基于綠色設計理念的增材制造技術研究*

姜　康　郭　磊　張　騰　凌飛陽

(合肥工業大學交通運輸工程學院，安徽 合肥，230601)

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基于綠色設計理念的增材制造技術研究*

姜康郭磊張騰凌飛陽

(合肥工業大學交通運輸工程學院，安徽 合肥，230601)

根據近年來人類社會面臨的生態環境問題，結合產品綠色設計的特點，闡述了現代產品開發模式，對增材制造技術的內涵、發展現狀和研究內容進行概括與總結，并提出了發展策略，為中國企業廣泛應用綠色化的增材制造技術提供了有力的參考。

增材制造；定制生產；綠色設計；發展策略

長期以來，世界各國采用“資源—產品—消費—排放”的單向發展模式，以一種高投入、高消耗、高污染、低效率為特征的短期粗放型經濟方式換取經濟的繁榮，卻付出了生態環境嚴重惡化和資源、能源過度浪費的代價[1-2]。面對日益惡化的生態危機，人們已經意識到只考慮發展不顧環境的傳統發展模式是不符合人類社會發展長遠利益的[3]。

自20世紀70年代以來，世界各國經濟發展模式呈現出新的綠色戰略模式[2]，使綠色產品的生產成為了競爭焦點，而綠色設計是實現產品綠色化(節能、降耗、環保和勞保)的基礎。綠色設計就是在生態哲學指導下，運用生態思維，將物的設計納入“人—機—環境”系統進行最優化的一種設計方法[4]。它滿足了人們的綠色消費需求，是沖破綠色貿易壁壘，實施可持續發展戰略的必然選擇[5]。

隨著世界經濟一體化的深入發展，企業正面臨新的挑戰和機遇。產品環保化和個性化需求不斷增長，設備和產品的功能與結構逐步復雜，市場競爭日益激烈[6]。如何提高產品綠色設計與市場投放速度，已成為決定企業競爭是否占優的關鍵[7]。增材制造(additive manufacturing，AM)技術作為綠色設計與制造的重要組成部分，適應新形勢下以綠色消費為主的發展方向。增材制造采用材料逐漸累加的方法制造實體零件[8]，與傳統加工工藝相比，大大減少了機加工，提高了材料利用率。根據美國能源部預計，增材制造將比機加工削減制造節省超過50%的能源[9]。國外學者、研究機構及企業對增材制造的設備和材料選擇等方面進行了系統化的研究，實現了產品的綠色設計、輕量化制造，但受設計理念、核心技術及加工工藝水平等的限制，中國制造業應用增材制造技術沒有實現大批量定制化生產，同時相關標準的滯后也阻礙了中國制造產業結構的轉型。

本文基于綠色設計的特點，分析了現代產品的開發模式，并對增材制造技術的內涵、發展現狀和研究內容進行歸納與概括，同時提出了發展策略，為中國企業廣泛應用綠色化的增材制造技術提供了有力的參考。

1　現代產品開發模式

目前，先進制造技術與信息科學、材料科學等學科交叉融合，使制造技術面貌煥然一新。特別是2008年以來，受全球金融危機的影響，企業間的競爭不斷加烈，這就要求企業必須縮短產品研發周期、增強創新能力、提高綠色化程度；同時又要降低生產成本、提高資源利用率，以快速響應市場。因此，傳統產品設計方法(如圖1)已無法滿足這些要求，個性化、綠色化的產品已成為現代制造業的發展趨勢。

現代產品開發模式是面向產品的整個生命周期過程(需求分析、設計構思、產品設計、制造、使用以及廢棄和回收)的設計。它依據環境效益和生態環境指標與產品性能、質量及成本要求[1]，利用三維軟件完成產品的虛擬創建、修改、裝配、仿真等一系列操作，最后通過先進的數字化技術進行量產，實現了產品研制過程各部門數據信息的“零誤差”傳遞和并行、協同[10]。現代產品設計過程(如圖2)遵循了“資源—產品—消費—回收再制造”的循環經濟發展方式，根據綠色設計的4R(reduce，reuse，recycle，regenerate)原則，使資源在經濟循環中得到了合理、高效、持久的利用，達到生態建設與經濟發展“雙贏”的局面[1]。同時，建立豐富的資源知識數據庫，通過基于相似案例和發明問題解決理論的產品綠色創新設計方法，提高新產品的研制與開發效率，實現產品的綠色設計和制造。

現階段，我國的制造業仍處于中低端水平，產品低廉的價格優勢已失去了市場競爭。到2025年，我國將實現從“中國制造”向“中國智造”的轉變，提高產品綠色創新設計能力，優化產品結構性能，成為了我國制造業發展的迫切需要，而增材制造技術的發展必將開啟產品開發新模式，推進制造業的轉型升級，實現我國經濟的可持續發展。

