姜　康　郭　磊　張　騰　凌飛陽

(合肥工業(yè)大學交通運輸工程學院，安徽 合肥，230601)

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基于綠色設計理念的增材制造技術(shù)研究*

姜康郭磊張騰凌飛陽

(合肥工業(yè)大學交通運輸工程學院，安徽 合肥，230601)

根據(jù)近年來人類社會面臨的生態(tài)環(huán)境問題，結(jié)合產(chǎn)品綠色設計的特點，闡述了現(xiàn)代產(chǎn)品開發(fā)模式，對增材制造技術(shù)的內(nèi)涵、發(fā)展現(xiàn)狀和研究內(nèi)容進行概括與總結(jié)，并提出了發(fā)展策略，為中國企業(yè)廣泛應用綠色化的增材制造技術(shù)提供了有力的參考。

增材制造；定制生產(chǎn)；綠色設計；發(fā)展策略

長期以來，世界各國采用“資源—產(chǎn)品—消費—排放”的單向發(fā)展模式，以一種高投入、高消耗、高污染、低效率為特征的短期粗放型經(jīng)濟方式換取經(jīng)濟的繁榮，卻付出了生態(tài)環(huán)境嚴重惡化和資源、能源過度浪費的代價[1-2]。面對日益惡化的生態(tài)危機，人們已經(jīng)意識到只考慮發(fā)展不顧環(huán)境的傳統(tǒng)發(fā)展模式是不符合人類社會發(fā)展長遠利益的[3]。

自20世紀70年代以來，世界各國經(jīng)濟發(fā)展模式呈現(xiàn)出新的綠色戰(zhàn)略模式[2]，使綠色產(chǎn)品的生產(chǎn)成為了競爭焦點，而綠色設計是實現(xiàn)產(chǎn)品綠色化(節(jié)能、降耗、環(huán)保和勞保)的基礎(chǔ)。綠色設計就是在生態(tài)哲學指導下，運用生態(tài)思維，將物的設計納入“人—機—環(huán)境”系統(tǒng)進行最優(yōu)化的一種設計方法[4]。它滿足了人們的綠色消費需求，是沖破綠色貿(mào)易壁壘，實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的必然選擇[5]。

隨著世界經(jīng)濟一體化的深入發(fā)展，企業(yè)正面臨新的挑戰(zhàn)和機遇。產(chǎn)品環(huán)?；蛡€性化需求不斷增長，設備和產(chǎn)品的功能與結(jié)構(gòu)逐步復雜，市場競爭日益激烈[6]。如何提高產(chǎn)品綠色設計與市場投放速度，已成為決定企業(yè)競爭是否占優(yōu)的關(guān)鍵[7]。增材制造(additive manufacturing，AM)技術(shù)作為綠色設計與制造的重要組成部分，適應新形勢下以綠色消費為主的發(fā)展方向。增材制造采用材料逐漸累加的方法制造實體零件[8]，與傳統(tǒng)加工工藝相比，大大減少了機加工，提高了材料利用率。根據(jù)美國能源部預計，增材制造將比機加工削減制造節(jié)省超過50%的能源[9]。國外學者、研究機構(gòu)及企業(yè)對增材制造的設備和材料選擇等方面進行了系統(tǒng)化的研究，實現(xiàn)了產(chǎn)品的綠色設計、輕量化制造，但受設計理念、核心技術(shù)及加工工藝水平等的限制，中國制造業(yè)應用增材制造技術(shù)沒有實現(xiàn)大批量定制化生產(chǎn)，同時相關(guān)標準的滯后也阻礙了中國制造產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型。

本文基于綠色設計的特點，分析了現(xiàn)代產(chǎn)品的開發(fā)模式，并對增材制造技術(shù)的內(nèi)涵、發(fā)展現(xiàn)狀和研究內(nèi)容進行歸納與概括，同時提出了發(fā)展策略，為中國企業(yè)廣泛應用綠色化的增材制造技術(shù)提供了有力的參考。

