基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的創(chuàng)意產(chǎn)品3D打印現(xiàn)狀與分析

劉一海， 肖軍杰， 樊瑞瑞， 程光耀， 齊元?jiǎng)伲?林達(dá)理

(1.北京印刷學(xué)院a.機(jī)電工程學(xué)院；b. 智能制造實(shí)驗(yàn)室，北京102600；2.中國民用航空飛行學(xué)院 空中交通管理學(xué)院，四川 廣漢618307；3. 漳州理工職業(yè)學(xué)院，福建 漳州363000)

0 引言

工業(yè)產(chǎn)品的制造方法主要分為三類：1）等材制造，如鑄造、鍛壓、焊接；2）減材制造，如車、銑、刨、磨等；3）增材制造，如3D打印。3D打印是一種典型的增材制造技術(shù)，其原理是將計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)出的三維模型分解成若干層平面切片數(shù)據(jù)，然后把打印材料按切片圖形數(shù)據(jù)逐層疊加，最終堆積成完整的物體。由于3D打印具備制造高復(fù)雜度、高敏捷性、高柔性產(chǎn)品等系列優(yōu)點(diǎn)，美國《時(shí)代》周刊已將3D打印列為“美國十大增長最快的工業(yè)”[1]。近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，3D打印讓每個(gè)人的創(chuàng)意想法、創(chuàng)新設(shè)計(jì)成為可能，3D打印創(chuàng)意產(chǎn)品可以給設(shè)計(jì)師和消費(fèi)者帶來最直觀的視覺沖擊與觸覺感受。

1 基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的3D打印技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

基于云制造（CBM）系統(tǒng)，Baumann Felix[2]開發(fā)了一種小型輕量級(jí)云服務(wù)，用于在低成本聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中獲取3D打印機(jī)資源，遠(yuǎn)程使用本地或異地聯(lián)網(wǎng)的3D打印機(jī)進(jìn)行打印；它側(cè)重于物理資源之間的接口及其在軟件中的表示，形成網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)（CPS）。T. Gotzelmann[3]為有視力障礙的人開發(fā)了有助于自動(dòng)搜索和打印3D模型的輔助工具，開發(fā)了一種基于個(gè)人計(jì)算機(jī)的3D打印系統(tǒng)，擴(kuò)展功能允許使用普通智能手機(jī)進(jìn)行搜索和打印。Fujiyoshi Ken等[4]將RFID（射頻識(shí)別器）模塊嵌入到3D打印對(duì)象中，并在對(duì)象完成打印后寫入其信息，實(shí)現(xiàn)了通過使用RFID（射頻識(shí)別器）和3D打印技術(shù)將數(shù)字和物理世界融合的目的，同時(shí)增強(qiáng)了現(xiàn)實(shí)世界和虛擬世界之間的互動(dòng)，帶來更豐富的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)操作。Bashyam Sanjai[5]設(shè)計(jì)和制造了一款3D打印自動(dòng)售貨機(jī)，取名創(chuàng)新站，可為德克薩斯大學(xué)奧斯汀校區(qū)的所有學(xué)生提供按需打印，并支持基于互聯(lián)網(wǎng)的3D打印。SU Wenjing[6]提出了一種靈活的SIW可穿戴傳感平臺(tái)，該平臺(tái)具有新穎的3D打印流程，可實(shí)現(xiàn)訂制可穿戴設(shè)備的快速原型設(shè)計(jì)與打??；此外，他們還提出了一種靈敏度為1.7 MHz/Er的概念驗(yàn)證微流體傳感器，可用作可穿戴傳感設(shè)備，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)體液。Go¨tzelmann Timo[7]分析了實(shí)際打印3D模型的特點(diǎn)，并使其適用盲人的訪問和打印。Walker Jason等[8]利用基于CAD實(shí)體建模的設(shè)計(jì)自由度，為模具內(nèi)的外殼傳感器（物聯(lián)網(wǎng)）引入獨(dú)特的模具功能，以便在多個(gè)位置收集溫度、壓力、濕度、氣體化學(xué)、模具內(nèi)芯的運(yùn)動(dòng)（移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)）和磁場(chǎng)等各種數(shù)據(jù)，采用無線、有線的方式提高了集成監(jiān)控水平。

