3D打印助力LED照明

任智豪

（陕西省建筑设计研究院（集团）有限公司，西安 710000）

人们对光照的需求从原始社会开始一直延续到今天，照明的手段和方式随着社会发展和生产力的进步而不断更迭。工业革命后，白炽灯的出现使照明与工业结合。照明工业的发展与科技进步有密不可分的关系。

照明工业最近的一次变革是随着LED技术的出现而发生的，LED发光技术从出现到不断成熟，已经深刻影响了现代社会的生活和照明工业的走向。根据《2020中国半导体照明产业发展蓝皮书》，半导体照明产业在中国大陆的整体产值为7 013亿元，中国已成为全球半导体照明产业最大的生产和出口国。LED广泛应用于文旅照明、车用市场、生物医疗等领域，如OLED尾灯、Mini-LED背光和显示技术、LED植物光照、紫外LED杀菌消毒技术等。照明工业随技术进步而不断发展，同时也促进技术的进步。中国第三代半导体材料成功产业化的突破口便是照明工业［1］。

1 3D打印技术

在全球产业格局发生重大调整的背景下，照明产业也不断转型升级。《中国制造2025》提出，力争通过3个10年的努力，把中国建设成为引领世界制造业发展的制造强国，提出“科技创新2030—重大项目”。其中，智能制造和机器人项目的具体内容为：“以智能、高效、协同、绿色、安全发展为总目标，构建网络协同制造平台，研发智能机器人、高端成套装备、三维（3D）打印等装备，夯实制造基础保障能力。”

3D打印基于计算机内的数字模型，通过数字控制喷头或打印头制造物体。与切削等减法制造工艺不同，3D打印将材料层层叠加，从而实现数字模型实体化，因此，3D打印技术也被称为增材制造技术（Additive Manufacturing）。通常情况下，3D打印表示增材制造技术，在特制设备时，3D打印是指相对价格或总体功能低端的增材制造设备［2］。

到目前为止，3D打印技术主要应用在传统制造业，包括汽车工业、电子消费品、航空工业和医学产业，在照明产业的应用占比并不高。根据Wohlers Associates公司发布的2020年增材制造年度报告显示，在目前应用3D打印的多个行业中，汽车工业占比最大，为16.4%，电子消费品占比15.4%，航空航天产业占比14.7%，医学和牙科产业占比13.9%，这四大产业占据了60%的市场份额。学术机构、能源产业、政府和军事机构共占据了30%的份额。在余下不到10%的份额中建筑工程产业占据一半以上，照明产业和其他领域对3D打印技术（增材制造）的应用只占3.5%。目前来看，照明产业中的3D打印技术应用还有很大的提升空间。

2 3D打印与LED照明

在4年前的夏天，奥迪公司宣布将3D打印技术用于汽车尾灯的制造。正如奥迪公司那句让人耳熟能详的口号“突破科技 启迪未来”，将最新的技术应用于设计和制作，用科技驱动产品进步，3D打印技术在尾灯的制作过程中展现出了惊人的价值。3D打印公司Stratasys为奥迪公司提供工业级的3D打印机，奥迪在德国的英戈尔施塔特（Ingolstadt）研发中心突破传统工艺，利用世界上唯一的全彩3D打印机制作汽车尾灯的灯罩，尾灯的原型制作相较于传统流程缩短了50%的时间。各种形状的LED矩阵大灯或LED流水灯构成了产品价值的重要一环，这些复杂的车灯夺人眼球的同时工艺复杂、价格昂贵，在批量化生产之前，先将设计意图以物理模型和原型来呈现，通过实际的效果来比较选择，对设计结果进行反馈。采用3D打印技术，奥迪的团队打印出多色多材质的透明零部件，将最细腻的设计纹路完美呈现，3D打印技术在LED灯具设计中的价值便由此体现。

LED照明除了应用在大件工业制品上，更重要的应用范畴为家用。从“科技服务生活”的角度出发，3D打印与LED照明结合，从家用领域入手服务于人们的生活。海尔电器与科勒厨卫应用3D打印技术已经有20年的经验，他们将3D打印技术应用于产品设计和制作工艺中，取得了技术上的突破。在打印复杂的部件模型时，3D打印技术可以一次成型，成为最佳的选择。在大量生产之前，首先运用3D打印技术进行部件的结构、外观和功能测试，节约了大量的时间成本和人力成本，相较于传统的CNC机床，节省了60%以上的制作时间。在晚上下班之前将需要打印的部件数字模型输入3D打印机，在早上上班时就可以得到高精度的成品。一盏LED灯具采用3D打印技术可以节省50%的制作时间，相同的时间可生产原来2倍数量的灯具，意味着企业付出的财务成本和人力成本不变，而生产的产品数量翻倍。

