基于3D打印技術的模塊化柔性生產

王曉光

摘要：當今市場波動較頻繁，柔性生產對于企業的發展起著至關重要的作用。文章分析了3D打印的特點、優勢及相關應用領域，以及3D打印是如何與模塊化進行結合，接著闡述了模塊化生產的特點以及它對于傳統生產模式的優勢，最后對模塊化生產可行性進行了相關分析。

關鍵詞：3D打?。蝗嵝陨a；模塊化生產；傳統生產模式

一、引言

以多品種、小批量的模塊化生產是相對于傳統生產的另外一種模式。隨著經濟技術的快速發展，企業的競爭形式也在發生變化，它不僅僅是表現為價格、數量、質量的競爭，更重要的是傳統生產方式弊端逐漸顯現，主要表現在：成本增加、過量庫存、適應市場的靈敏度降低。21世紀，市場需求的多品種、小批量生產給企業造成了很大的壓力，而在模塊化生產方式的基本標準下，可以生產出不同種類的產品，更能適應市場的需求，滿足消費者的個性化需求，并且能夠提高企業的生產效率，成本會大大降低。

本文結合傳統生產方式及國內外現狀，對模塊化柔性生產進行研究，以及在這一生產過程中3D打印是如何發揮其獨特的優勢，期望這一模式能得到實際的應用。

二、3D打印技術的模塊化柔性生產

（一）3D打印技術的特點

3D打印技術被稱為快速成型技術，集成了計算機輔助設計（CAD）、計算機數字控制（CNC）、精密機械、激光、新材料技術等于一體，快速將三維模型制成實物原型，是“增材制造”的主要形式。

3D打印技術主要包括立體光固化成型技術（SLA）、熔融沉積成型技術（FDM）和選擇性激光燒結（SLS）等。光固化成型具有成型過程自動化程度高的特點，制作原型表面質量好、尺寸精度高以及能夠實現比較精細的尺寸成型等特點，可用于航空、電器等行業的單件小批量精密鑄造。熔融成型對材料的利用高，而且工藝簡單，材料的成本也較低，可用于中等復雜零部件的生產制造。選擇性激光燒結使材料固化得更加結實，所以可用于精密的結構性功能零部件的生產制造。這些技術的組合使3D打印技術得到迅速發展。

3D打印技術是采用材料疊加的方法來制造零件，即便是沒有模具也可以制造出形狀結構復雜的一些零件，比如說汽輪機葉輪、醫用骨骼等。3D打印技術是對數據采集與處理技術、系統仿真模擬技術、材料技術、計算機圖形技術以及機電加工與控制技術等的綜合運用，技術含量高，可控性強，可以通過仿真技術對零件、產品進行模擬，提高產出實物的精度。

用3D打印技術制造產品可以不用模具而直接制造成型，而且對于大型的模型，該技術也可以大量的縮短制造周期，從三維圖形到實體數據采集制造實體，一般只需要幾個到幾十個小時，這在傳統制造的方法里面是很難達到的。

3D打印技術運用在互聯網時代可以實現遠程操控，用戶只需要在電腦設計出產品形狀就可以傳送到技術中心將實物制造出來，能夠提高資源的利用率是加工廢物減少，也能產生環保效應。

（二）模塊化的柔性制造模式

模塊化柔性制造系統中有加工基本模塊（PMP）、模塊化驅動單元（MAE）、模塊化刀具和夾具（MTJ）和可重構的控制系統（CCS）等基礎模塊。加工基本模塊主要用于加工和改變材料的狀態，如擠壓、鉆孔、銑削等。模塊驅動單元主要用于完成模塊組合的任何啟動運動。模塊化刀具和夾具與加工基本模塊相互配套使用?？芍貥嬁刂葡到y是利用計算機、數控等對加工生產系統能夠進行全方位的控制。

