3D打印分布式云智能制造绿色生态模式创新研究

万航 徐恒伟

摘 要

3D打印作为人工智能领域的前沿科技，引领着技术变革，颠覆了传统的制造模式，有着划时代的意义。本文在3D打印原有的基础上打破时间和空间的壁垒，进一步研究3D打印机分布式云智能制造新型模式，进行绿色生态模式创新研究，在降本增效的同时对环境保护提出了更高的要求。

关键词

3D打印;分布式;云智能制造;绿色生态模式

中图分类号： TP391.73;F426.6       文献标识码： 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

当今世界，人工智能、绿色生产已俨然成为制造业的必然发展趋势。云智能制造设备集遥感、分析、算法功能于一体，是先进工业化水平、智能控制技术的整合与深度融合，已经成为世界各国抢占的高地。智能制造业的产业化及大力实践正在催生云智能制造水平的提升，而3D打印作为人工智能领域的前沿科技，引领着技术变革，颠覆了传统的制造模式，有着划时代的意义。本文所涉及的3D打印分布式云智能制造绿色生态模式更是将区域化零为整，进行线上资源整合和线下合理利用，兼顾了绿色生态保护和创新技术的发展。

作为第三次工业革命重要标杆的3D打印引起了全民的广泛关注，中国为此专门先后出台了重要文件—《國家增材制造产业发展推进计划（2015～2016）》和《中国制造2025》，以推进这一新兴产业的发展。为此在3D打印原有的基础上打破时间和空间的壁垒，进一步研究3D打印机分布式云智能制造新型模式，进行绿色节能生态创新研究，在降本增效的同时对环境保护提出了更高的要求。虽然，3D打印/增材制造技术不可能完全取代消费品市场的大规模生产模式，但不可否认的是，产品的批量和产品的绿色生命周期正在急速缩小和缩短。而消费者追求个性化的意识更强了，消费者品位的变化倒逼着消费品市场寻求更加灵活的生产方式。与传统制造业技术相比，现在的3D打印技术正在以前所未有的速度快速发展，许多公司正在使用绿色生态技术更有意义地进行批量与成本效益的权衡。

1 在传统3D打印平台基础上，创建智能管理云平台

智能管理云平台由智能云集成化平台、3D打印公众需求创新平台和大数据分析下的定制化生产平台构成。集成化系统依据公众需求平台提出的智能云服务要求，提供相应的智能云系统服务。比如，Fraunhofer研究所和Authentise公司均搭建了相应的3D打印智能云交流服务平台，结合本校智能控制技术专业3D打印设备，研究出一套适用于学校教学科研和企业管理设计规划的智能云平台系统。具体包含如下：

1.1 智能云集成化平台

智能云集成化平台汇聚大数据、云计算与物联网、互联网等新兴信息技术产业，为公众需求创新平台提供原始数据和技术支撑，进行智能云计算服务。云计算技术能够全盘调度网络环境中的合理资源，形成持续提供数据支持，公众需求用户随时可以提供大数据的系统化资源池;大数据依托云计算分段式的处理手段，对海量数据进行挖掘与分析;物联网、互联网可通过智能控制传感器进行实时信号采集，收集各种信息，这些资源信息经云计算后可获得智能化生产和生活所需的云数据，以实现物物、物人的网络衔接，便于鉴别、管理和实施。

1.2 3D打印公众需求创新平台

3D打印公众需求创新平台借助智能云集成化平台的大数据动态交互功能，在需求创新、产品研究、产品制造、客户评价和反馈等环节为企业和社会公众提供实时动态服务，从而实现消费者个性化追求与企业的制造能效的实时匹配与对接。众包与搜索引擎是公众需求创新平台的关键实现手段，创新型企业通过众包能够便捷有效地设计出符合消费者需求的个性化产品。各类消费群体通过搜索引擎追寻能够满足自己需求的3D打印原材料，获取增材相关的技术支持与手段。

1.3 大数据分析下的定制化生产平

在以3D/增材打印为生产核心技术的数字化制造过程中，从原始模型的创建，到生产工序、工艺参数、3D仿真、材料性能、质检过程，全套供应链下产生了海量的数据需要分析和研究。仅仅是金属3D打印过程中就有50多个变量相互发生作用。这些剪不断理还乱的大数据，为云智能增材制造带来挑战的同时也带来了机遇。

3D打印的快捷性和时效性使得生产订单的需求方式发生了根本性的变化。原来是公司需要预估生产哪些，产量多少，然后进行大规模生产，按此模式时常会出现产能过剩或者不足的情况。而3D打印技术可以做到按需生产，通过大数据获得客户定制化订单，快捷生产，零库存，实时发货与专属售后跟踪评价。应该说3D打印技术变革带来了供应链的生态调节，供应链的转变与创新带来了数据量的变化，而数据量的变化与整合进一步强化了3D打印在应用端的渗透能力。此外，三维增材建模与生产平台是对应的，这些数据是庞大而繁杂的，这意味着它们需要更多的服务器架构存储空间，严密的安全性和敏锐的归档措施。围绕这些个性化需求必将诞生出大数据分析下的定制化生产平台，并将衍生出物联网下“3D打印+大数据”的灵活商业范畴。

