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(tǒng)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(tài)模式創(chuàng)新研究，在降本增效的同時對環(huán)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(tài)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(chǎn)已儼然成為制造業(yè)的必然發(fā)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(yè)化水平、智能控制技術的整合與深度融合，已經(jīng)成為世界各國搶占的高地。智能制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)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(tǒng)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(tài)模式更是將區(qū)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(tài)保護和創(chuàng)新技術的發(fā)展。

作為第三次工業(yè)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(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃（2015～2016）》和《中國制造2025》，以推進這一新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)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(jié)能生態(tài)創(chuàng)新研究，在降本增效的同時對環(huán)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(guī)模生產(chǎn)模式，但不可否認的是，產(chǎn)品的批量和產(chǎn)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(chǎn)方式。與傳統(tǒng)制造業(yè)技術相比，現(xiàn)在的3D打印技術正在以前所未有的速度快速發(fā)展，許多公司正在使用綠色生態(tài)技術更有意義地進行批量與成本效益的權衡。

1 在傳統(tǒng)3D打印平臺基礎上，創(chuàng)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(chuàng)新平臺和大數(shù)據(jù)分析下的定制化生產(chǎn)平臺構成。集成化系統(tǒng)依據(jù)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(tǒng)服務。比如，F(xiàn)raunhofer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(yè)3D打印設備，研究出一套適用于學校教學科研和企業(yè)管理設計規(guī)劃的智能云平臺系統(tǒng)。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(shù)據(jù)、云計算與物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等新興信息技術產(chǎn)業(yè)，為公眾需求創(chuàng)新平臺提供原始數(shù)據(jù)和技術支撐，進行智能云計算服務。云計算技術能夠全盤調(diào)度網(wǎng)絡環(huán)境中的合理資源，形成持續(xù)提供數(shù)據(jù)支持，公眾需求用戶隨時可以提供大數(shù)據(jù)的系統(tǒng)化資源池;大數(shù)據(jù)依托云計算分段式的處理手段，對海量數(shù)據(jù)進行挖掘與分析;物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)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(jīng)云計算后可獲得智能化生產(chǎn)和生活所需的云數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)物物、物人的網(wǎng)絡銜接，便于鑒別、管理和實施。

1.2 3D打印公眾需求創(chuàng)新平臺

3D打印公眾需求創(chuàng)新平臺借助智能云集成化平臺的大數(shù)據(jù)動態(tài)交互功能，在需求創(chuàng)新、產(chǎn)品研究、產(chǎn)品制造、客戶評價和反饋等環(huán)節(jié)為企業(yè)和社會公眾提供實時動態(tài)服務，從而實現(xiàn)消費者個性化追求與企業(yè)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(chuàng)新平臺的關鍵實現(xiàn)手段，創(chuàng)新型企業(yè)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(chǎn)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(shù)據(jù)分析下的定制化生產(chǎn)平

在以3D/增材打印為生產(chǎn)核心技術的數(shù)字化制造過程中，從原始模型的創(chuàng)建，到生產(chǎn)工序、工藝參數(shù)、3D仿真、材料性能、質(zhì)檢過程，全套供應鏈下產(chǎn)生了海量的數(shù)據(jù)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(fā)生作用。這些剪不斷理還亂的大數(shù)據(jù)，為云智能增材制造帶來挑戰(zhàn)的同時也帶來了機遇。

3D打印的快捷性和時效性使得生產(chǎn)訂單的需求方式發(fā)生了根本性的變化。原來是公司需要預估生產(chǎn)哪些，產(chǎn)量多少，然后進行大規(guī)模生產(chǎn)，按此模式時常會出現(xiàn)產(chǎn)能過剩或者不足的情況。而3D打印技術可以做到按需生產(chǎn)，通過大數(shù)據(jù)獲得客戶定制化訂單，快捷生產(chǎn)，零庫存，實時發(fā)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(tài)調(diào)節(jié)，供應鏈的轉(zhuǎn)變與創(chuàng)新帶來了數(shù)據(jù)量的變化，而數(shù)據(jù)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(chǎn)平臺是對應的，這些數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)分析下的定制化生產(chǎn)平臺，并將衍生出物聯(lián)網(wǎng)下“3D打印+大數(shù)據(jù)”的靈活商業(yè)范疇。

2 設計3D打印分布式智能制造的創(chuàng)新方式和模型架構

對于傳統(tǒng)集中智能制造的模式來說，雖可以大規(guī)模生產(chǎn)，保證供應鏈的產(chǎn)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(chuàng)新方式和模型架構，正好利用了大數(shù)據(jù)分析與運算，創(chuàng)新生產(chǎn)，整合資源，需求化地進行分配生產(chǎn)，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(chuàng)新模型的建立