2　增材制造技術的內涵

增材制造是基于離散/堆積成型原理，以三維CAD模型為唯一的數據來源，通過材料逐漸累加完成實體零件“自下而上”(bottom-up)的自由化制造[11-13]。相對于傳統的材料去除——切削加工技術[14]，增材制造不需要坯料、模具(有少數模型需要)、刀具、專用夾具等其他加工工序，可在短時間內制造出任意復雜的零件，實現了“功能優先，制造服從設計”的發展，從而優化了生產工藝，改善了裝配流程，給制造業帶來了革命性的變化。增材制造技術綜合了計算機技術、CAD/CAM技術、激光技術、數控技術以及材料科學等領域諸多的現代科技成果，使設計過程更多的追求產品的高性能及可拆卸性、可回收性等，被譽為“第三次工業革命標志性的生產工具”。

增材制造技術是一種快速成型制造(rapid prototyping manufacturing，RPM)技術，又稱3D打印(3D printing)技術。

其工作過程如圖3所示[15-16]：

(1)設計者根據設計要求構造產品的CAD模型，再應用計算機輔助工程(computer aided engineering，CAE)技術驗證CAD設計的效果，并將模型生成STL(stereo lihography)文件(為CAD文檔與增材制造系統之間進行數據轉化的格式)。

(2)對模型數據進行離散化處理，包括各層切片截面二維數據(實體模型的切片輪廓)的生成和加工路徑的生成。

(3)依據切片處理所得的截面輪廓，在計算機的控制下，成型頭(激光頭或噴頭)按加工路徑將材料一層層的疊加形成樣品或模具，再經后處理(去除支撐/余料、打磨、拋光、表面強化/硬化等)獲得功能性產品。

作為先進的數字化制造技術之一，增材制造技術開創了產品開發的新模式，與傳統的加工方法相比，具有許多獨特的特點[17-18]:①柔性度高，可用于復雜零件以及功能梯度材料的加工。②零件近凈成型，機加余量小，材料利用率高。③自由成型制造(freeform fabrication，FF)，不需要任何刀具、模具及專用夾具。④以三維CAD模型為唯一的數據來源，具有對產品及結構設計變化的“快速響應”能力。⑤新產品的研發周期短，效率高，競爭力強。⑥制造的產品具有很高的力學性能和化學性能，強度高、塑性高、耐腐蝕性能優異。⑦按需制造，無需庫存，降低了新產品的銷售風險和成本。

目前，增材制造技術的典型工藝有立體光固化技術(stereo lithography apparatus，SLA)，選區激光燒結(selective laser sinter-ing，SLS)，熔融沉積制造(fused deposition modeling，FDM)、分層實體制造(laminated object manufacturing，LOM)等，其特性如表1所示。

表1增材制造技術的典型工藝對比

工藝名稱SLASLSFDMLOM熱源激光激光電熱激光制造過程通過激光束掃描固化材料層面,最后疊加形成實體用激光燒結粉末材料粘連成型將熱塑性絲狀材料熔化-擠壓-固化,一層層沉積完成用熱熔膠將薄層材料粘合在一起,通過切割-粘合-切割,逐層堆積生成實體優點制件精度高(可達+0.1mm);表面質量好;材料的利用率高(接近100%)原材料選擇廣泛;材料利用率高(接近100%);制造工藝簡單,速度快;無需設計支撐結構材料利用率高(接近100%),種類多;成本低;采用水溶性支撐材料,支架易去除成型材料價格低;制作速度快,成本低;制件精度高;不需設計支撐結構缺點需要設計支撐結構;材料必須是光敏樹脂(具有氣味和毒性)且價格昂貴;制件容易翹曲變形;后處理較復雜,制件精度低,表面粗糙;制作易變性,需要后處理;成型過程產生有毒氣體和粉塵制件精度、強度較低;需要設計和制作支撐結構;成型時間長;材料價格貴制件彈性差,抗拉強度低,表面粗糙,易吸濕變形;材料利用率低;余料去除困難;不能制造中空結構件常用材料光敏樹脂等金屬、陶瓷、熱塑性塑料等粉末材料熱塑性材料(ABS,PLA)、石蠟等紙、金屬箔、塑料薄膜、碳纖維等

3　國內外增材制造技術發展現狀

增材制造技術誕生于20世紀80年代中期。1986查爾斯·胡爾(Charales W.Hull)將立體光刻(srereo lithgraphy，SL)技術申請了專利，并創辦了3D Systems公司。1988年，3D Systems公司推出了世界上第一臺SLA設備[16]，開啟了增材制造技術的新紀元。經過近30年的發展，現已開發出幾十種不同的成型方法。目前，增材制造已成為制造業的研究熱點，國外學者在基本工藝[19]、分層算法[20-24]、鈦合金[25-27]、鎳基高溫合金[28-29]等方面進行了大量研究，使其市場占有率逐年增長。據《Wohlers Report 2015》分析[30]，2014年全球增材制造產品及服務的市場收入為41.03億美元，超過2013年市場規模近10億美元，年均復合增長率(CAGR)為35.2%，達到了18年來增材制造行業增長的最高峰。

