從3D打印技術(shù)到工業(yè)4.0的路徑探索

陳歆研

摘要：作為一種快速成型工藝，3D打印技術(shù)必定會(huì)給未來制造業(yè)帶來革命性的變革；一方面，傳統(tǒng)制造業(yè)的規(guī)則將被徹底改變，另一方面，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與造型的設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)方式亦被改寫。但是，當(dāng)前很多學(xué)者在看待這一新技術(shù)時(shí)往往片面強(qiáng)調(diào)個(gè)性解放、設(shè)計(jì)民主化，并相信這些是顛覆傳統(tǒng)制造業(yè)的內(nèi)在動(dòng)力。但筆者認(rèn)為，雖然傳統(tǒng)工業(yè)模式必將改變，但其內(nèi)在動(dòng)力并不是消費(fèi)者個(gè)性表達(dá)的泛在化，而是由制造方式及協(xié)作方式的轉(zhuǎn)變所驅(qū)動(dòng)的，3D打印技術(shù)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的技術(shù)路徑之一。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；產(chǎn)品設(shè)計(jì)；工業(yè)4.0；產(chǎn)業(yè)協(xié)作

中圖分類號(hào)：F416文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）10（a）-0000-00

3D打印也被稱為快速成型技術(shù)，快速成型是指對(duì)產(chǎn)品最終形態(tài)的一次性成型，但是在小批量制造領(lǐng)域其速度其實(shí)并不快，這也是當(dāng)代3D打印技術(shù)尚未突破的難點(diǎn)。同時(shí)，3D打印技術(shù)是以增材方式完成制造，這一原理天然決定了這一技術(shù)對(duì)材料的節(jié)省。從德國工業(yè)4.0的精神來看，智能制造、綠色制造，泛在制造是其關(guān)鍵點(diǎn)，那么3D打印技術(shù)完全可契合智能制造與綠色制造的精神。

1 傳統(tǒng)工業(yè)體系下的產(chǎn)品平衡態(tài)理論

傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)是建立在工業(yè)革命以來所形成的大批量生產(chǎn)方式之上的。為了創(chuàng)造更多利潤，大規(guī)模生產(chǎn)成為一個(gè)必然選擇，制造方必須生產(chǎn)能被大多數(shù)人所接受的產(chǎn)品，滿足大眾化需求。雖然傳統(tǒng)工業(yè)模式并不盡如人意，但是在很長的時(shí)間周期中，每種按照批量生產(chǎn)法則而設(shè)計(jì)的產(chǎn)品都已經(jīng)形成了一個(gè)自在演化的生態(tài)圈，并達(dá)到了一種難以輕易顛覆的平衡。以汽車為例，一部基于燃油動(dòng)力的、以傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)方式生產(chǎn)的汽車，必須同時(shí)滿足多種條件的達(dá)成，才能成為一部合格的汽車。比如發(fā)動(dòng)機(jī)的布置必須滿足安全和穩(wěn)定性；駕駛艙在遮蔽風(fēng)雨的同時(shí)又必須可承受一定強(qiáng)度的撞擊；車門開啟的方式既要滿足方便性還不能破壞車身力學(xué)結(jié)構(gòu)；每個(gè)部件既要滿足功能又要能夠被批量制造等等，汽車之所以成為今天的形態(tài)，是經(jīng)過漫長演化而得到的平衡狀態(tài)。在各種目標(biāo)的互相沖突中，產(chǎn)品形式不斷演化和妥協(xié)，達(dá)到了一種平衡。因此，在工業(yè)設(shè)計(jì)行業(yè)里常常提及的關(guān)鍵能力，是要求設(shè)計(jì)師能更準(zhǔn)確的理解產(chǎn)品。事實(shí)上這種理解力的對(duì)象，就是產(chǎn)品的平衡狀態(tài)，新的設(shè)計(jì)方案一定要達(dá)成一種新的平衡狀態(tài)，才具有“產(chǎn)品——商品”的價(jià)值，這就是所謂產(chǎn)品平衡態(tài)理論。