將模塊化生產合理利用可以使生產方式具有柔性的原因在于，模塊化的生產方式是以信息技術為基礎，以模塊化為一種主導模式，運用成熟的管理方法，以能夠滿足顧客的個性化需求為目標的一種生產方式。由于模塊具有獨立性、抽象性、互換性和靈活性等特點，是不同的模塊之間在提高其標準化、通用化和規格化程度的基礎上能夠使不同的模塊進行有效的組合。

模塊化生產的前提是進行模塊化設計。產品的模塊化設計將復雜的產品應用模塊化的相關技術使其被分解成一個個的功能模塊，然后根據模塊間的相似性進行制造結構方面的組合，根據不同的選擇組合，來實現產品的多樣化設計，進而也控制了生產的成本。

模塊化生產能夠充分運用互聯網發展的優勢，信息流通渠道的快速可靠。通過構造一個互聯網平臺，使消費者與企業之間進行良好的溝通和信息共享，從而打破時間和空間上的限制，能使供應鏈的生產快速適應客戶的個性化需求。

模塊化生產在不斷的組合中可以開辟新的發展途徑，大規模定制的組合。傳統的柔性制造模式都是通過設備的高自動化來達到規模經濟，但是由于零件、產品等各方面存在差異，各方面設備的投入成本較為昂貴，分攤到單個產品中將增加成本。模塊化生產將打破這種單個企業的限制，在更大范圍內是實現一種資源的整合，不同的模塊制造商可以整合在一起，各取所需，從而使成本大規模的得到控制。

（三）3D打印技術與模塊化柔性生產的結合

在傳統的制造領域，開模是一件耗時長、難度大和成本高的事情，而3D打印技術的優勢恰好體現在產品設計和模型、模塊設計方面，只要通過數據模型的建立和材料的融合，就能進行相應的生產。傳統的模塊化柔性生產對復雜的生產制造需要投入高成本，并且周期太長，結合3D打印技術的快速成型可以實現快捷、方便、縮短周期和降低成本等目的。

模塊化柔性生產模式通常分為三個層次，首先是系列模塊化的設計過程，這個過程需要根據市場調研的結果來完成，這實際上是對產品的一個前期需求了解過程。其次是對單個產品的模塊化設計過程，這個過程就需要根據客戶的具體要求對特定模塊進行設計與校驗修正。最后一個層次實際上是對模塊的一個選擇和組合的過程。在這些層次中結合3D打印技術，將快速高效的生產出滿足客戶需求并且適應特定市場的實物。endprint

模塊化設計首先要進行產品的市場調查，必須注意市場對同類產品及特定產品的需求量，分析客戶需求來進行相應模塊設計的可行性分析。對搜集的市場數據及產品數據在計算機系統中進行整合分類，制作出相應的3D打印所需要的基礎三維視圖，并結合傳統生產進行功能分類的模塊的打印與制造。

3D打印與模塊生產的結合需要合理確定所覆蓋的產品種類和規格，根據產品所需零部件的精密、尺寸、復雜和材料等要求進行分類，分別選擇立體光固化成型技術（SLA）、熔融沉積成型技術（FDM）和選擇性激光燒結（SLS）等進行零部件的生產打印。

在3D打印和模塊設計過程中要以用戶需求為出發點，明確各模塊間的相互作用與交互關系，建立相應的模塊總布局，形成多個系列的主題模塊，根據相應的需求進行模塊之間的選擇與組合，在進行相關的計算機數據模擬之后就可以進行產品的正式打印生產。

3D打印技術與模塊化柔性生產的結合將是對傳統制造業的一種有益補充。傳統制造業經過多年的發展，其生產工藝較為成熟，將3D打印技術與其進行結合將形成一種互補發展，相互帶動發展將成為制造業創新的發展新趨勢。

三、生產模式及可行性分析

（一） 顧客需求獲取、分析及管理

在大規模定制的情況下，模塊化的產品設計的基本過程要經歷市場信息獲取，產品功能定義，產品模塊劃分與設計，模塊管理等階段。尤其是現在產品服務化趨勢越來越明顯，產品在生產設計過程中，需要越來越多的考慮顧客的因素。在此情況下，產品設計的目的是為了滿足顧客以及特定市場的特殊需求。因此，首先需要對客戶產品需求信息進行獲取與分析。

