3D工业设计与打印服务实验室项目简介.doc

3D工业设计与打印服务实验室项目简介

3D工业设计与打印服务实验室项目简介

前 言

英国《经济学人》杂志在《第三次工业革命》一文中，将3D打印技术作为第三次工业革命的重要标志之一，引发了世人对3D打印的关注。3D打印技术依托多个学科领域的尖端技术，在航空航天、汽车摩托车、家电、生物医学等领域得到了一定应用，发展前景广泛，随着科技的进步，三维打印的领域不断拓展，专利不断出现并被陆续推向市场。

一、3D打印的含义、关键技术、应用领域
1、什么是3D打印
3D打印（3Dprinting）是制造业领域正在迅速发展的一项新兴技术，被称为“具有工业革命意义的制造技术”。运用该技术进行生产的主要流程是：应用计算机软件，设计出立体的加工样式，然后通过特定的成型设备（俗称“3D打印机”），用液化、粉末化、丝化的固体材料逐层“打印”出产品。
3D打印是“增材制造”（AdditiveManufacturing）的主要实现形式。“增材制造”的理念区别于传统的“去除型”制造。传统数控制造一般是在原材料基础上，使用切割、磨削、腐蚀、熔融等办法，去除多余部分，得到零部件，再以拼装、焊接等方法组合成最终产品。而“增材制造”与之截然不同，无需原胚和模具，就能直接根据计算机图形数据，通过增加材料的方法生成任何形状的物体，简化产品的制造程序，缩短产品的研制周期，提高效率并降低成本。
2、3D打印所需的关键技术
3D打印需要依托多个学科领域的尖端技术，至少包括以下方面：
信息技术：要有先进的设计软件及数字化工具，辅助设计人员制作出产品的三维数字模型，并且根据模型自动分析出打印的工序，自动控制打印器材的走向。
精密机械：3D打印以“每层的叠加”为加工方式。要生产高精度的产品，必须对打印设备的精准程度、稳定性有较高的要求。
材料科学：用于3D打印的原材料较为特殊，必须能够液化、粉末化、丝化，在打印完成后又能重新结合起来，并具有合格的物理、化学性质。
3、3D打印的应用领域
a．工业制造：产品概念设计、原型制作、产品评审、功能验证；制作模具原型或直接打印模具，直接打印产品。3D打印的小型无人飞机、小型汽车等概念产品已问世。3D打印的家用器具模型，也被用于企业的宣传、营销活动中。
b．文化创意和数码娱乐：形状和结构复杂、材料特殊的艺术表达载体。科幻类电影《阿凡达》运用3D打印塑造了部分角色和道具，3D打印的小提琴接近了手工艺的水平。
c．航空航天、国防军工：复杂形状、尺寸微细、特殊性能的零部件、机构的直接制造。4．生物医疗：人造骨骼、牙齿、助听器、假肢等。
d．消费品：珠宝、服饰、鞋类、玩具、创意DIY作品的设计和制造。
e．建筑工程：建筑模型风动试验和效果展示，建筑工程和施工（AEC）模拟。
f．教育：模型验证科学假设，用于不同学科实验、教学。在北美的一些中学、普通高校和军事院校，3D打印机已经被用于教学和科研。
g．个性化定制：基于网络的数据下载、电子商务的个性化打印定制服务。
二、国内3D打印产业发展现状及问题
3D打印机虽然发展迅速，但仍面临缺乏宏观规划和引导、研发投入不足、产业链缺乏统筹发展、缺乏教育培训和社会推广等一系列问题。
（一）发展现状
1．技术研发
我国已有部分技术处于世界先进水平。其中，激光直接加工金属技术发展较快，已基本满足特种零部件的机械性能要求，有望率先应用于航天、航空装备制造；生物细胞3D打印技术取得显著进展，已可以制造立体的模拟生物组织，为我国生物、医学领域尖端科学研究提供了关键的技术支撑。
2．产业应用
目前，依托高校成果，对3D打印设备进行产业化运作的公司实体主要有：陕西恒通智能机器（依托西安交通大学）、湖北滨湖机电（依托华中科技大学）。这些公司都已实现了一定程度的产业化，部分公司生产的便携式桌面3D打印机的价格已具备国际竞争力，成功进入欧美市场。
一些中小企业成为国外3D打印设备的代理商，经销全套打印设备、成型软件和特种材料。还有一些中小企业购买了国内外各类3D打印设备，专门为相关企业的研发、生产提供服务。其中，广东省工业设计中心、深圳市普立得科技有限公司等企业，设立了3D打印服务中心，发挥科技人才密集的优势，向国内外客户提供服务，取得了良好的经济效益。
（二）存在的问题
1．缺乏宏观规划和引导