1　現(xiàn)代產(chǎn)品開發(fā)模式

目前，先進制造技術(shù)與信息科學、材料科學等學科交叉融合，使制造技術(shù)面貌煥然一新。特別是2008年以來，受全球金融危機的影響，企業(yè)間的競爭不斷加烈，這就要求企業(yè)必須縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、增強創(chuàng)新能力、提高綠色化程度；同時又要降低生產(chǎn)成本、提高資源利用率，以快速響應市場。因此，傳統(tǒng)產(chǎn)品設計方法(如圖1)已無法滿足這些要求，個性化、綠色化的產(chǎn)品已成為現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展趨勢。

現(xiàn)代產(chǎn)品開發(fā)模式是面向產(chǎn)品的整個生命周期過程(需求分析、設計構(gòu)思、產(chǎn)品設計、制造、使用以及廢棄和回收)的設計。它依據(jù)環(huán)境效益和生態(tài)環(huán)境指標與產(chǎn)品性能、質(zhì)量及成本要求[1]，利用三維軟件完成產(chǎn)品的虛擬創(chuàng)建、修改、裝配、仿真等一系列操作，最后通過先進的數(shù)字化技術(shù)進行量產(chǎn)，實現(xiàn)了產(chǎn)品研制過程各部門數(shù)據(jù)信息的“零誤差”傳遞和并行、協(xié)同[10]?，F(xiàn)代產(chǎn)品設計過程(如圖2)遵循了“資源—產(chǎn)品—消費—回收再制造”的循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展方式，根據(jù)綠色設計的4R(reduce，reuse，recycle，regenerate)原則，使資源在經(jīng)濟循環(huán)中得到了合理、高效、持久的利用，達到生態(tài)建設與經(jīng)濟發(fā)展“雙贏”的局面[1]。同時，建立豐富的資源知識數(shù)據(jù)庫，通過基于相似案例和發(fā)明問題解決理論的產(chǎn)品綠色創(chuàng)新設計方法，提高新產(chǎn)品的研制與開發(fā)效率，實現(xiàn)產(chǎn)品的綠色設計和制造。

現(xiàn)階段，我國的制造業(yè)仍處于中低端水平，產(chǎn)品低廉的價格優(yōu)勢已失去了市場競爭。到2025年，我國將實現(xiàn)從“中國制造”向“中國智造”的轉(zhuǎn)變，提高產(chǎn)品綠色創(chuàng)新設計能力，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能，成為了我國制造業(yè)發(fā)展的迫切需要，而增材制造技術(shù)的發(fā)展必將開啟產(chǎn)品開發(fā)新模式，推進制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，實現(xiàn)我國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

2　增材制造技術(shù)的內(nèi)涵

增材制造是基于離散/堆積成型原理，以三維CAD模型為唯一的數(shù)據(jù)來源，通過材料逐漸累加完成實體零件“自下而上”(bottom-up)的自由化制造[11-13]。相對于傳統(tǒng)的材料去除——切削加工技術(shù)[14]，增材制造不需要坯料、模具(有少數(shù)模型需要)、刀具、專用夾具等其他加工工序，可在短時間內(nèi)制造出任意復雜的零件，實現(xiàn)了“功能優(yōu)先，制造服從設計”的發(fā)展，從而優(yōu)化了生產(chǎn)工藝，改善了裝配流程，給制造業(yè)帶來了革命性的變化。增材制造技術(shù)綜合了計算機技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)、激光技術(shù)、數(shù)控技術(shù)以及材料科學等領(lǐng)域諸多的現(xiàn)代科技成果，使設計過程更多的追求產(chǎn)品的高性能及可拆卸性、可回收性等，被譽為“第三次工業(yè)革命標志性的生產(chǎn)工具”。

增材制造技術(shù)是一種快速成型制造(rapid prototyping manufacturing，RPM)技術(shù)，又稱3D打印(3D printing)技術(shù)。

其工作過程如圖3所示[15-16]：

(1)設計者根據(jù)設計要求構(gòu)造產(chǎn)品的CAD模型，再應用計算機輔助工程(computer aided engineering，CAE)技術(shù)驗證CAD設計的效果，并將模型生成STL(stereo lihography)文件(為CAD文檔與增材制造系統(tǒng)之間進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化的格式)。

