基于云制造的3D打印機應用模式研究*

李 強 張 帥

(內蒙古科技大學機械工程學院，內蒙古 包頭 014010)

我國制造業正處于升級轉型的關鍵時期，制造的服務化、創新化和資源調配與協同是企業競爭的關鍵因素，如何提出新的制造模式滿足企業的需求是能否成功轉型的關鍵。從“八五”到“十一五”我國科技部在國外先進制造思想的基礎上開展了相關研究與應用[1]。在借鑒外國已有的先進制造模式(如眾包生產 C-Sourcing[2]、工業產品服務系統 IPS2)的基礎上提出了一種面向網絡化服務的制造模式——云制造。云制造是一種面向服務、高效低耗和基于知識的網絡化制造新模式[3]。

3D打印技術是由20世紀70年代末、80年代初出現的快速成型技術發展而來的一種先進制造技術[4]。它是將三維模型進行切片處理，逐層堆積材料來生成三維實體的技術，由于是通過增加材料進行生產制造，因此又稱為添加制造[5]。它具有傳統制造所不能比擬的優勢：(1) 數字化制造：借助三維軟件將產品的三維模型構建出來，驅動3D打印機進行制造。構建的三維模型可以通過網絡進行傳遞，實現異地分散化制造。(2) 產品多樣化：由于3D打印技術的一體化成型的特點使得打印單個和大批量、個性化和多樣化產品的成本保持不變。(3) 直接制造：無需模具，任何復雜難成型的部件均可通過3D打印機一次性制造出來，不需要進行組裝焊接等復雜過程來實現。(4) 快速制造：3D打印制造工藝流程短、全自動、可實現現場制造，因此，制造更快速高效。(5) 無限的材料色度[6]：3D打印可以把基本的顏色組合起來產生新的顏色，也可以把基本材料組合打印產生新材料。但目前我國的3D制造業市場比較零散、主導的技術標準和開發平臺尚未確立，技術研發和推廣應用還處于無秩序狀態。

本文在云制造和3D打印技術的基礎上建立3D云制造平臺，整合3D打印市場，彌補了當前3D打印市場的缺點，有利于3D打印產業的發展和3D打印技術標準的確立。

1 3D云制造模式簡介

1.1 3D云制造平臺介紹

3D云平臺是面向廣大群眾、基于服務、能夠商業化運行的云制造平臺。如圖1所示，3D云平臺由資源提供端(3D打印機設備提供方)、服務請求端(對3D打印產品有需求的客戶)和云服務平臺(交易橋梁)組成。資源提供端通過云平臺將可提供服務的3D打印機進行虛擬化封裝發布；服務請求端通過云平臺發出服務需求；云服務平臺根據提交的服務請求，通過強大的云計算技術在云制造資源池進行匹配，尋找符合服務請求的3D打印機設備，并為客戶提供服務。

1.2 3D云制造體系架構

根據現有的對云制造體系架構的研究文獻，結合3D打印機的特點和數字建模的分析優化過程提出了3D云制造的體系架構，如圖2所示。

第一層：以三維建模軟件為平臺設計層，這里以SolidWorks軟件為例。

將要3D打印的產品/零件可通過3種方法進行制造：(1)根據設計人員提供的設計圖紙進行數字建模，導入3D打印機進行打印。(2)如果有實物，利用3D掃描儀進行掃描，將掃描得到的數字模型導入3D打印機進行打印。(3)在數據庫中查詢模型，選擇需要的數字模型進行打印。

上面的3種方法是針對不同情況而言的。眾所周知產品制造過程中沒一個過程都需要投入大量的人力物力，這些都會造成成本升高。所以在打印時先從模型庫中查找，模型庫中的模型全部都是經過反復優化的能正常使用的模型，如果有則可以直接進行打印；如果有產品/零件的實物，則可以通過3D掃描儀進行掃描直接得到數字模型，直接打印制造；若是新研發的產品，則只能進行三維建模生成數字模型。

第二層：以ANSYS、ABAQUS、fe-safe軟件為平臺分析優化層。

利用SolidWorks軟件構建的三維模型可以導入上述3種分析軟件進行相關的計算分析，找出其中不恰當的地方進行優化改進。例如在打印齒輪時，先對齒輪的三維數字模型進行疲勞強度計算、流體力學計算，壽命預測等一系列分析后，各方面都符合要求然后再進行打印制造。