對傳統(tǒng)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(chuàng)新模式，與前者相比該模式創(chuàng)新如下：首先，3D打印分布式制造代替了大規(guī)模集中制造;其次，系統(tǒng)化的生產(chǎn)物流轉(zhuǎn)變成為最后一公里的產(chǎn)品配送物流;第三，零部件供應商和產(chǎn)品庫存逐漸消失;最后通過搜索引擎和眾包的推廣，網(wǎng)絡平臺公眾中的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)者可以充分參與企業(yè)技術孵化和創(chuàng)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(chuàng)新模式的建立

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)挖掘等新興技術產(chǎn)業(yè)深度融入各行業(yè)領域，企業(yè)的業(yè)務邊界變得模糊不清，這種改變將深度影響高興企業(yè)的生產(chǎn)與制造模式，甚至重構企業(yè)內(nèi)涵和組織架構。在這一大變局下，企業(yè)勢必將進行跨界融合，進行多領域多范圍的創(chuàng)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(yè)實際的決策管理層，而工商一體化的產(chǎn)品自制轉(zhuǎn)變?yōu)橥獍a(chǎn)品制造模式。

3 創(chuàng)建3D打印綠色生態(tài)模式

從綠色環(huán)保生態(tài)角度出發(fā)，通過3D打印云智能制造，大幅節(jié)約了原材料的使用，不論是從物聯(lián)和互聯(lián)角度還是綠色作業(yè)、精密制造角度考慮，都將完全顛覆傳統(tǒng)工業(yè)化制造范疇，對生態(tài)環(huán)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(nèi)容：

3.1 3D打印綠色生態(tài)生產(chǎn)模式

3D打印綠色生態(tài)生產(chǎn)模式是指在保證3D打印相關研發(fā)產(chǎn)品的功效、功能和成本的前提下，全盤考量環(huán)境因素和資本效率的現(xiàn)代生產(chǎn)創(chuàng)新模式。它使產(chǎn)品從研發(fā)、生產(chǎn)、配送、運用到報廢的整個產(chǎn)品生命周期中不導致環(huán)境污染或污染可控最小化，遵循環(huán)境保護條例，對生態(tài)環(huán)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(fā)展迅速，規(guī)模也逐漸龐大，廢棄電子零部件逐年增多，對環(huán)境層面的影響很大，為了應對這種局面，提出了綠色生態(tài)模式的概念，進行綠色生產(chǎn)制造。

3.2 3D打印技術綠色低碳設計

在加工業(yè)里，低碳意味著“綠色低碳排放控制”，一種更有效節(jié)能減排的設計理念。加工過程僅僅是創(chuàng)新制造的一部分，電子廢品是大規(guī)模生產(chǎn)對環(huán)境造成的一種災難性污染。低碳設計降低了整個產(chǎn)品生命周期內(nèi)的污染性，包括從產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品生產(chǎn)、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(huán)境保護優(yōu)化提出更高的標準，綠色低碳設計的重點是力求將節(jié)能減排融入3D打印全過程中，其中最主要的一環(huán)來自增材的循環(huán)利用加工和再設計，穿插在整個設計過程中，對于生態(tài)環(huán)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(tǒng)而又復雜的工程。在保證產(chǎn)品綠色性的同時，還得兼顧其質(zhì)量、成本和功能屬性等。綠色節(jié)能減排產(chǎn)品要求構成產(chǎn)品的原料具有綠色效應，即在整個物料生命周期內(nèi)，這類原料應有利于降低能耗，生產(chǎn)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(chǎn)品架構，便于物料的研發(fā)、使用和標識，而且在相同的產(chǎn)品數(shù)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(chuàng)造了新的產(chǎn)品種類，由于是專門依據(jù)周邊環(huán)境設計的，因此一個有創(chuàng)新構思的零部件可以使用相當長的時間，也更能節(jié)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(tài)模式創(chuàng)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(shù)據(jù)、云計算和物聯(lián)網(wǎng)等）進行深度融合，可以實現(xiàn)3D打印云智能創(chuàng)新;采用分布式制造的方式，能夠?qū)⒕哂胁煌a(chǎn)規(guī)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(chǎn)品和服務;采用3D打印綠色生態(tài)模式，降本增效，綠色生產(chǎn)，將環(huán)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(huán)境負荷最小化和3D打印材料的可再生回收利用。

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