3D打印批量制造的可行性及模式思考

柳　建，孟凡军，殷凤良，韩玉方

（1.装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室，北京100072；2.装甲兵工程学院教练团，北京100072）



3D打印批量制造的可行性及模式思考

柳建1，孟凡军1，殷凤良1，韩玉方2

（1.装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室，北京100072；2.装甲兵工程学院教练团，北京100072）

摘要：3D打印的节材、节能技术特点高度契合我国的可持续发展战略，但3D打印也被贴上了个性化制造的标签。从技术背景、市场需求等方面阐述了实现3D打印批量制造、规模化生产的必要性；同时，从技术、效率和经济角度分析了实现3D打印批量制造、规模化生产的可行性。构建了3 种3D打印批量制造模式，并对其特点进行了分析和介绍。

关键词：3D打印；批量制造；可行性；模式

3D打印是增材制造技术的通俗叫法，是一种基于微积分原理的先进制造技术。相比于传统制造方法，3D打印无需制造刀具、夹具和模具，可直接进行产品加工，具有制造周期短、成形不受零件复杂程度限制以及节材、节能等优势，已被广泛应用于工业、生物医疗、考古等行业［1-4］。然而，由于3D打印技术还存在材料价格高、打印效率低、打印产品质量还不够高等问题，还被冠以生产成本与件数无关的工艺特点，所以被贴上了个性化生产的标签。

多数研究者都认为3D打印在个性化制造及高端零部件制造方面具有优势，但在批量、精密度要求不是很高的产品制造领域不具备传统模具制造的优势。为此，本文对3D打印技术未来实现批量制造和规模化生产的必要性、可行性进行了分析思考，并提出了几种可能的3D打印批量制造模式。

1　实现3D打印批量制造的必要性

（1）从技术产生的背景来讲，有必要实现3D打印的批量制造和规模化生产。3D打印技术是在全球面临资源、能源过度消耗而被迫进行绿色、可持续发展的大背景下应运而生的，相比于传统制造方法，3D打印可实现制造过程中材料、能源由被动消耗转变为主动提供，且能方便地对其加以控制和调整，从而实现资源、能源的节约。对于制造业来讲，实现3D打印的批量制造和规模化生产，即可使其节能节材效力最大化，实现绿色制造目标。如果3D打印仅偏聚于一隅，被冠以个性化制造标签的话，其所能发挥的节能节材功效将十分有限，即3D打印的技术背景意义不大。因此，要想实现节能节材的绿色制造目标，有必要实现3D打印的批量制造和规模化生产。

（2）从市场需求角度来讲，有必要实现3D打印的批量制造和规模化生产。社会需求是科技创新的直接驱动力，随着制造业的竞争日趋激烈，产品的开发速度已成为制造商决胜的关键；同时，制造业需满足日益变化的用户需求。传统的工模具制造过程复杂、耗时长、费用高，已满足不了市场需求。研究表明，在新产品开发中，3D打印只需传统加工方法10%～30%的工时和20%～35%的成本，就能直接制造产品样品或模型［5］。因此，在产品设计开发上，传统模具制造方法和3D打印没有可比性。实现产品3D打印的批量制造和规模化生产，将会更进一步地节约工时和成本，更好地适应未来市场的快节奏。

此外，由于当前产品更新换代的速度较快，如果采用传统制造模式进行批量生产，就需不断地开发新模具，即意味着一次性模具的泛滥，势必造成资源、能源的浪费问题，这同样有悖于节能节材、绿色制造的时代发展背景。因此，从市场需求角度来讲，有必要实现3D打印的批量制造和规模化生产。

（3）科学技术的发展促进了社会进步；反过来，又能对科学技术进一步产生新的需求，从而促进科学技术的进一步发展。3D打印技术是制造领域的一次科技创新，实现其批量制造和规模化生产将会促进社会进步加速发展；反过来，自然也会对3D打印技术进一步产生新的需求，从而更能促进3D打印技术的成熟与发展。因此，从加速推进3D打印技术自身的发展角度来讲，有必要实现3D打印的批量制造和规模化生产。