(2)對模型數(shù)據(jù)進行離散化處理，包括各層切片截面二維數(shù)據(jù)(實體模型的切片輪廓)的生成和加工路徑的生成。

(3)依據(jù)切片處理所得的截面輪廓，在計算機的控制下，成型頭(激光頭或噴頭)按加工路徑將材料一層層的疊加形成樣品或模具，再經(jīng)后處理(去除支撐/余料、打磨、拋光、表面強化/硬化等)獲得功能性產(chǎn)品。

作為先進的數(shù)字化制造技術(shù)之一，增材制造技術(shù)開創(chuàng)了產(chǎn)品開發(fā)的新模式，與傳統(tǒng)的加工方法相比，具有許多獨特的特點[17-18]:①柔性度高，可用于復雜零件以及功能梯度材料的加工。②零件近凈成型，機加余量小，材料利用率高。③自由成型制造(freeform fabrication，F(xiàn)F)，不需要任何刀具、模具及專用夾具。④以三維CAD模型為唯一的數(shù)據(jù)來源，具有對產(chǎn)品及結(jié)構(gòu)設計變化的“快速響應”能力。⑤新產(chǎn)品的研發(fā)周期短，效率高，競爭力強。⑥制造的產(chǎn)品具有很高的力學性能和化學性能，強度高、塑性高、耐腐蝕性能優(yōu)異。⑦按需制造，無需庫存，降低了新產(chǎn)品的銷售風險和成本。

目前，增材制造技術(shù)的典型工藝有立體光固化技術(shù)(stereo lithography apparatus，SLA)，選區(qū)激光燒結(jié)(selective laser sinter-ing，SLS)，熔融沉積制造(fused deposition modeling，F(xiàn)DM)、分層實體制造(laminated object manufacturing，LOM)等，其特性如表1所示。

表1增材制造技術(shù)的典型工藝對比

工藝名稱SLASLSFDMLOM熱源激光激光電熱激光制造過程通過激光束掃描固化材料層面,最后疊加形成實體用激光燒結(jié)粉末材料粘連成型將熱塑性絲狀材料熔化-擠壓-固化,一層層沉積完成用熱熔膠將薄層材料粘合在一起,通過切割-粘合-切割,逐層堆積生成實體優(yōu)點制件精度高(可達+0.1mm);表面質(zhì)量好;材料的利用率高(接近100%)原材料選擇廣泛;材料利用率高(接近100%);制造工藝簡單,速度快;無需設計支撐結(jié)構(gòu)材料利用率高(接近100%),種類多;成本低;采用水溶性支撐材料,支架易去除成型材料價格低;制作速度快,成本低;制件精度高;不需設計支撐結(jié)構(gòu)缺點需要設計支撐結(jié)構(gòu);材料必須是光敏樹脂(具有氣味和毒性)且價格昂貴;制件容易翹曲變形;后處理較復雜,制件精度低,表面粗糙;制作易變性,需要后處理;成型過程產(chǎn)生有毒氣體和粉塵制件精度、強度較低;需要設計和制作支撐結(jié)構(gòu);成型時間長;材料價格貴制件彈性差,抗拉強度低,表面粗糙,易吸濕變形;材料利用率低;余料去除困難;不能制造中空結(jié)構(gòu)件常用材料光敏樹脂等金屬、陶瓷、熱塑性塑料等粉末材料熱塑性材料(ABS,PLA)、石蠟等紙、金屬箔、塑料薄膜、碳纖維等