1.2 國內(nèi)對(duì)于“互聯(lián)網(wǎng)+”的3D打印技術(shù)的研究

Wu J. J.[9]為了保證大面積3D打印機(jī)在廣域環(huán)境中的穩(wěn)定性和有效性，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的3D打印操作狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)及眾多3D打印機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，試驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的有效性。童晶等[10]基于3D掃描和3D打印技術(shù)，借助嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)集成的個(gè)性化巧克力3D打印系統(tǒng)。平臺(tái)利用Microsoft Kinect的深度攝像頭和相關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路控制Kinect的平移和旋轉(zhuǎn)，增強(qiáng)了3D掃描的穩(wěn)定性；與同類商用產(chǎn)品相比，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有更好的3D打印精度、更友好的人機(jī)界面，可以提供更好的巧克力定制服務(wù)。YANG Hongxiong等[11]提出了一種新的工業(yè)3D打印成本計(jì)算方法，涉及工業(yè)和建筑產(chǎn)品的性能，討論了現(xiàn)場(chǎng)和非現(xiàn)場(chǎng)3D打印的成本要素和計(jì)算算法，提出了工業(yè)化建設(shè)成本計(jì)算的思路，解決了不同施工技術(shù)的成本計(jì)算問題。JIANG Yuejuan等[12]針對(duì)第三次工業(yè)革命的影響，通過分析網(wǎng)絡(luò)時(shí)代制造模式的特點(diǎn)，提出了基于3D打印的網(wǎng)絡(luò)采集-分銷制造（CDM）模式，并對(duì)其制造組織形式進(jìn)行了分析：在CDM系統(tǒng)功能和體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，研究了其實(shí)現(xiàn)路徑，構(gòu)建了CDM云平臺(tái)——云川3D網(wǎng)絡(luò)。GUO Liang[13]提出了3D打印與云制造相結(jié)合的發(fā)展建議，分析了3D-PCP系統(tǒng)模式的潛在研究方向，評(píng)估了基于物聯(lián)網(wǎng)的3D打印及服務(wù)流程。JIANG Yuejuan[14]提出了3D打印-采集分發(fā)制造平臺(tái)的基本框架，并創(chuàng)建了分布式制造云數(shù)據(jù)算法；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：優(yōu)化的工作流程算法不僅可以滿足客戶對(duì)價(jià)格、質(zhì)量和時(shí)間的要求，而且可以有效降低印刷成本，同時(shí)也可以在整個(gè)收集制造配送平臺(tái)上發(fā)揮最佳作用。PAN Heng[15]得出結(jié)論：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在三維醫(yī)學(xué)圖像模型中的應(yīng)用可以提高三維醫(yī)學(xué)圖像模型的便利性、安全性、耐久性和有效性，從而提高整體醫(yī)學(xué)水平，更好服務(wù)人民身體健康。

2 現(xiàn)狀分析

我國正推動(dòng)“制造大國”向“制造強(qiáng)國”的轉(zhuǎn)型升級(jí)，智能制造是趨勢(shì)，而3D打印技術(shù)則是實(shí)現(xiàn)智能制造的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)之一。3D打印技術(shù)可以稱為“第三次工業(yè)革命”的代表性成果，其與互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合，即“互聯(lián)網(wǎng)+3D打印”將會(huì)推動(dòng)形成新的商業(yè)運(yùn)營模式[16-17]。

3D打印技術(shù)是向制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)型的重要契機(jī)[18]。盡管從目前的體驗(yàn)消費(fèi)到需求消費(fèi)還需要很長時(shí)間的探究，但因其設(shè)計(jì)空間不受限制、零技能制造、成本易控和無需組裝等特點(diǎn)，可以快捷便利地讓創(chuàng)新想法變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，使普通人很容易接觸、掌握這項(xiàng)技術(shù)。需要指出的是，3D打印并不是要取代大規(guī)模生產(chǎn)制造，反而是對(duì)個(gè)性化生產(chǎn)的一種新的補(bǔ)充形式，使商品制造者本身就是消費(fèi)者變成可能，正如華中科技大學(xué)史玉升教授所言，3D打印能夠助力傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，提升產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、售后全鏈條的服務(wù)水平。