（4）贯穿于产业链各个环节的不断发展与完善为3D打印技术的推广应用奠定了坚实基础。目前，3D打印应用材料领域不断拓宽，已从最初的塑料发展至金属、陶瓷材料等；其制造精度相比最初也有大幅提升，现阶段主流3D打印工艺的制造精度已能满足大多数制造工业的精度要求。此外，3D打印在功能技术性方面（如多种材料打印及其他衍生工艺）也正在不断地发展完善，这些因素都将促进3D打印实现批量制造和大规模应用。

2　3D打印批量制造面临的瓶颈

（1）打印速度不够高

虽然3D打印最初起源于快速成形技术，但目前其制造速度还普遍不高，尤其是较大型的简单结构件制造速度缓慢，难以满足规模化生产的要求。

（2）3D打印耗材（材料）种类有限

3D打印制造过程是一个“点-线-面-体”的发展过程。由于这种积分制造特性，使3D打印对材料的粘度、固化收缩率及固化后的机械性能等综合物性要求比传统制造加工更苛刻，造成目前3D打印耗材（材料）的种类有限。实际上，这也是导致3D打印材料价格及制造成本较高的原因。目前，相对较成熟的打印材料主要是塑料、树脂类材料，金属材料方面主要集中在钛合金、不锈钢材料等高端制造用料。据统计，目前已研究出可使用在3D打印机上的材料约有14种，即便在此基础上进行混搭，大约也就一百多种，远远少于传统制造加工材料的种类。显然，3D打印要想获得更广泛的应用，实现其规模化生产，紧靠这些材料是远远不够的。

（3）制造成本高

3D打印制造成本高主要是受打印材料和设备价格等因素的制约。如上所述，3D打印对材料综合物性要求较苛刻，一般都是经过特殊处理的，且不同的3D打印技术对成形材料的要求也不同，所以3D打印耗材价格较高。例如：某公司开发的ABS树脂材料，最便宜的约300美元/千克［6］；用于打印的金属材料（如钛合金）价格甚至高达7000元/千克，而普通钛合金材料价格仅需每千克几百元。此外，3D打印设备尤其是工业级打印设备一般体积较大，结构较复杂，售价往往动辄几十万元，这些因素直接导致了3D打印制造成本的居高不下。

3　3D打印批量制造的可行性及模式

3.13D打印批量制造的可行性

从技术及制造效率的角度来讲，3D打印具备实现批量化制造的条件。根据其技术特点，3D打印直接制造单个工件的时间不变，因此，假设需批量制造N件产品，其批量制造时间为：

式中：N为批量制造件数，为一定值；Ts为单件打印时间，Th为单个打印件的后处理时间，且根据3D打印制造特点，产品一旦设计完成，Ts和Th即可视为定值。因此，3D打印批量制造时间主要取决于投入的打印制造配套设备数量n。当n=1时，批量制造时间有最大值，为单件打印制造时间与批量件数的乘积；当n取最大值，即打印制造配套设备数量与批量件数相等时，批量制造时间有最小值，即等于单件打印制造时间。

式（1）实际上说明，采用最基本、同时也是最有效的方法，即多台设备同时打印就能实现3D打印的批量制造和规模化生产。同时，由式（1）也可看出，3D打印批量制造效率的最终决定因素为单件制造速度。抛开模具设计制造周期因素，相比于铸造等传统制造技术，3D打印目前的制造速度确实较低，尤其是在制造结构相对简单的大型零件方面。不过，随着激光、数控、信息等3D打印各方面相关技术的不断发展，3D打印在制造速度和精度方面已得到了大幅提升。以主流的激光类3D打印技术为例，激光烧结加工速度已由最初的约6 ccm/h发展到现在的平均11～12 ccm/h［7］；未来，随着大功率激光技术的不断发展，加工速度还将进一步加快；选择性激光熔化的制造精度目前也已达到0.02 mm。制造速度的不断提升即表明制造时间Ts不断缩短，而制造精度的不断提高则预示着后处理时间Th的不断下降。实际上，0.02 mm的制造精度已能满足一般工业结构件的精度要求，即Th=0。此外，制造速度和精度的提升也将带来单位部件制造成本的降低。由此，随着3D打印制造速度和精度的不断提高，从技术及制造效率角度来讲，未来3D打印具备实现批量制造和规模化生产的条件。