1. 顧客需求獲取

隨著市場競爭程度越來越激烈，客戶需求變化越來越快，以及需求種類越來越多，如何有效的把握客戶需求成為制造業產品設計制造的一個關鍵因素想要準確的獲取對企業需求的信息，就需要有效的信息獲取和分析的方法?，F在是互聯網時代，網上調查，客戶關系管理，電子商務以及數據挖掘技術都是獲取需求信息的有效手段。通過這些方法，獲取顧客的工作環境，工作空間等以及顧客對產品的功能，適用性，外觀，產品心理價位等信息。

2. 需求分析與管理

在對客戶的需求獲取之后，要對其進行分析，企業需要建立一個信息管理系統，進行客戶管理，需求管理，需求預測，訂單管理等，客戶管理確定客戶的種類，通過各類客戶工作的環境，性格，收入，地區等信息分析其所需產品的大致需求。需求管理將客戶的具體需求進行整理，分類，分成基本需求，次要需求和潛在需求并分析各類需求之間的關系，需求預測通過客戶的信息以及需求的信息對今后可能會出現的趨勢進行預測。訂單管理對訂單的數量，所需產品的種類進行管理，方便企業安排生產計劃。

（二）產品及模式設計

1. 產品設計

產品設計主要步驟有產品功能分析，功能模塊設計，結構模塊設計，服務設計等。

產品功能分析需要客戶的功能需求信息，從需求中分析顧客對產品的要求，可以利用功能結構樹，將功能分級，分為物質功能與精神功能，再往下分為技術功能，實用功能，環境功能，象征功能，審美功能，教育功能等，上一層的功能需要下層子功能相互協調完成。在此過程中可以使用QFD設計方法來進行設計。

構建完成產品功能體系之后，通過客戶需求到產品功能需求的映射，將上述各個子功能分為基本功能模塊，次要功能模塊以及個性功能模塊。3D打印技術主要應用于個性模塊的生產制造當中。

依據功能結構樹，進行產品結構設計，產品結構與功能模塊一一對應，利用CAD，CAM技術對產品進行建模，得出各個零部件的公差、尺寸、精度等信息，分析各零部件是否可以使用3D打印進行制造。

現今產品服務化趨勢明顯，在進行產品設計時也要對產品的服務方面進行設計，定制生產成為主流生產方式，使得產品的標準化零件不能做到通用，對產品的售后服務方面有巨大的考驗，通過對客戶信息以及產品的管理，在各地區設置3D打印服務網點，顧客可以根據自己的需求，在產品平臺上自己設計并利用3D打印技術，對個性化零件進行生產，為客戶提供維修，零部件更換等服務。一方面可以提高生產系統柔性，另一方面也可以提高顧客滿意度。

2. 工藝設計

工藝設計主要有工藝分析，工藝方案等步驟。

通過工藝分析一方面可以審查零件的結構形狀及尺寸精度、相互位置精度、表面粗糙度、材料及熱處理等的技術要求是否合理，是否便于加工和裝配，是否可以使用3D打印技術；另一方面可以對零件的工藝要求有進一步的了解，方便3D打印技術與傳統生產線相結合，以便制訂出合理的工藝規程。

編制工藝方案的依據是：產品的設計性質（即：是創制還是仿制，是系列基型還是變型，是通用還是專用），產品的生產性質（即：是長期性生產還是短期性生產），產品生產規模（批量），產品生產方式（即：是大量連續生產還是成批輪番生產）。

通過以上兩部分分析，將生產系統模塊化分為：基本加工模塊，3D打印模塊，模塊化的夾具，模塊化的驅動單元以及可重構系統?；炯庸つK使用傳統加工工藝生產標準化零件，3D打印模塊生產個性化以及符合工藝方案的零部件，二者通過零部件的結構形狀及尺寸精度、相互位置精度、表面粗糙度、材料及熱處理等的技術要求以及加工，裝配的便利程度，成本，時間等要素進行分析分類。