3　國內(nèi)外增材制造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

增材制造技術(shù)誕生于20世紀80年代中期。1986查爾斯·胡爾(Charales W.Hull)將立體光刻(srereo lithgraphy，SL)技術(shù)申請了專利，并創(chuàng)辦了3D Systems公司。1988年，3D Systems公司推出了世界上第一臺SLA設備[16]，開啟了增材制造技術(shù)的新紀元。經(jīng)過近30年的發(fā)展，現(xiàn)已開發(fā)出幾十種不同的成型方法。目前，增材制造已成為制造業(yè)的研究熱點，國外學者在基本工藝[19]、分層算法[20-24]、鈦合金[25-27]、鎳基高溫合金[28-29]等方面進行了大量研究，使其市場占有率逐年增長。據(jù)《Wohlers Report 2015》分析[30]，2014年全球增材制造產(chǎn)品及服務的市場收入為41.03億美元，超過2013年市場規(guī)模近10億美元，年均復合增長率(CAGR)為35.2%，達到了18年來增材制造行業(yè)增長的最高峰。

歐美等發(fā)達國家非常重視增材制造技術(shù)的發(fā)展與應用。2006年，美國國防部重點投資了增材制造技術(shù)的開發(fā)；2009年，美國制定了增材制造技術(shù)發(fā)展路線圖；2010年，歐盟的第六個框架計劃開展了大型航空航天組件增材制造的研究，主要集中于鈦以及鎳和鋼的沉積技術(shù)；2011年3月英國在諾丁漢大學成立了增材制造技術(shù)創(chuàng)新中心；2012年8月，美國組建了“國家增材制造創(chuàng)新研究院”，專門研發(fā)增材制造技術(shù)；2013年1月歐空局(ESA)啟動一項增材制造技術(shù)研究計劃；2014年11月美國制造技術(shù)協(xié)會(AMT)和德國機床制造商協(xié)會(VDW)聯(lián)合設立了國際增材制造獎(International Additive Manufacturing Award，IAMA)，并于2015年奧蘭多的制造業(yè)增長(MFG)會議上，將第一個IAMA頒給了HMT公司研發(fā)的AMBIT多任務系統(tǒng)[31-33]。此外，法國、日本、澳大利亞等國家也加大了增材制造技術(shù)研發(fā)經(jīng)費的投入，制定了一系列的發(fā)展路線圖，并相繼成立了基于企業(yè)、科研機構(gòu)及高等院校合作的研究中心和技術(shù)聯(lián)盟，有力地促進了該技術(shù)在各領(lǐng)域的應用。

我國于上世紀90年代初期就展開了增材制造的技術(shù)研究與設備研發(fā)，建立了清華大學激光快速成型中心、西安交通大學先進制造技術(shù)研究所、華中科技大學快速制造中心等科研機構(gòu)，并在增材制造技術(shù)的成型設備、工藝原理、數(shù)據(jù)處理軟件、分層算法、掃描路徑以及加工材料等方面取得了顯著成果。其中，清華大學研制出了多功能快速造型系統(tǒng)(M-RPMS-II)、基于FDM的熔融擠出成型系統(tǒng)(MEM-250)和基于LOM法的分層實體制造系統(tǒng)(SSM-500)等，并將該技術(shù)引人生命科學領(lǐng)域，提出“生物制造工程”學科概念和框架體系，2001年研制出生物材料快速成型機[34-35]。西安交通大學自主研制了三維打印機噴頭，開發(fā)了光固化成型系統(tǒng)及相應成型材料，并對金屬熔敷制造、陶瓷光固化成形、生物組織制造進行了研究，同時用光固化快速成形的方法制作飛機風洞模型，促進了飛機創(chuàng)新設計與開發(fā)[36-38]。華中科技大學研制出以紙為成型材料的HRP系列薄材疊層激光快速成形系統(tǒng)(LOM)和以粉末為成型材料的HRPS系列選擇性激光燒結(jié)快速成形系統(tǒng)(SLS)，并于2010年研制出了成型空間為1.2 m×1.2 m快速制造裝備，這是世界上此類裝備的最大工作面[35,39]。另外，西北工業(yè)大學黃衛(wèi)東團隊致力于激光立體成型技術(shù)的研究，2001年申請了中國第一批關(guān)于激光立體成型的源頭創(chuàng)新專利，2012年制造了長度達3 m的C919飛機中央翼緣條，并成功通過了中國商飛公司的測試。北京航空航天大學王華明團隊突破了鈦合金、超高強度鋼等難加工大型復雜整體關(guān)鍵構(gòu)件激光成形工藝、成套裝備和應用等關(guān)鍵技術(shù)[40]，研制了多種飛機鈦合金主承力關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件、超高強度鋼飛機起落架、C919接頭窗框等金屬零部件[41]。其主持的“飛機鈦合金大型復雜整體構(gòu)件激光成形技術(shù)”項目獲得了2012年度國家技術(shù)發(fā)明一等獎，使我國成為世界上唯一掌握飛機鈦合金大型整體主承力結(jié)構(gòu)件激光增材制造技術(shù)并實現(xiàn)裝機應用的國家[36]。目前，湖南華曙高、武漢濱湖機電、南京紫金立德、陜西恒通、北京殷華、北京隆源公司、西安鉑力特等企業(yè)已研制了幾十種增材制造設備及相應的成型材料，并成功出口美國、俄羅斯等國家，實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化應用。

