材料特性、残余应力、摆放方向选择、特征摆放方向、支撑的添加等。只有深刻地了解这些，才能设计出适合3D打印的产品，进而以最少的材料、最高的效率和最佳的质量打印出产品。

3）要做到DfAM，必须掌握新的优化设计方法。3D打印释放了产品制造的自由度，设计师可以自由发挥，结合各种优化技巧，设计出高质量的产品。如采用拓扑优化、轻量化、点阵结构、空心零件、胞元结构、一体化结构等设计理念重塑产品，提升性能。

3.2 谋划布局，提升产品的竞争力

进入2017年，很多制造巨头进入到增材制造领域这个新兴市场，竞争规则迅速发生了变化，从单纯的3D打印设备竞争上升到品牌、研发、技术服务、销售网络、数字化平台等全方位的竞争。这些企业巨头的涌入，并不是争夺当前的市场份额，而是要颠覆当前市场的游戏规则，重新塑造市场格局。其他企业若想在该市场中占有一席之地，一定要积极谋划。

1）重塑产品，大胆尝试。企业要对产品的结构和性能在整个价值链中的作用进行深入剖析，遵循为增材制造而设计的规则，利用一体化、轻量化、点阵结构等先进的设计理念，重新构建产品。充分发挥3D打印的优势进行新产品制造，提升产品性能。

2）开发新品，开拓市场。企业要充分发挥3D打印在材料以及整体结构件方面的制造优势，开发新结构、新功能、低成本、高集成、高赋值的新产品，开拓新市场。

3）构建新链，合作共赢。对大多数制造企业而言，投资和维护3D打印设备是笔不小的开支，因此，可谋求与3D打印设备供应商合作，将传统制造难以加工，且符合3D打印的新产品外包，寻求新的生产供应链，谋求新的盈利机制，以达到双方合作共赢。

4）创新模式，提升竞争。3D打印技术将三维数字模型转化为实际三维物体的能力比传统的制造技术具有更大的优势，包括实现大规模定制、复杂零部件几何形状的制造。因此，各企业可根据资金状况和产品特性，因地制宜，构建“3D打印+”数字化制造新模式，以提升市场竞争力。

3.3 多方合作，共育3D打印人才

目前，国内3D打印技术处于快速发展期，部分技术已经处于世界领先水平，各行3D打印技术企业如雨后春笋般大量涌现，呈现百家争鸣之势，但伴随而来的是3D打印技术人才短缺。由于缺乏教育培训、社会推广以及统筹发展，各地院校对3D打印技术不了解，以至于没有相关专业的开设，从而导致3D打印技术人才供给不足。解决社会对3D打印人才的迫切需求，最有效的方法就是政府、联盟、企业和学校等多方联合，从共性基础研究到产品开发，再到前沿技术探索，掌握增材制造技术，迅速积累3D打印方面的专业知识，为企业培养具有3D打印知识和技能的人才。

1）校企联盟，打造3D打印智慧平台。由3D打印联盟牵头，发挥企业和学校各自的优势，着力打造3D打印智慧平台。为校企之间开展资源共享、专业共建、师资共训等多元化合作提供强有力的保障，企业专业技术骨干需要随时随地对各地院校进行专业指导，将先进技术和智慧快速传授给学生，把学生培养成实用型、技能型专业人才。

2）资源公用，共建3D打印专业。利用3D打印智慧平台的公共资源，让更多的企业参与到3D打印专业中，并联手联办提供必要的设施设备援助，共同建设好3D打印专业。

3）师资共训，同育3D打印人才。利用3D打印智慧平台，对企业工程师和学校教师进行同期培训，将最新的3D打印技术和技能，同时传授给企业和学校，以消除学生所学落后于社会所需的普遍现象，培养出与社会需求“零距离”的3D打印人才。

4）多元结合，培训3D打印急需人才。根据不同层次3D打印人才知识和技能所需，制定一些培训项目，采用短期的3D打印技能培训与中长期的3D打印知识培训结合，在公共实训基地或企业、学校进行人才的培训，以解决不同层面上人才的需求。

4 因地制宜，构建“3D打印+”生产新模式

跟物联网一样，3D打印作为21世纪最为重要的高新技术之一，具有鲜明的工具属性。但3D打印技术将三维数字模型转化为三维实体的能力比传统的制造技术具有很大的优势，包括实现大规模定制、复杂几何形状零部件的制造。因此，各企业可根据产品的特性，因地制宜，构建“3D打印+”生产新模式。

1）3D打印+机器人，强强联手。机器人制造领域引入3D打印技术可谓高科技与高科技的强强联手。如麻省理工利用Stratasys3D打印机一次性打印出了一只完整的、液压驱动的机器人。再加入马达和电池之后，机器人能自行站立，从打印机中走出来。再如日本研制的名为Mikoto的3D打印机器人，是专门用来培训年轻医生、在校医科学生和紧急护理人员。

2）3D打印+传感器，自然而然。3D打印产品往往具有高度仿真效果，与传感器相结合可以说是自然而然。近年来，二者搭档也的确创造出了越来越多的“神器”。如英国Swansea大学的研究人员开发出一款3D打印“智能绷带”，内置由纳米技术专家开发的微型传感器，可在任何特定时间监测特定伤口的情况，并在伤口出现感染时即时警告。

3）3D打印+医疗保健，按需定制。由于3D打印能够较好的符合定制假肢、义齿等的要求，医疗保健领域将会在3D打印应用市场中占有较大的份额。

4）3D打印+航空航天，鲲鹏展翅。截至2017年，3D打印在航空航天领域应用所占据的市场份额就已经超过了25%，并且随着我国对于航空航天领域的重视，这一数值有望进一步增加。

5）3D打印+物联网，超乎想象。无处不在的互联网技术和日益成熟的3D打印结合后，可以形成威力巨大的智能制造生态系统，打通从设计师到消费者之间的通道，并有可能消灭工厂。将3D打印技术与物联网技术、大数据、云计算、机器人、智能材料等其他先进技术结合，将构成一个智能产业生态系统。

5 结论

3D打印并不是传统制造业的对立面，而是制造业创新的引领性共性技术，可以极大地赋能智能制造。借助3D打印前沿技术，不仅能在一定程度上克服传统制造业的难点问题，而且也能真正满足个性化、定制化、高精度的需求。与此同时，在效率、速度及成本上，没有任何一项技术可以完全取代传统制造业的制造工艺。对于制造业的从业者来说，运用3D打印的思维方式也需要及时转变，只有结合相应行业的实际需要，才能使3D打印的价值得以充分显现，并推动相应行业智能制造的全面升级。