从经济角度来讲，未来3D打印成本有较大的下降空间，具备批量制造和规模化生产的可行性。在3D打印成本构成中，设备和材料占主要地位。目前，由于3D打印技术本身及产业链各环节的发展还不够成熟、完善，市场规模还较小，仍被冠以个性化制造的标签，因此，昂贵的3D打印设备及材料价格是抬高3D打印直接制造成本和制约其实现批量制造的主要因素。然而，据相关资料显示，一些3D打印巨头公司的材料毛利近年来基本保持在50%以上，用于3D打印的金属材料生产厂商的利润空间也非常大［7］。就利润空间而言，3D打印材料还有较大的下降空间。在打印设备方面，虽然工业级3D打印机目前仍然价格不菲，但相比最初已有了大幅降低。桌面级3D打印机的价格更是直线走低，单价从最初的几万美元到如今的几百美元，这主要是拜“开源”所赐。

“开源”使每个人都能成为制造商，高手在民间，“开源”可集全民智慧，最快速度地促进3D打印技术的发展与成熟。未来，随着3D打印技术不断发展成熟及其市场规模不断扩大，3D打印材料和设备也能走薄利广销的商业模式，这将直接带动3D打印制造成本的下降，促进3D打印批量制造和规模化生产的实现。

3.23D打印批量制造模式

基于3D打印批量制造的多台同时打印思想，本文提出3种3D打印批量制造模式。

（1）车间式批量制造模式

该模式的原理见图1。多台3D打印机和相应的配套后处理设备组成3D打印批量制造车间，数字化集控中心负责3D打印制造前期数据处理和制造控制工作，包括制造模型设计（或模型扫描反求）、模型分层切片、最佳打印工艺路径规划及后处理加工时的加工余量计算、加工工艺设计等工作。3D打印制造过程中，打印设备在数字化集控中心的控制下，既可同时执行同一项打印任务，也可同时执行不同的打印任务。当有3D打印批量制造服务需求时，3D打印制造服务公司首先依据需求方所提要求，通过数字化集控中心进行数字化模型设计，并进行原型制造验证或根据实物进行数字化模型反求，以及模型分层切片及打印制造工艺路径规划；同时，公司将根据批量制造数量和交货期限，并考虑公司近期业务量，合理安排投入打印的设备数量；最后，由数字化集控中心控制相应数量的3D打印机完成打印制造任务。

图1　车间式3D打印批量制造模式原理图

（2）“中心负责，终端制造”批量制造模式

该模式的原理见图2。3D打印批量制造任务由一家3D打印数字化服务公司（中心）和数量众多的3D打印“终端”合作完成。每个“终端”拥有数量不等的打印设备，在批量制造过程中只负责具体的打印制造任务。服务中心负责根据需求方所提要求进行数字化模型设计，并进行原型制造验证或直接根据实物进行数字化模型反求、建模，以及模型分层切片及打印制造工艺路径规划等技术服务；同时，综合考虑批量制造数量、交货期限、材料成本、制造利润等因素，负责与需求方签订协议；最后，统计协调“终端”的打印制造数量意愿，并向其发送数字化打印制造工艺信息。各“终端”根据获得的工艺信息完成相应数量的打印制造任务，从而获得相应的制造利润。

（3）“手拉手”联盟型批量制造模式

该模式的原理见图3。各3D打印制造服务公司手拉手组成3D打印制造服务联盟，联盟中的任何一家公司接到批量制造需求任务，独自或在联盟成员的协助下完成原型验证、利润计算及打印工艺规划等工作，并考虑自己的制造能力后，向联盟其他成员发布协助制造相关信息。联盟其他成员则根据自己的打印能力承担相应量的打印制造任务，进而实现共同完成3D打印批量制造任务的目标。