2 设计3D打印分布式智能制造的创新方式和模型架构

对于传统集中智能制造的模式来说，虽可以大规模生产，保证供应链的产量和配置，但在灵活应对客户需求方面却是令人担忧。而3D打印分布式智能制造的创新方式和模型架构，正好利用了大数据分析与运算，创新生产，整合资源，需求化地进行分配生产，具体有以下两种模式。

2.1 全价值供应链下的3D打印分布式智能制造创新模型的建立

对传统集中智能制造模式做进一步改进与挖掘，设计出全价值供应链下的3D打印分布式智能制造创新模式，与前者相比该模式创新如下：首先，3D打印分布式制造代替了大规模集中制造;其次，系统化的生产物流转变成为最后一公里的产品配送物流;第三，零部件供应商和产品库存逐渐消失;最后通过搜索引擎和众包的推广，网络平台公众中的创新创业者可以充分参与企业技术孵化和创新研究。

2.2 跨界融合技术变革下的3D打印分布式智能制造创新模式的建立

随着物联网、云计算、大数据挖掘等新兴技术产业深度融入各行业领域，企业的业务边界变得模糊不清，这种改变将深度影响高兴企业的生产与制造模式，甚至重构企业内涵和组织架构。在这一大变局下，企业势必将进行跨界融合，进行多领域多范围的创新合作，基于此，在全价值供应链模式的基础上再提出一种可跨界融合技术变革模式的3D打印分布式制造方式。该模式下，虚拟VR决策层替代了企业实际的决策管理层，而工商一体化的产品自制转变为外包产品制造模式。

3 创建3D打印绿色生态模式

从绿色环保生态角度出发，通过3D打印云智能制造，大幅节约了原材料的使用，不论是从物联和互联角度还是绿色作业、精密制造角度考虑，都将完全颠覆传统工业化制造范畴，对生态环境的保护有着改善作用，意义重大。研究主要包含以下三方面内容：

3.1 3D打印绿色生态生产模式

3D打印绿色生态生产模式是指在保证3D打印相关研发产品的功效、功能和成本的前提下，全盘考量环境因素和资本效率的现代生产创新模式。它使产品从研发、生产、配送、运用到报废的整个产品生命周期中不导致环境污染或污染可控最小化，遵循环境保护条例，对生态环境无害或者危害很小，使得3D打印资源集成度最高、能耗最低。由于3D打印离不开电子应用技术，而智能制造发展迅速，规模也逐渐庞大，废弃电子零部件逐年增多，对环境层面的影响很大，为了应对这种局面，提出了绿色生态模式的概念，进行绿色生产制造。

3.2 3D打印技术绿色低碳设计

在加工业里，低碳意味着“绿色低碳排放控制”，一种更有效节能减排的设计理念。加工过程仅仅是创新制造的一部分，电子废品是大规模生产对环境造成的一种灾难性污染。低碳设计降低了整个产品生命周期内的污染性，包括从产品研发到产品生产、装配、运输以及最终的报废处理。3D打印技术的变革势必对环境保护优化提出更高的标准，绿色低碳设计的重点是力求将节能减排融入3D打印全过程中，其中最主要的一环来自增材的循环利用加工和再设计，穿插在整个设计过程中，对于生态环境的保护起到至关重要的作用。

3.3 3D打印绿色材料选择

3D打印绿色材料选择是一项系统而又复杂的工程。在保证产品绿色性的同时，还得兼顾其质量、成本和功能属性等。绿色节能减排产品要求构成产品的原料具有绿色效应，即在整个物料生命周期内，这类原料应有利于降低能耗，生产负荷最小。具体分析来说，3D打印绿色材料设计时，材料选择应从以下几点考虑：第一，精简所用材料门类。精简3D打印材料门类，不但可以简化产品架构，便于物料的研发、使用和标识，而且在相同的产品数量上可以得到更多的某种回收原料;第二，计算机仿真设计，运用算法创造了新的产品种类，由于是专门依据周边环境设计的，因此一个有创新构思的零部件可以使用相当长的时间，也更能节约有限的资源配置。

4 总结

3D打印分布式云智能制造绿色生态模式创新具有划时代的理论作用和实践影响，采用云智能平台进行大胆革新，通过3D打印加工技术的典型性能，结合新兴信息化手段（含大数据、云计算和物联网等）进行深度融合，可以实现3D打印云智能创新;采用分布式制造的方式，能够将具有不同生产规模和能力、并且处于不同地域上的制造商达成合作关系，提供快速响应市场需求的产品和服务;采用3D打印绿色生态模式，降本增效，绿色生产，将环境保护和3D打印材料的有效利用相结合，力求做到原材料的低功耗、环境负荷最小化和3D打印材料的可再生回收利用。

参考文献

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