互联网、5G等信息领域的技术进步与LED照明领域相结合，催生出了智能照明与智慧灯杆。虽然领域不同，在某种意义上3D打印技术与互联网、5G一样，都拥有无限潜能，在与LED照明领域融合后，可带来巨大的变化和新的增长点。目前，智能照明和智慧灯杆作为热门概念频繁出现在各大展览会上，投资规模和项目标的额连年增长，这些得益于新技术的引入、新方法的融合、新概念的出现。互联网与LED照明结合，产生了智能照明，5G与LED照明结合，出现了智慧灯杆，3D打印与LED照明结合，将出现“智能制造”。3D打印从根本上改变了传统的工业制造，是具有颠覆性的改变。传统制造是在工厂中通过设计、建模、原型制作、设计定型后批量生产再投入市场的生产方式，而在引入3D打印后，设计、建模、原型制作均以数字模型为媒介，通过CAD技术直接实现原型制作，甚至可以跳过原型制作这一步骤，直接由用户通过3D打印机制造个性化产品。同时通过对数字模型的开源，引入设计生产端和用户需求端，将设计生产和市场需求直接连通，有效避免生产与市场的脱节。

3D打印是一种低碳排放的制造过程，这不仅是设计生产中的低碳排放，而是整个产品生命周期内的低碳排放，包括产品的设计生产、部件组装、运输及最后报废处理的各个环节。使用3D打印机制造产品时，通过层层叠加的方法，产生的废弃物少，对材料的利用率更高，这与LED照明的清洁属性不谋而合。LED照明的巨大价值在于低能耗，相比传统光源可直接节约50%的能源消耗，而3D打印将使LED灯具的生产过程更加清洁，需要的资源更少，减少整个生产过程的碳排放。相比传统手段，用3D打印技术制作一个金属灯具可减少75%的碳足迹，而采用可回收的聚酯材料，将更进一步降低整个产业的碳排放水平。诺丁汉大学对3D打印与传统制造所留下的碳足迹进行了深入的对比研究，总体而言，3D打印制造对环境有益，其中至关重要的是优化设计［3］。通过优化设计，应用3D打印生产的灯具减重一半以上，降低了产品运输过程中的碳排放，进一步减少LED照明产品的碳足迹。中国在2020年第75届联合国大会上提出，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。3D打印凭借其清洁、绿色属性，在LED照明产业的碳达峰、碳中和过程中发挥巨大作用。

Stratasys公司、HP公司、Protolabs公司、Ultimaker公司及Hubbell Lighting公司等企业和仁斯利尔理工大学的光学研究中心成立了“光学增材制造联合体”，共同研究3D打印技术在照明领域的潜力，通过提供更高光效率和经济效益的灯具来提升居住环境品质，通过本地化生产来改变供应链结构，增加工作岗位，3D打印在照明工业的应用也将从原型设计阶段逐步过渡到量产阶段。目前，仁斯利尔理工大学已经用复合材料通过3D打印技术制作LED灯具散热器和新型光学透镜。这种方式生产的散热器可满足大多数中低功率LED灯具的散热需求，用金属材料打印的散热器可满足高功率LED系统的散热要求。用目前成熟的材料可制作出可靠的反射光学镜头（reflective optics），但是制作出的透射镜头（transmissive optics）随着时间推移会出现透射衰减。图1中，用3D打印技术制作出的薄板光学透镜照度均匀，易于清洁［4］。

图1 新型薄板光学透镜及其照度

中国目前也在利用3D打印技术开展照明领域的研究。浙江大学进行了3D打印高功率白光LED照明用荧光玻璃体研究，应用3D打印技术制作出具有复杂三维结构的荧光玻璃体，使用石英玻璃固化技术和无压烧结技术制备了高性能的荧光玻璃，并在此基础上与3D打印技术结合，成功制备了传统烧结工艺难以制造的具有复杂三维结构的荧光玻璃体。其他应用还包括用3D打印技术制造小夜灯的灯箱、室内灭蚊灯、ABS塑料浮标等。刘李明等人对3D打印技术在汽车灯具设计中的应用进行了探讨，认为3D打印技术会帮助汽车行业产业升级。朱栩毅设计了一种具有照明功能的3D打印锥形介质天线，是将通信天线隐藏在灯具内的一种做法。3D打印技术日趋成熟，但与传统制作技术相比，3D打印技术还有些重点的技术问题需要研究，包括3D打印的金属零件内部的气孔、裂纹、夹杂、未融合等缺陷的控制，3D打印构件的力学性能和尺寸精度，以及提高打印效率，降低打印成本等。解决这些问题将改变3D打印主要应用于少量原型制作的现状，使3D打印逐渐投入量产［5］。尽管3D打印还存在局限性，现在已经有3D打印的LED灯具开始应用在实际生活中。英国玛莎百货旗下的门店就装配了1.1万个昕诺飞的3D打印LED灯具，为顾客提供灯光沉浸式体验。昕诺飞的3D打印工厂已在荷兰、美国、印度、印度尼西亚等国家落地，昕诺飞也成为全球首家实现3D打印灯具规模化生产的照明公司。

3 结论

3D打印技术已经在汽车工业、电子消费品、航空工业和医学产业得到应用，将3D打印应用于LED照明产业将产生巨大价值。从大件工业品的制造和日常生活用品入手，3D打印与互联网、5G等新技术将共同推动LED照明进入智能制造行业，并凭借其清洁属性，助力LED照明产业碳达峰、碳中和目标的实现。目前，已经有多家企业和研究机构在开展3D打印与LED照明相结合的研究。尽管3D打印还有相关技术问题需要解决，但已开始被应用在实际照明中，3D打印将助力LED照明产业的发展。