3D打印分布式云智能制造綠色生態模式創新研究

萬航 徐恒偉

摘 要

3D打印作為人工智能領域的前沿科技，引領著技術變革，顛覆了傳統的制造模式，有著劃時代的意義。本文在3D打印原有的基礎上打破時間和空間的壁壘，進一步研究3D打印機分布式云智能制造新型模式，進行綠色生態模式創新研究，在降本增效的同時對環境保護提出了更高的要求。

關鍵詞

3D打印;分布式;云智能制造;綠色生態模式

中圖分類號： TP391.73;F426.6 ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.038

Abstract

As the cutting-edge technology in the field of artificial intelligence，3D printing is leading the technological change，subverting the traditional manufacturing mode，and has epoch-making significance.On the basis of the original 3D printing，this paper breaks the organizational barriers of time and space，further studies the new model of 3D printer distributed cloud intelligent manufacturing，carries out the innovation research of green ecological model，and puts forward higher requirements for environmental protection while reducing costs and increasing efficiency.

Key Words

3D printing;Distributed;Cloud intelligent manufacturing;Green ecological model

當今世界，人工智能、綠色生產已儼然成為制造業的必然發展趨勢。云智能制造設備集遙感、分析、算法功能于一體，是先進工業化水平、智能控制技術的整合與深度融合，已經成為世界各國搶占的高地。智能制造業的產業化及大力實踐正在催生云智能制造水平的提升，而3D打印作為人工智能領域的前沿科技，引領著技術變革，顛覆了傳統的制造模式，有著劃時代的意義。本文所涉及的3D打印分布式云智能制造綠色生態模式更是將區域化零為整，進行線上資源整合和線下合理利用，兼顧了綠色生態保護和創新技術的發展。

作為第三次工業革命重要標桿的3D打印引起了全民的廣泛關注，中國為此專門先后出臺了重要文件—《國家增材制造產業發展推進計劃（2015～2016）》和《中國制造2025》，以推進這一新興產業的發展。為此在3D打印原有的基礎上打破時間和空間的壁壘，進一步研究3D打印機分布式云智能制造新型模式，進行綠色節能生態創新研究，在降本增效的同時對環境保護提出了更高的要求。雖然，3D打印/增材制造技術不可能完全取代消費品市場的大規模生產模式，但不可否認的是，產品的批量和產品的綠色生命周期正在急速縮小和縮短。而消費者追求個性化的意識更強了，消費者品位的變化倒逼著消費品市場尋求更加靈活的生產方式。與傳統制造業技術相比，現在的3D打印技術正在以前所未有的速度快速發展，許多公司正在使用綠色生態技術更有意義地進行批量與成本效益的權衡。

1 在傳統3D打印平臺基礎上，創建智能管理云平臺

智能管理云平臺由智能云集成化平臺、3D打印公眾需求創新平臺和大數據分析下的定制化生產平臺構成。集成化系統依據公眾需求平臺提出的智能云服務要求，提供相應的智能云系統服務。比如，Fraunhofer研究所和Authentise公司均搭建了相應的3D打印智能云交流服務平臺，結合本校智能控制技術專業3D打印設備，研究出一套適用于學校教學科研和企業管理設計規劃的智能云平臺系統。具體包含如下：

1.1 智能云集成化平臺

智能云集成化平臺匯聚大數據、云計算與物聯網、互聯網等新興信息技術產業，為公眾需求創新平臺提供原始數據和技術支撐，進行智能云計算服務。云計算技術能夠全盤調度網絡環境中的合理資源，形成持續提供數據支持，公眾需求用戶隨時可以提供大數據的系統化資源池;大數據依托云計算分段式的處理手段，對海量數據進行挖掘與分析;物聯網、互聯網可通過智能控制傳感器進行實時信號采集，收集各種信息，這些資源信息經云計算后可獲得智能化生產和生活所需的云數據，以實現物物、物人的網絡銜接，便于鑒別、管理和實施。