2 基于3D打印技術(shù)構(gòu)建產(chǎn)品新平衡態(tài)的機(jī)會(huì)

過去，產(chǎn)品設(shè)計(jì)難以在每個(gè)項(xiàng)目上都獲得極具創(chuàng)新的突破，就是因?yàn)椴蝗菀状蚱婆f系統(tǒng)去建立新的平衡態(tài)。而3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，就在很多產(chǎn)品領(lǐng)域?yàn)槲覀兲峁┝藰?gòu)建新平衡態(tài)的機(jī)遇。

2.1達(dá)成特殊功能的全新平衡態(tài)

航天發(fā)動(dòng)機(jī)的尾推管，管體內(nèi)有許多熱交換流道。在過去的設(shè)計(jì)中，由于制造技術(shù)的制約使很多優(yōu)化想法無法實(shí)現(xiàn)。而采用3D打印技術(shù)及可以把內(nèi)部流道直接打印出來，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的熱交換。同理，應(yīng)用3D打印技術(shù)也可打印出多級(jí)葉輪、戰(zhàn)機(jī)的隔柵板。隔柵板最初的設(shè)計(jì)是平面型的，且需加工很多均勻小孔。按照優(yōu)化設(shè)計(jì)的思想，格柵板零件應(yīng)是曲面型及彎曲的。傳統(tǒng)工業(yè)手段幾乎難以實(shí)現(xiàn)這種形態(tài)，只有用3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)。所以，3D打印技術(shù)的出現(xiàn)極大地改變了飛機(jī)設(shè)計(jì)的思路。

2.2基于3D打印成型方式創(chuàng)造復(fù)雜結(jié)構(gòu)的全新平衡態(tài)

3D打印使復(fù)雜的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)成為可能，同時(shí)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一體化趨勢(shì)逐漸呈現(xiàn)。傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝中產(chǎn)品多由若干部件組裝構(gòu)成主體結(jié)構(gòu)，而組裝結(jié)構(gòu)有時(shí)候會(huì)增加復(fù)雜度和故障率，生產(chǎn)和裝配過程也會(huì)額外大量材料及能源。而3D打印的“增材”制造可以帶來一體化結(jié)構(gòu)，使產(chǎn)品變得簡單，特殊結(jié)構(gòu)就不需要再組裝，既提高了效率，也提高了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和可靠性。比如SLM（金屬激光燒結(jié)技術(shù)），是用激光有選擇分層燒結(jié)金屬粉末，使燒結(jié)成形的固化層疊加生成所需形狀，得到近乎致密的金屬零件。飛機(jī)的一些關(guān)鍵部件是由鈦合金加工而成，運(yùn)用SLM技術(shù)，既可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的部件，又可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性的最優(yōu)化強(qiáng)度，同時(shí)還降低了制造成本。

3 3D打印對(duì)實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的作用

3.1 3D打印技術(shù)的結(jié)構(gòu)性局限

今天，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)促使社會(huì)協(xié)作開始轉(zhuǎn)型，小型組織的崛起以及分布式的設(shè)計(jì)行為似乎成為必然趨勢(shì)。很多人認(rèn)為在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代出現(xiàn)的長尾模式可以滿足過去難以被滿足的小眾化需求，這是基本準(zhǔn)確的。但是3D打印讓設(shè)計(jì)者同時(shí)成為制造者，并將其視為泛在制造的體現(xiàn)，筆者就不敢認(rèn)同了。工業(yè)4.0如果是讓人們退回到前工業(yè)化時(shí)代的協(xié)作方式，那就是歷史的倒退。