與此同時，2012年10月，中國3D打印技術(shù)(增材制造技術(shù))產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成立，這是世界上首個3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，有利于推動我國增材制造技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化、市場化進程，強化與國際間的交流與合作，以促進制造業(yè)的可持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展。同年12月，中國工業(yè)與信息化部聯(lián)合中國工程院制定了我國增材制造技術(shù)的技術(shù)路線圖與中長期發(fā)展戰(zhàn)略[40]。2013年4月，我國將增材制造產(chǎn)業(yè)首次納入“國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)”。2014年6月，全球首個增材制造創(chuàng)新中心總部在青島高新區(qū)成立，構(gòu)建了企業(yè)與用戶間的交流平臺，優(yōu)化了服務質(zhì)量及水平，促進了增材制造的技術(shù)進步及功能完善。2015年2月，工業(yè)和信息化部、發(fā)展改革委、財政部聯(lián)合制定了《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃(2015-2016年)》，將該技術(shù)提升到國家發(fā)展戰(zhàn)略層面，為實現(xiàn)增材制造產(chǎn)業(yè)跨越式發(fā)展打下了堅實的基礎(chǔ)。

現(xiàn)如今，我國的增材制造技術(shù)在航空航天、汽車、建筑、生物醫(yī)療等領(lǐng)域取得了一定的成果，獲得了國際市場的認可。但與發(fā)達國家相比，我國的企業(yè)規(guī)模較小，研發(fā)實力較弱；研究機構(gòu)分散，缺乏標準規(guī)范、統(tǒng)一規(guī)劃；核心器件(激光器、噴頭、掃描振鏡、精密光學器件等)、部分特種材料和軟件等依賴進口；制作精度、速度較低，生產(chǎn)成本較高，難以滿足產(chǎn)品制造的需求等。因此，我國應加快增材制造技術(shù)研究，不斷拓展應用領(lǐng)域，同時提高產(chǎn)品和服務質(zhì)量，避免國外的綠色壁壘。

4　增材制造技術(shù)研究的主要內(nèi)容

4.1軟件技術(shù)

軟件是增材制造技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，主要包括三維建模軟件、數(shù)據(jù)處理軟件及控制軟件等。三維建模軟件主要完成產(chǎn)品的數(shù)字化設計和仿真，并輸出STL文件。其建模的途徑主要有兩種[15]：一是按已知的產(chǎn)品數(shù)據(jù)利用CAD軟件直接建模；另一種是對現(xiàn)有的實體模型或?qū)嵨镞M行掃描和測量，獲得產(chǎn)品的離散數(shù)據(jù)點云，再重構(gòu)產(chǎn)品的三維模型。目前主流的三維CAD建模軟件有美國PTC公司的Creo，德國Siemens PLM Software公司的Solid Edge、UG，法國Dassault System公司的CATIA等。這些軟件均采用了參數(shù)化設計技術(shù)和特征造型技術(shù)，支持尺寸驅(qū)動設計修改，給設計者帶來了方便與靈活[42]，但是比較繁瑣。最近Autodesk公司發(fā)布了一款新設計軟件—Autodesk Within 軟件，用戶只要輸入產(chǎn)品重量、最大承壓力、模型密度及表面粗糙度等數(shù)據(jù)，就可直接完成模型的設計，其制造產(chǎn)品的硬度和柔度等性能更優(yōu)。數(shù)據(jù)處理軟件負責進行STL文件的接口輸入、可視化、編輯、診斷檢驗及修復、插補、分層切片，完成輪廓數(shù)據(jù)和填充線的優(yōu)化，生成掃描路徑、支撐及加工參數(shù)等[43]?？刂栖浖?shù)控信息輸出到步進電動機，控制噴射頻率、掃描速度等參數(shù)，從而實現(xiàn)產(chǎn)品的快速制造。