3. 生產設計

由于3D打印是快速成型，一體化制造技術，生產計劃，庫存計劃等方面的要求也會相應的有所變化，在生產方面，由基于預測的庫存生產轉向相應客戶需求的定制生產，所以在生產系統需要極大的柔性以快速轉變產品種類，所以需要以3D打印為核心，基本生產模塊配合生產。

3D打印可以直接將原材料轉變為功能性零部件，不會受限其他零部件的庫存，在生產時間上面可以依據客戶訂單管理提前生產，再根據個性化零件的數量來確定基本加工模塊的生產，再輔以可重構控制系統，達到快速響應生產的效果，并以此來確定采購計劃，物料需求計劃，庫存計劃等。endprint

（三）方案可行性分析

在經過產品設計，工藝設計以及生產設計之后，可以得到若干個方案，每個方案中都由若干傳統加工模塊與3D打印模塊組成，方案是否可行，3D打印技術是否可以應用，需要對每個3D打印模塊與傳統加工模塊比較，進行可行性分析，本文主要對經濟可行性及技術可行性進行分析。

1. 技術分析

技術可行性分析主要考慮工程技術標準，加工，資源，零件精度要求，工藝復雜程度，裝配程度等方面。這些要素信息可以通過產品設計以及工藝方案中得到具體數據。

3D打印在工程技術標準及零件精度方面，3D打印產品精度高，并且一體化成型，消除原有公差配合所帶來的問題，有助于提高產品質量。在加工方面，3D打印具有無刀具特征，無裝夾特征，自由孔結構等特點。在資源方面，3D打印是堆積成型技術，資源不存在浪費，以及原材料為非標準型，可以減少加工步驟。裝配方面，一體化制造技術可以大量減少裝配難度及要求。

2. 經濟可行性分析

企業以盈利為目的，所以方案不僅要考慮技術上的可行，也要考慮經濟可行性，因此從工程技術標準，加工，資源，零件精度要求，工藝復雜程度，裝配程度等方面考慮，建立評價體系量化要素，分別分析各個3D模塊以及相對應的傳統加工模塊的生產效率和設備成本、人員成本、材料成本、這些信息可以從庫存計劃、生產計劃、工藝方案中獲取。

通過對各個模塊的技術及經濟分析，從生產柔性，生產成本，生產效率，顧客滿意度等方面出發，經過專家評定，選擇最終滿意的方案，從而進行試驗，投產。

四、結語

本文結合模塊化生產的特點，對模塊化生產進行相關的分析，主要包括產品設計、工藝設計、產品計劃設計等分析，而這一過程還要結合計算機CAD技術、CAI技術等對產品進行建模仿真，從而不但可以滿足市場客戶的需求，而且還能夠降低生產的風險、成本，從而能夠進一步提高企業的經濟效益。而3D打印作為一種快速成型技術，在生產過程中可以縮短生產周期，對原料的利用率幾乎達到100%。鑒于這一基礎，3D打印與模塊化生產進行結合，它們既能發揮各自的優勢又能進行優勢互補，從而能夠大大提高企業的生產率，進一步提高企業的經濟效益。模塊化生產是當今的一種生產趨勢。但是由于目前3D打印在我國還不太成熟，并且3D打印技術受材料、市場、人才等因素的限制，從而只能生產諸如工裝夾具等結構相對簡單的產品，而生產一些功能很復雜的產品還不是很成熟。因此迫切需要政府、企業等相關部門對3D打印技術進行大量的人力、物力、財力的投入，3D打印技術會逐步走向成熟，從而這種模塊化生產方式會更加靈活，以便更能滿足市場消費者的需求，進一步推動我國的經濟的發展。

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（作者單位：杭州電子科技大學管理學院）endprint