3D打印技術(shù)雖然可以帶來新的設(shè)計(jì)機(jī)遇，但是很多產(chǎn)品的平衡態(tài)都需要系統(tǒng)化解決，這個(gè)是單獨(dú)依靠一個(gè)3D打印技術(shù)所解決不了的。例如制造一部手機(jī)，3D打印機(jī)可以打印個(gè)性化的外殼，甚至利用全新材料制造屏幕，但依然無法解決芯片級(jí)的制造和不同化工原材料的電氣化集成。一個(gè)高度系統(tǒng)化的產(chǎn)品，其平衡態(tài)也必須依靠系統(tǒng)化手段才能達(dá)成。3D打印技術(shù)只是在設(shè)計(jì)層面開辟了機(jī)遇，但不能成為構(gòu)建新系統(tǒng)的唯一手段。個(gè)體設(shè)計(jì)行為可以越來越多，但個(gè)體制造的大量涌現(xiàn)，基本不會(huì)出現(xiàn)。

3.2 未來制造模式

3D打印技術(shù)一定會(huì)促進(jìn)未來的制造模式發(fā)生改變，但它不會(huì)是分布式的，而是進(jìn)一步的集約化。人類從工業(yè)化大生產(chǎn)中獲得的最大收益是學(xué)會(huì)分工與協(xié)作。只有進(jìn)一步的分工，才會(huì)解放人類對(duì)物質(zhì)數(shù)量的依賴。在未來，最合理的發(fā)展路徑是所有工廠都變成柔性制造商，而且徹底與設(shè)計(jì)、研發(fā)、銷售相剝離。當(dāng)3D打印及工業(yè)機(jī)器人等技術(shù)日趨成熟，未來工廠也將不再是勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，而徹底成為依靠自動(dòng)化和數(shù)據(jù)化驅(qū)動(dòng)的柔性、智能的制造工廠，制造成為其唯一職能。其客戶可能是各種各樣的中小型研發(fā)團(tuán)體、設(shè)計(jì)組織及個(gè)人，按需制造特定數(shù)量的產(chǎn)品或部件。在工業(yè)4.0應(yīng)有的模式中，3D打印技術(shù)的最大作用，就是促進(jìn)傳統(tǒng)工廠全面轉(zhuǎn)型為智能工廠的技術(shù)基礎(chǔ)。

3.3 設(shè)計(jì)主體與制造主體之間的關(guān)系

基于互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代日益發(fā)達(dá)的信息化基礎(chǔ)設(shè)施，人們更容易連接、分享、發(fā)布，這樣就帶來了更低成本的社會(huì)化協(xié)作。當(dāng)大量小眾需求通過眾籌、微信等這類平臺(tái)表達(dá)，分布式設(shè)計(jì)行為就已經(jīng)誕生了，這就是所謂長尾理論。但是如果集約化、智能化的制造主體還未形成，工業(yè)4.0則不會(huì)徹底出現(xiàn)。在未來，一旦智能工廠開始涌現(xiàn)，設(shè)計(jì)和制造將徹底分離。設(shè)計(jì)主體是隨機(jī)分布的，不受地域限制的。但制造主體更集約化，只是體力工作者變少而設(shè)備居多，與物流通路的依存更緊密。兩者的溝通可以變成全面的遠(yuǎn)程化，設(shè)計(jì)者可能在國外，但產(chǎn)品制造產(chǎn)地可能就在身邊。3D打印技術(shù)的真正成熟，可能就是壓倒傳統(tǒng)工業(yè)這片多米諾骨牌的最后一根稻草。

4 結(jié)語

德國工業(yè)4.0的構(gòu)想向我們揭示了未來趨勢(shì)，而3D打印技術(shù)將可能激活這個(gè)未來。3D打印帶給我們新的結(jié)構(gòu)、形態(tài)設(shè)計(jì)的可能，帶來產(chǎn)品的新平衡態(tài)，它也是人類新協(xié)作模式的窗口，成為工業(yè)4.0的核心驅(qū)動(dòng)力。

參考文獻(xiàn)：

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