4.2新材料技術(shù)

成型材料是增材制造技術(shù)發(fā)展的核心之一，它實現(xiàn)了產(chǎn)品“點-線-面-體”的快速制作。目前常使用的材料有金屬粉末、光敏樹脂、熱塑性塑料、高分子聚合物、石膏、紙、生物活性高分子等材料，并實現(xiàn)了工程應用。如2013年7月，NASA選用鎳鉻合金粉末制造了火箭發(fā)動機的噴嘴(僅有2個部件組成)，并順利通過點火試驗，噴嘴推力達到創(chuàng)紀錄的88905N[44]；2015年7月8日，北京大學人民醫(yī)院郭衛(wèi)教授完成骶骨腫瘤切除手術(shù)后，在患者骨缺損部位安放了增材制造的金屬骶骨假體，使患者軀干與骨盆重獲聯(lián)系。然而，我國基礎(chǔ)性(材料的物理、化學及力學性能等)研究不足，缺乏材料特性數(shù)據(jù)庫；高端成型材料(高性能光敏樹脂、金屬合金、噴墨粘結(jié)劑等)大多依賴進口，缺少規(guī)?；牧涎邪l(fā)公司且沒有相應的標準規(guī)范，致使現(xiàn)階段制造的零件主要用于概念設計、實驗測試與模具制造，只有少數(shù)功能件實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。

科學技術(shù)日新月異，增材制造單一材料零件的性能已滿足不了實際要求，復合材料、功能梯度材料、智能材料、納米材料等新型材料產(chǎn)品成為了目前研究熱點。特別是4D打印技術(shù)的出現(xiàn)，實現(xiàn)了智能材料產(chǎn)品的自我組裝或調(diào)整，徹底顛覆了傳統(tǒng)裝備制造業(yè)的發(fā)展理念，開辟了增材制造技術(shù)發(fā)展的新篇章。

4.3再制造技術(shù)

再制造技術(shù)給予了廢舊產(chǎn)品新生命，延伸了產(chǎn)品使役時間，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，是綠色設計的重要組成部分，也是增材制造技術(shù)的發(fā)展方向。它以損傷零件為基礎(chǔ)，對其失效的部分進行處理，恢復其整體結(jié)構(gòu)和使用功能，并根據(jù)需要進行性能提升[45]。與正向制造相比，增材再制造需要清洗缺損零件，給出詳細的修復方案，再通過逆向工程[46]構(gòu)建缺損零件的標準三維模型，最后按規(guī)劃的路徑完成修復，其成型過程更加精確可控。2015年，HMT(hybrid manufacturing technologies)公司開發(fā)了一款混合制造系統(tǒng)[47-48]——AMBIT多任務系統(tǒng)。它集成了激光融覆技術(shù)和數(shù)控加工等技術(shù)，通過更換工具頭，自動完成熔敷增材制造與研磨減材加工過程，實現(xiàn)了缺損零件的柔性增材再制造，獲得了首屆國際增材制造獎。

基于增材制造技術(shù)的再制造技術(shù)主要用于缺損零件的修復，同時還可對停產(chǎn)零件進行再制造，使產(chǎn)品得以運轉(zhuǎn)，降低了能源消耗，實現(xiàn)了利益最大化。

4.4云制造技術(shù)

云制造是未來增材制造技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。它基于“互網(wǎng)絡+制造”模式，通過構(gòu)建云端服務平臺，組織網(wǎng)上制造資源(制造云)為用戶提供各類按需制造的服務[49]。