3D打印产业上游包括材料技术、控制技术、光机电技术、软件技术，中游是立足于信息技术的数字化平台，下游涉及国防科工、航空航天、汽车摩配、家电电子、医疗卫生、文化创意等行业，其发展将会深刻影响先进制造业、工业设计业、生产性服务业、文化创意业、电子商务业及制造业信息化工程。但在我国工业转型升级、发展智能制造业的相关规划中，对3D打印这一交叉学科的技术总体规划与重视不够。
2．企业对技术研发投入不足
我国虽已有几家企业能自主制造3D打印设备，但企业规模普遍较小，研发力量不足。在加工流程稳定性、工件支撑材料生成和处理、部分特种材料的制备技术等诸多具体环节，存在较大缺陷，难以完全满足产品制造的需求。
而占据3D打印产业主导地位的美国3Dsystems、stratasys等公司，每年都投入1000多万美元研发新技术，研发投入占销售收入的10%左右。两家公司不仅研发设备、材料和软件，而且以签约开发、直接购买等方式，获得大量来自企业外部的相关细分技术、专利，已掌握一批关键核心技术。
3．产业链缺乏统筹发展
3D打印行业的发展需要完善的供应商和服务商体系、市场平台。供应商和服务商体系中，包含工业设计机构、3D数字化技术提供商、3D打印机及耗材提供商、3D打印设备经销商、3D打印服务商。市场平台包含第三方检测验证支持、金融支持、电子商务、知识产权保护等支持。而目前国内的3D打印企业还处于“单打独斗”的初步发展阶段，产业整合度较低，主导的技术标准、开发平台尚未确立，技术研发和推广应用还处于无序状态。
4．缺乏教育培训和社会推广
目前，企业购置3D打印设备的数量非常有限，应用范围狭窄。在机械、材料、信息技术等工程学科的教学课程体系中，缺乏与3D打印相关的必修环节，3D打印停留在部分学生的课外兴趣研究层面。
三、我国发展3D打印产业的重要战略意义
发展3D打印产业，可以在提升我国工业领域的产品开发水平的同时有助于攻克技术难关，并且易形成新的经济增长点，促进就业。
当前，全球正在兴起新一轮数字化制造浪潮。发达国家面对近年来制造业竞争力的下降，大力倡导“再工业化、再制造化”战略，提出智能机器人、人工智能、3D打印是实现数字化制造的关键技术，并希望通过这三大数字化制造技术的突破，巩固和提升制造业的主导权，加快3D打印产业发展，推动我国由“工业大国”向“工业强国”的转变。
——发展3D打印产业，可以提升我国工业领域的产品开发水平，提高工业设计能力传统的工业产品开发方法，往往是先开磨具，然后再做出样品，而运用3D打印技术，无需开磨具，可以把制造时间降低为以前的1／10到1／5，费用降低到1／3以下。一些好的设计理念，无论其结构和工艺多么复杂，均可利用3D打印技术，短时间内制造出来，从而极大地促进了产品的创新设计，有效克服我国工业设计能力薄弱的问题。
——发展3D打印产业，可以生产出复杂、特殊、个性化产品，有助于攻克技术难关3D打印可以为基础科学技术的研究提供重要的技术支持。在航天、航空、大型武器等装备制造业，零部件种类多、性能要求高，需要进行反复测试。运用3D打印，除了在研制速度上具有优势外，还可以直接加工出特殊、复杂的形状，简化装备的结构设计，化解技术难题，实现关键性能的赶超。
——发展3D打印产业，可以形成新的经济增长点，促进就业
随着3D打印的普及，“大批量的个性化定制”将成为重要的生产模式。3D打印与现代服务业的紧密结合，将衍生出新的细分产业、新的商业模式，创造出新的经济增长点。
如自主创业者可以通过购置或者租赁低成本的3D打印设备（一些3D打印设备已低于1万元），利用电子商务等平台提供服务，为大量消费者定制生活用品、文体器具、工艺装饰品等各类中小产品，激发个性化需求，形成一个数百亿甚至数千亿元规模的文化创意制造产业，并增加社会就业。
支持我国3D打印产业发展的政策建议
采取财税金融政策上积极支持、积极引导建立行业协会，鼓励研发，加强教育培训等措施，进一步促进3D打印社会化推广。
——制定数字化制造规划，促进3D产业优先发展
建议将3D打印技术定位为生产性服务业、文化创意、工业设计、先进制造、电子商务及制造业信息化工程的关键技术和共性技术，将该产业纳入优先发展产业及产品目录。在财税金融政策上，鼓励企业投资、研发、生产和应用3D打印，支持3D打印设备的进出口。
——加强产业联盟、行业协会建设，推动3D产业协同发展