1.2 3D打印公眾需求創新平臺

3D打印公眾需求創新平臺借助智能云集成化平臺的大數據動態交互功能，在需求創新、產品研究、產品制造、客戶評價和反饋等環節為企業和社會公眾提供實時動態服務，從而實現消費者個性化追求與企業的制造能效的實時匹配與對接。眾包與搜索引擎是公眾需求創新平臺的關鍵實現手段，創新型企業通過眾包能夠便捷有效地設計出符合消費者需求的個性化產品。各類消費群體通過搜索引擎追尋能夠滿足自己需求的3D打印原材料，獲取增材相關的技術支持與手段。

1.3 大數據分析下的定制化生產平

在以3D/增材打印為生產核心技術的數字化制造過程中，從原始模型的創建，到生產工序、工藝參數、3D仿真、材料性能、質檢過程，全套供應鏈下產生了海量的數據需要分析和研究。僅僅是金屬3D打印過程中就有50多個變量相互發生作用。這些剪不斷理還亂的大數據，為云智能增材制造帶來挑戰的同時也帶來了機遇。

3D打印的快捷性和時效性使得生產訂單的需求方式發生了根本性的變化。原來是公司需要預估生產哪些，產量多少，然后進行大規模生產，按此模式時常會出現產能過?；蛘卟蛔愕那闆r。而3D打印技術可以做到按需生產，通過大數據獲得客戶定制化訂單，快捷生產，零庫存，實時發貨與專屬售后跟蹤評價。應該說3D打印技術變革帶來了供應鏈的生態調節，供應鏈的轉變與創新帶來了數據量的變化，而數據量的變化與整合進一步強化了3D打印在應用端的滲透能力。此外，三維增材建模與生產平臺是對應的，這些數據是龐大而繁雜的，這意味著它們需要更多的服務器架構存儲空間，嚴密的安全性和敏銳的歸檔措施。圍繞這些個性化需求必將誕生出大數據分析下的定制化生產平臺，并將衍生出物聯網下“3D打印+大數據”的靈活商業范疇。

2 設計3D打印分布式智能制造的創新方式和模型架構

對于傳統集中智能制造的模式來說，雖可以大規模生產，保證供應鏈的產量和配置，但在靈活應對客戶需求方面卻是令人擔憂。而3D打印分布式智能制造的創新方式和模型架構，正好利用了大數據分析與運算，創新生產，整合資源，需求化地進行分配生產，具體有以下兩種模式。

2.1 全價值供應鏈下的3D打印分布式智能制造創新模型的建立

對傳統集中智能制造模式做進一步改進與挖掘，設計出全價值供應鏈下的3D打印分布式智能制造創新模式，與前者相比該模式創新如下：首先，3D打印分布式制造代替了大規模集中制造;其次，系統化的生產物流轉變成為最后一公里的產品配送物流;第三，零部件供應商和產品庫存逐漸消失;最后通過搜索引擎和眾包的推廣，網絡平臺公眾中的創新創業者可以充分參與企業技術孵化和創新研究。

2.2 跨界融合技術變革下的3D打印分布式智能制造創新模式的建立

隨著物聯網、云計算、大數據挖掘等新興技術產業深度融入各行業領域，企業的業務邊界變得模糊不清，這種改變將深度影響高興企業的生產與制造模式，甚至重構企業內涵和組織架構。在這一大變局下，企業勢必將進行跨界融合，進行多領域多范圍的創新合作，基于此，在全價值供應鏈模式的基礎上再提出一種可跨界融合技術變革模式的3D打印分布式制造方式。該模式下，虛擬VR決策層替代了企業實際的決策管理層，而工商一體化的產品自制轉變為外包產品制造模式。