云制造技術(shù)集成了語義Web、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、嵌入式系統(tǒng)等先進信息技術(shù)。它將各區(qū)域制造資源和能力匯集于云端，實施統(tǒng)一管理、協(xié)同并行、動態(tài)調(diào)度，實現(xiàn)了設備異地實時運行、供應鏈自動化集成、加工流程在線監(jiān)控及設備遠程診斷與維護等深度融合，為用戶提供了產(chǎn)品全生命周期(產(chǎn)品的論證、設計、仿真、優(yōu)化、制造、銷售、使用、管理、維護、拆解、報廢、回收等)的個性化服務[49-51]。

建立云制造服務平臺，可以突破空間地域?qū)ζ髽I(yè)生產(chǎn)經(jīng)營范圍和方式的約束，優(yōu)化企業(yè)間的協(xié)同和各種社會資源的共享與集成，避免制造資源浪費，實現(xiàn)資源增效與增值[52]。同時提高了設計者的綠色創(chuàng)新設計能力，為增材制造技術(shù)的數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡化、服務化和綠色化提供了有力的支持。

5　發(fā)展策略

增材制造技術(shù)具有顯著的行業(yè)競爭優(yōu)勢和廣闊的發(fā)展前景，正在引領(lǐng)一次新的技術(shù)革命。因此，我國應抓住這次契機，統(tǒng)籌規(guī)劃，突破關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)核心軟件，完善共享平臺，促進協(xié)調(diào)集成，以滿足產(chǎn)品研制生產(chǎn)和企業(yè)戰(zhàn)略發(fā)展需要，推動我國工業(yè)化和現(xiàn)代化全面發(fā)展。

(1)加強頂層設計與政策引導

加強增材制造的頂層設計和統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，制定詳細的發(fā)展規(guī)劃。一方面增加財稅支持，并在相關(guān)政策引導下，借鑒3DSystem和Stratasys公司的經(jīng)營模式，以融資、并購等方式擴大企業(yè)服務業(yè)務，增強企業(yè)技術(shù)和資金實力，提高企業(yè)市場競爭力。另一方面，建立和完善人才培養(yǎng)體系及激勵機制，為增材制造技術(shù)發(fā)展儲備更多的專業(yè)人才。最后還應制定相應法律法規(guī)，保護設計者的知識產(chǎn)權(quán)，同時加大監(jiān)管力度，防止危險物品的設計與制造等，使增材制造技術(shù)更好地服務于人類。

(2)建立CAX/PLM/PDM集成系統(tǒng)

以數(shù)字化樣機為核心，將CAD、CAE、CAPP、CAM、PLM、PDM結(jié)合在一起，建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換標準和系統(tǒng)，實現(xiàn)產(chǎn)品設計、仿真、制造等過程間的集成。即借助CAD/CAE/CAPP/CAM一體化平臺，完成產(chǎn)品的協(xié)同設計、仿真、工藝規(guī)劃、加工、質(zhì)量檢驗等過程的自動化運行及系統(tǒng)軟件之間的無縫銜接，提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短研制周期，降低生產(chǎn)成本。同時完善系統(tǒng)集成信息共享庫，實現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期過程的動態(tài)跟蹤，為后續(xù)產(chǎn)品再制造或新產(chǎn)品開發(fā)提供數(shù)據(jù)支持，從而構(gòu)建現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)(CIMS)，促進增材制造技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應用，推動制造業(yè)向集成化、網(wǎng)絡化、柔性化、智能化、綠色化、服務化方向發(fā)展。