积极引导工业设计企业、3D数字化技术提供商、3D打印机及材料研发企业和机构、3D打印服务应用提供商组建产业联盟，利用有关学会、协会的平台加强研讨和交流，共同推动3D打印技术研发和行业标准制定。促进3D打印技术发展的市场平台建设，包括3D打印电子商务平台、3D打印数据安全和产权保护机制、3D打印及周边项目投融资机制等，促进产业可持续发展。
——加大科技扶持力度，提升3D打印技术水平
设立专项基金，重点推进数字化技术、软件控制、打印装置、材料技术等关键技术的研发。在研发扶持中，要注意建立公平、公正的研发绩效评估体系，鼓励各研发主体探索不同的技术路径。加强对3D打印产学研合作的支持，特别对实施产业化的企业在市场销售、社会推广上给予政策支持。
——加强教育培训，促进3D打印社会化推广
将3D打印技术纳入相关学科建设体系，培养3D打印技术人才。依靠行业协会、博览会、论坛等组织形式进行3D打印技术和周边应用的培训。在科技馆、文化艺术中心、青少年活动中心等公共机构进行3D打印技术的展示、宣传和推广。发展3D打印服务中心，推广3D打印技术应用，为发展3D打印产业积累应用经验。
3D打印实验室的介绍
概况
XXXXXXX有限公司拟建的3D打印实验室，是将先进的3D打印机装进面积不大的实验室里，在实验室里按质，按量，按时完成可满足XXXXXXX市各中小企业需求的各项操作。
工作流程
实验室里的3D打印机其貌不扬，个头不大，四四方方，体型与小型饮水机差不多。打印机连接着电脑，比如客户要求打印一只哨子的话，要先将打印哨子的原料塑料装进打印机上方的小盒子里，塑料在盒子里融化，挤出不到一毫米的细丝，根据提前专业的工作人员在电脑里设计出的哨子的模型扫描片段，按照平行堆积的原理进行操作。根据扫面片段，平台有规律“转圈”，打印头则持续吐丝，层层覆盖，经过不到半个小时，一只白色的哨子就被“打印”出来，包括哨子内壁的小圆球，可见3D打印机是多么的精准，方便，一次成型，无需二次加工组装。用手触摸刚“打印”出的哨子，微微发热，轻轻一吹，就会发出响亮的声音。以哨子为例，以后建成的3D打印实验室将会准确无误的“打印”出更多的东西，满足各类中小企业的需求，从而促进城市的发展。
人员配备
由于3D打印需要用到很多专业性技术，如快速成型技术，熔融挤出成型技术等，所以实验室里的工作人员必须要首席掌握这些必须的技术，以免在必要的时候无从下手，耽误生产“打印”。
1． 3D打印技术是一项比较严谨的技术，工作人员必须要有吃苦耐劳的精神，能够细心完成各中小企业需要“打印”的模型。
2． 3D打印技术是与电脑紧密结合的技术，对工作人员来讲，必需聘用对电脑熟息，能快速解决电脑问题的人才。
3． 金无赤足，人无完人，每个人都会有不足之处，XXXXXXX公司在聘请实验室的工作人员后，会定期进行人员技术培训，以保证实验室不断创新，紧跟潮流，为智慧XXXXXXX的建设贡献自己的一份力量。
3D打印实验室建立的优势
² 时间及原材料成本优势
3D打印已经成为一种潮流，并开始广泛应用在设计领域，尤其是工业设计数码产品开模等，可以在数小时内完成一个模具的打印，节约了很多产品到市场的开发时间。这种打印机比常规建筑方法要快四倍，而其所使用的原料也只有原来的三分之一到二分之一，更重要的是几乎不会产生任何废弃物。建立3D打印实验室之后，将会大大节省XXXXXXX市各中小企业的建设开支，节约时间和原材料成本，从根本上给企业谋福利。
² 类型多样
3D 打印机可以用各种原料打印三维模型，使用3D 辅助设计软件，工程师设计出一个模型或原型之后，无论设计的是一所房子还是人工心脏瓣膜，之后通过相关公司生产的3D打印机进行打印，打印的原料可以是有机或者无机的材料，例如橡胶、塑料、甚至是人体器官，不同的打印机厂商所提供的打印材质不同。3D打印机的应用对象可以是任何行业，只要这些行业需要模型和原型。3D打印机需求量较大的行业包括政府、航天和国防、医疗设备、高科技、教育业以及制造业。3D打印实验室建成后，无疑会对XXXXXXX市各类型相关中小企业提供关键的服务，推动各行业的快速发展。
² 连接的强功能作用
在飞机、核电和火电等行业所使用的重型机械、高端精密机械装备上，传统的焊接和零部件加固的方法使得部件之间的连接并不牢固，但是使用3D打印技术出来的产品是自然无缝连接，结构之间的稳固性和连接强度要远远高于传统方法。这在飞机、核电等高端装备制造行业的应用上非常广泛。虽然现在XXXXXXX市还没有发展的这么高端，但是链接的强功能作用，不管是对企业要求“打印”的再微小的东西都是非常关键的。