就3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展鏈條的結(jié)構(gòu)而言，可以分為3個(gè)層次：以原材料的開發(fā)制造和技術(shù)研發(fā)為主的源頭；以3D打印機(jī)器研發(fā)為主的中段；以3D打印產(chǎn)品服務(wù)為主的下游。目前我國在3D打印機(jī)方面的研究已處于國際前列，如論文和申請(qǐng)專利的數(shù)量處于世界第二位。但源頭和下游的發(fā)展不太理想，在我國3D打印材料一直以來被視為產(chǎn)業(yè)瓶頸之一。世界3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟首席執(zhí)行官、中國3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟執(zhí)行理事長羅軍表示，3D打印技術(shù)之所以發(fā)展緩慢，主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：一是3D打印商業(yè)模式單一，設(shè)備是剛需；二是專業(yè)人才稀缺；三是原材料供給少，價(jià)格偏高。

目前，多色3D打印設(shè)備壟斷在國外公司手中，價(jià)格昂貴。國內(nèi)有些團(tuán)隊(duì)正在積極進(jìn)行該方面的工作。多色3D打印可以擴(kuò)大客戶對(duì)于創(chuàng)意產(chǎn)品3D打印的需求，增加打印的范圍。通過一次打印雙色產(chǎn)品，減少傳統(tǒng)3D打印后期的二次上色環(huán)節(jié)，可降低人工成本，實(shí)現(xiàn)利潤最大化，且直接采用雙色線材，一次成型，色彩均勻穩(wěn)定，效果明顯優(yōu)于二次上色[19]。

由上述現(xiàn)狀可知，由于互聯(lián)網(wǎng)和3D打印都在飛速發(fā)展，所以它們的結(jié)合會(huì)碰撞出大量的創(chuàng)新點(diǎn)；并且，國內(nèi)外都在積極創(chuàng)新，各有優(yōu)勢(shì)。隨著這種趨勢(shì)的持續(xù)高漲，進(jìn)一步發(fā)展基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的3D打印技術(shù)將決定著誰占先機(jī)，引領(lǐng)市場(chǎng)。在即將到來的5G時(shí)代，互聯(lián)網(wǎng)和3D打印的結(jié)合將會(huì)加快推進(jìn)“中國制造2025”的發(fā)展。

3 發(fā)展方向及應(yīng)用前景

基于互聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)意產(chǎn)品3D打印，首先需要搜索、下載、創(chuàng)新創(chuàng)意模型，再依據(jù)分層切片數(shù)據(jù)3D打印創(chuàng)意產(chǎn)品數(shù)字模型，完成創(chuàng)意產(chǎn)品的物理實(shí)現(xiàn)，豐富了創(chuàng)意產(chǎn)品3D打印的服務(wù)范圍，市場(chǎng)前景廣闊。其中，該技術(shù)所需模型既可以根據(jù)客戶需求創(chuàng)建，亦可來源于互聯(lián)網(wǎng)，資源豐富、多樣；只需根據(jù)客戶要求獲取3D模型，進(jìn)行合理分割、切片，3D打印，即可迅捷形成客戶所需產(chǎn)品；采用便捷的互聯(lián)網(wǎng)物流系統(tǒng)，迅速交付給客戶，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的CTC服務(wù)與盈利模式[20-22]，基于“互聯(lián)網(wǎng)”+“3D打印”的技術(shù)融合發(fā)展路線如圖1所示。

圖1 “ 互聯(lián)網(wǎng)”+“3D打印”技術(shù)融合發(fā)展路線

綜上所述，“互聯(lián)網(wǎng)+3D打印+創(chuàng)意產(chǎn)品”目前盡管部分實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)、訂制和制造，還未能承擔(dān)裝備制造業(yè)和服務(wù)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)重任；作為《中國制造2025》規(guī)劃當(dāng)中的重點(diǎn)布局內(nèi)容，新一代智能化裝備、產(chǎn)品發(fā)展將日趨完善，并最終給工業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)組織模式帶來質(zhì)的改變，同時(shí)也對(duì)我國制造強(qiáng)國的愿景起到積極的推動(dòng)作用。