第三層：以3D打印機為基礎的制造層。

將上述合格的產品模型通過網線或Internet網傳送給3D打印機進行打印，經過后處理產品即完成制造。

1.3 3D云制造的特點

3D云制造模式是一種面向多用戶的，按需獲取資源、即用即得、按時付費的新型網絡制造新模式。與敏捷制造[7]、全球化制造、制造網格、應用服務提供商[8]為代表的網絡化制造相比，具有以下特點：

(1)集中管理合理分配。傳統的網絡化制造模式主要強調“分散資源集中使用”的思想，缺乏對服務的集中管理和運營，導致沒有動力促進持續提供高質量服務。3D云制造模式不僅強調分散資源集中使用而且強調集中資源分散使用的思想，服務模式是多對多服務而不是傳統的一對多或者多對一的服務，而且在整個服務過程中都有云平臺運營方集中監控管理，保證各方利益，可持續促進良性循環。

(2)全面虛擬化服務化。傳統的網絡化制造主要是對各類“軟資源”(軟件應用系統、制造數據等計算和信息資源)的封裝和發布。3D云模式不僅對設計制造過程中的軟件資源進行封裝發布，而且對3D打印機、材料等硬件資源進行虛擬化封裝發布，即軟硬件資源全部以服務形式發布。連接到云平臺的所有客戶均可通過云制造平臺完成產品設計、分析優化、制造、試驗、管理等產品全生命周期過程各類活動的業務。

2 應用與案例分析

以對數螺旋錐齒輪的制造過程為例。對螺旋錐齒輪具有傳動性好，承載大，振動噪音小，應用范圍廣等優點。但對數螺旋錐齒輪的幾何特性與嚙合過程及其機床結構和加工調整都非常復雜，同時加工刀具、機床參數設置、加載變形和裝配誤差等各種因素、質量和性能的保證十分困難[9-11]。目前對數螺旋錐齒輪還處于研究階段并未有哪條文獻明確表明要應用在哪一領域，這不利于研究的發展。利用3D云制造平臺完成對數螺旋錐齒輪的研究工作將會節省大量時間和人力物力，例如研究對數螺旋錐齒輪在飛機上的應用研究過程如圖3所示。

由于對數螺旋錐齒輪的各種優良特性，某飛機廠決定將對數螺旋錐齒輪應用在飛機上，通過云平臺客戶端發起服務請求。根據云平臺連接的軟、硬件資源，經云計算智能匹配后形成服務流程：A大學設計對數螺旋錐齒輪并數字建模(A大學為最早發起并研究對數螺旋錐齒輪的學校，有豐富經驗)——專家系統進行分析優化(涉及到飛機的各種條件數據，有可能涉及機密，由專家進行分析優化)——某3D打印設備商進行制造(根據材料、精度、運輸費用等計算得出最優解)——成品試驗(選擇符合條件的試驗單位進行可靠性試驗)。

整個設計制造過程中涉及到的軟、硬件資源都是以按時租賃的方式完成。A大學通過3D云平臺的CAD、SolidWorks等設計軟件完成齒輪的設計建模工作；將模型傳送給專家系統后，專家通過云平臺的ANSYS、ABAQUS等分析軟件，結合自身經驗輸入相應數據進行分析，找到薄弱環節進行優化改進；模型最終確定后，云平臺將模型傳送給匹配到的3D打印機進行打印，經后處理、質量檢測合格后會運輸到指定試驗單位進行可靠性試驗；最后試驗檢測無誤后即可大批量生產。

3 結語

3D打印機云制造模式目前處于試驗階段，已經接入部分3D打印機，完成接入打印機的虛擬化、數據標準化工作，但距離最終目標還有很大距離。其中涉及的云安全、服務管理還需進一步優化。從上述案例中可以看到由于3D打印機的特點，原本制造復雜的對數螺旋錐齒輪由3D打印機制造，一步即可完成，完美解決了傳統制造工藝難的問題。進一步證明將3D打印機與云制造結合是可行的、有利的。3D云制造模式不僅會促進制造業新模式的發展，同時會促進3D打印行業的發展。