(3)制定標準規(guī)范體系

標準是一項新技術(shù)成熟的主要標志，也是新技術(shù)應用規(guī)模化的基礎(chǔ)[53]。因此，我國應盡快成立增材制造標準化技術(shù)研究機構(gòu)，按照“統(tǒng)籌規(guī)劃、積極采標、加強協(xié)作、雙向互動、重點突破、注重實效、動態(tài)發(fā)展”的指導思想[54]，聯(lián)合企業(yè)和高校共同研究制定增材制造專用術(shù)語、方法、材料、工藝控制、試驗方法、數(shù)據(jù)處理、產(chǎn)品性能評價與認證等行業(yè)及國家標準規(guī)范，并在實際應用中對原有標準規(guī)范內(nèi)容進行補充和修正，提高標準規(guī)范的通用性和廣泛適應性，促進該技術(shù)的推廣應用。同時積極參與ISO/TC261的相關(guān)活動，避免國外標準壟斷，推進中國裝備“走出去”步伐，

(4)推進試點示范工程

依托我國在高性能復雜大型金屬承力部件增材制造等技術(shù)上的優(yōu)勢，扶植實力較強的重點研發(fā)中心，進一步完善基礎(chǔ)理論框架，進而攻克關(guān)鍵技術(shù)，突破國外技術(shù)壁壘，全面實現(xiàn)核心技術(shù)裝備國產(chǎn)化。同時搭建公共服務和展示平臺，將新技術(shù)成果進行示范推廣，促進企業(yè)與客戶間的交流，開創(chuàng)增材制造行業(yè)發(fā)展新模式。

通過試點示范工程，逐步強化產(chǎn)品綠色設計理念，提高增材制造技術(shù)水平，完善增材制造標準體系，促進企業(yè)快速發(fā)展。

(5)加強國際間的合作與交流

國外現(xiàn)有眾多成熟的設備制造商，擁有雄厚的科研實力和產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)，具有較為完整的材料性能與工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫。結(jié)合國內(nèi)增材制造技術(shù)的研究現(xiàn)狀，加強國際交流和合作,一方面吸引國外專家與國內(nèi)研究機構(gòu)共同進行研發(fā)，帶動國內(nèi)增材制造整體實力和競爭力；另一方面，吸收國外先進的技術(shù)成果，通過引進消化吸收再創(chuàng)新的生產(chǎn)開發(fā)模式，提高研發(fā)的起點,加快研發(fā)的進度，進一步推進國產(chǎn)增材制造設備商業(yè)化[55]。

6　結(jié)語

借助綠色設計理念，增材制造實現(xiàn)了零件無模具的綠色化制造，為制造業(yè)開創(chuàng)了一種新型的生產(chǎn)方式。同時將增材制造技術(shù)貫穿于產(chǎn)品全生命周期，促進了產(chǎn)品設計仿真制造過程的集成和協(xié)同，簡化了制造流程，優(yōu)化了成型質(zhì)量，強化了企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新，提高了企業(yè)柔性生產(chǎn)能力和市場競爭能力，已成為了各領(lǐng)域發(fā)展的焦點。

目前，我國的增材制造技術(shù)進人了一個嶄新的發(fā)展階段，初步形成了成型設備、材料、軟件和服務的全產(chǎn)業(yè)鏈模式，為功能零件和宏微結(jié)構(gòu)一體化制造發(fā)展提供了新機遇。未來在綠色設計理念驅(qū)動下，使增材制造與云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)充分融合，突破軟件和材料科學壁壘，實現(xiàn)產(chǎn)品的云制造和再制造，為我國制造產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級奠定堅實的基礎(chǔ)。

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(編輯汪藝)

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Research on additive manufacturing technology based on green design concept

JIANG Kang, GUO Lei, ZHANG Teng, LING Feiyang

(School of Transportation Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230601, CHN)

Based on ecological crisis human beings are confronted in recent years, integrating characteristics of product green design, this paper elaborates on modern product development model, generalizes and summarizes the connotation, development status and research content of the AM technology, and puts forward development strategies, which also offers an effective for Chinese enterprises to widely use the greenization of the AM technology.

additive manufacturing; customization production; green design; development

TH16

A

姜康，男，1974年生，博士，副院長，主要從事數(shù)字化設計與制造、人工智能等領(lǐng)域的研究。

2015-10-13)

160410

*國防基礎(chǔ)科研重大項目資助(A1120131044)；國防技術(shù)基礎(chǔ)項目資助(JSZL2014210B001，JSBZ2014210A005，JSBZ2014210B007)