3 創建3D打印綠色生態模式

從綠色環保生態角度出發，通過3D打印云智能制造，大幅節約了原材料的使用，不論是從物聯和互聯角度還是綠色作業、精密制造角度考慮，都將完全顛覆傳統工業化制造范疇，對生態環境的保護有著改善作用，意義重大。研究主要包含以下三方面內容：

3.1 3D打印綠色生態生產模式

3D打印綠色生態生產模式是指在保證3D打印相關研發產品的功效、功能和成本的前提下，全盤考量環境因素和資本效率的現代生產創新模式。它使產品從研發、生產、配送、運用到報廢的整個產品生命周期中不導致環境污染或污染可控最小化，遵循環境保護條例，對生態環境無害或者危害很小，使得3D打印資源集成度最高、能耗最低。由于3D打印離不開電子應用技術，而智能制造發展迅速，規模也逐漸龐大，廢棄電子零部件逐年增多，對環境層面的影響很大，為了應對這種局面，提出了綠色生態模式的概念，進行綠色生產制造。

3.2 3D打印技術綠色低碳設計

在加工業里，低碳意味著“綠色低碳排放控制”，一種更有效節能減排的設計理念。加工過程僅僅是創新制造的一部分，電子廢品是大規模生產對環境造成的一種災難性污染。低碳設計降低了整個產品生命周期內的污染性，包括從產品研發到產品生產、裝配、運輸以及最終的報廢處理。3D打印技術的變革勢必對環境保護優化提出更高的標準，綠色低碳設計的重點是力求將節能減排融入3D打印全過程中，其中最主要的一環來自增材的循環利用加工和再設計，穿插在整個設計過程中，對于生態環境的保護起到至關重要的作用。

3.3 3D打印綠色材料選擇

3D打印綠色材料選擇是一項系統而又復雜的工程。在保證產品綠色性的同時，還得兼顧其質量、成本和功能屬性等。綠色節能減排產品要求構成產品的原料具有綠色效應，即在整個物料生命周期內，這類原料應有利于降低能耗，生產負荷最小。具體分析來說，3D打印綠色材料設計時，材料選擇應從以下幾點考慮：第一，精簡所用材料門類。精簡3D打印材料門類，不但可以簡化產品架構，便于物料的研發、使用和標識，而且在相同的產品數量上可以得到更多的某種回收原料;第二，計算機仿真設計，運用算法創造了新的產品種類，由于是專門依據周邊環境設計的，因此一個有創新構思的零部件可以使用相當長的時間，也更能節約有限的資源配置。

4 總結

3D打印分布式云智能制造綠色生態模式創新具有劃時代的理論作用和實踐影響，采用云智能平臺進行大膽革新，通過3D打印加工技術的典型性能，結合新興信息化手段（含大數據、云計算和物聯網等）進行深度融合，可以實現3D打印云智能創新;采用分布式制造的方式，能夠將具有不同生產規模和能力、并且處于不同地域上的制造商達成合作關系，提供快速響應市場需求的產品和服務;采用3D打印綠色生態模式，降本增效，綠色生產，將環境保護和3D打印材料的有效利用相結合，力求做到原材料的低功耗、環境負荷最小化和3D打印材料的可再生回收利用。

參考文獻

[1]盧秉恒，李滌塵.增材制造（3D打印）技術發展[J].機械制造與自動化，2013，42（4）：1-4.

[2]韓清池，趙國杰.國外消費者創新研究現狀與展望[J].科技管理研究，2016，36（5）：76-81.

[3]應懷樵，沈松，李旭杰.第三次工業革命與“軟件制造”及“云智慧科技”[J].計算機測量與控制，2014，22（3）：646-649，673.

[4]李滌塵，賀健康，田小永，等.增材制造：實現宏微結構一體化制造[J].機械工程學報，2013，49（6）：129-135.

[5]李伯虎，張霖，任磊，等.云制造典型特征、關鍵技術與應用[J].計算機集成制造系統，2012，18（7）：1345-1356.