图2　“中心负责，终端制造”3D打印批量制造模式原理图

图3　“手拉手”联盟型3D打印批量制造模式原理图

3.33D打印批量制造模式的特点

上述3种批量制造模式的实现方法虽然不同，但其实现思想都是多台同时打印。第一种模式具有高效、利润独享等特性，但投入较大、实现门槛高，仅适合于实力雄厚的公司。第三种模式适合于有一定的设计服务和打印制造能力的中小型3D打印服务公司，通过联盟形式可弥补自己能力的不足，实现互助互利。未来，随着互联网和物联网的高速发展，联盟成员可不局限于某一地区，该模式具备提供全国性甚至是全球性的3D打印批量制造服务的可能。第二种模式的最大特点是3D打印数字化服务公司不具体承担打印制造任务，仅需提供优质的3D打印技术支撑和服务，而打印制造具体承制者无需掌握各种复杂的制造工艺和加工技能，只需拥有精度满足要求的打印设备，然后根据3D打印数字化服务公司提供的打印数据进行批量制造，这样就大幅降低了制造业的技术门槛。为此，未来任何一个家庭或个人，只要愿意都可从事3D打印制造服务，甚至可把3D打印制造服务作为一个副业，在业余时间接受打印制造任务，获取额外的收入。因此，3D打印“终端”可聚居在世界任何一个角落，而3D打印数字化服务公司也可坐落于任何一个城镇，提供全球化3D打印批量制造服务。该模式未来有望解决我国日益提升的劳动力成本问题，稳定“中国制造”的地位。

4　结束语

科学技术的发展是一种永不停息的过程，并有不断地在生产化和商业化之中寻找出路的内在特性。随着3D打印技术及其商业化进程的不断发展，3D打印的批量制造和规模化生产或在不远的将来成为现实。3D打印相关技术对包括中国在内的新兴国家来说是一次机遇，大力发展3D打印技术并实现其大规模应用，有助于改变我国处于制造业产业链低端的态势，助推实现“中国制造”向“中国智造”的转型，并最终实现我国由制造业大国向制造业强国转变的战略目标。此外，3D打印技术的大规模应用也将为我国“绿色制造”、可持续发展战略目标的实现发挥建设性的作用。

参考文献：

［1］刘伟军.快速成型技术及应用［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［2］柳建，殷凤良，孟凡军，等. 3D打印再制造目前存在问题与应对措施［J］.机械，2014，41（6）：8-11.

［3］张海鸥，王超，胡帮友，等.金属零件直接快速制造技术及发展趋势［J］.航空制造技术，2010（8）：43-46.

［4］柴枫，赵铱民，李涤尘.快速成型技术在医学中的应用［J］.口腔摄面修复学杂志，2004，5（1）：63-65.

［5］徐人平，舒晓楠，王坤茜.论快速成型与技术创新［C］//徐人平快速成型与快速制造科技学术论文集.昆明：原子能出版社，2004：81-93.

［6］孙聚杰. 3D打印材料及研究热点［J］.丝网印刷，2013 （12）：34-39.

［7］吴怀宇. 3D打印-三维智能数字化创造［M］.北京：电子工业出版社，2014.

Feasibility and Model Ponderation for Volume Production of 3D Printing

Liu Jian1，Meng Fanjun1，Yin Fengliang1，Han Yufang2
（1. National Key Laboratory for Remanufacturing，Academy of Armored Forces Engineering，Beijing 100072，China；2. Drill Master Regiment，Academy of Armored Forces Engineering，Beijing 100072，China）

Abstract：3D printing technology agrees with the sustainable development strategy of the government very well，owing to its advantages such as material saving and energy saving. But it is always deemed to conform the individuation manufacturing in nowadays. The necessity to complete volume production of 3D printing was expounded in aspect of the technology background，market demand and so on. The feasibility was analyzed according to the technology，efficient and economy at the same time. Three kind model of volume production was presented，and the characteristic of each volume production model was analyzed and introduced.

Key words：3D printing；volume production；feasibility；model

中图分类号：TG669

文献标识码：A

文章编号：1009－279X（2016）02－0050-04

收稿日期：2015-09-30

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51405510，51205408）

第一作者简介：柳建，男，1982年生，工程师。