歐美等發達國家非常重視增材制造技術的發展與應用。2006年，美國國防部重點投資了增材制造技術的開發；2009年，美國制定了增材制造技術發展路線圖；2010年，歐盟的第六個框架計劃開展了大型航空航天組件增材制造的研究，主要集中于鈦以及鎳和鋼的沉積技術；2011年3月英國在諾丁漢大學成立了增材制造技術創新中心；2012年8月，美國組建了“國家增材制造創新研究院”，專門研發增材制造技術；2013年1月歐空局(ESA)啟動一項增材制造技術研究計劃；2014年11月美國制造技術協會(AMT)和德國機床制造商協會(VDW)聯合設立了國際增材制造獎(International Additive Manufacturing Award，IAMA)，并于2015年奧蘭多的制造業增長(MFG)會議上，將第一個IAMA頒給了HMT公司研發的AMBIT多任務系統[31-33]。此外，法國、日本、澳大利亞等國家也加大了增材制造技術研發經費的投入，制定了一系列的發展路線圖，并相繼成立了基于企業、科研機構及高等院校合作的研究中心和技術聯盟，有力地促進了該技術在各領域的應用。

我國于上世紀90年代初期就展開了增材制造的技術研究與設備研發，建立了清華大學激光快速成型中心、西安交通大學先進制造技術研究所、華中科技大學快速制造中心等科研機構，并在增材制造技術的成型設備、工藝原理、數據處理軟件、分層算法、掃描路徑以及加工材料等方面取得了顯著成果。其中，清華大學研制出了多功能快速造型系統(M-RPMS-II)、基于FDM的熔融擠出成型系統(MEM-250)和基于LOM法的分層實體制造系統(SSM-500)等，并將該技術引人生命科學領域，提出“生物制造工程”學科概念和框架體系，2001年研制出生物材料快速成型機[34-35]。西安交通大學自主研制了三維打印機噴頭，開發了光固化成型系統及相應成型材料，并對金屬熔敷制造、陶瓷光固化成形、生物組織制造進行了研究，同時用光固化快速成形的方法制作飛機風洞模型，促進了飛機創新設計與開發[36-38]。華中科技大學研制出以紙為成型材料的HRP系列薄材疊層激光快速成形系統(LOM)和以粉末為成型材料的HRPS系列選擇性激光燒結快速成形系統(SLS)，并于2010年研制出了成型空間為1.2 m×1.2 m快速制造裝備，這是世界上此類裝備的最大工作面[35,39]。另外，西北工業大學黃衛東團隊致力于激光立體成型技術的研究，2001年申請了中國第一批關于激光立體成型的源頭創新專利，2012年制造了長度達3 m的C919飛機中央翼緣條，并成功通過了中國商飛公司的測試。北京航空航天大學王華明團隊突破了鈦合金、超高強度鋼等難加工大型復雜整體關鍵構件激光成形工藝、成套裝備和應用等關鍵技術[40]，研制了多種飛機鈦合金主承力關鍵結構件、超高強度鋼飛機起落架、C919接頭窗框等金屬零部件[41]。其主持的“飛機鈦合金大型復雜整體構件激光成形技術”項目獲得了2012年度國家技術發明一等獎，使我國成為世界上唯一掌握飛機鈦合金大型整體主承力結構件激光增材制造技術并實現裝機應用的國家[36]。目前，湖南華曙高、武漢濱湖機電、南京紫金立德、陜西恒通、北京殷華、北京隆源公司、西安鉑力特等企業已研制了幾十種增材制造設備及相應的成型材料，并成功出口美國、俄羅斯等國家，實現了產業化應用。

與此同時，2012年10月，中國3D打印技術(增材制造技術)產業聯盟成立，這是世界上首個3D打印技術產業聯盟，有利于推動我國增材制造技術的產業化、市場化進程，強化與國際間的交流與合作，以促進制造業的可持續創新發展。同年12月，中國工業與信息化部聯合中國工程院制定了我國增材制造技術的技術路線圖與中長期發展戰略[40]。2013年4月，我國將增材制造產業首次納入“國家高技術研究發展計劃(863計劃)”。2014年6月，全球首個增材制造創新中心總部在青島高新區成立，構建了企業與用戶間的交流平臺，優化了服務質量及水平，促進了增材制造的技術進步及功能完善。2015年2月，工業和信息化部、發展改革委、財政部聯合制定了《國家增材制造產業發展推進計劃(2015-2016年)》，將該技術提升到國家發展戰略層面，為實現增材制造產業跨越式發展打下了堅實的基礎。

現如今，我國的增材制造技術在航空航天、汽車、建筑、生物醫療等領域取得了一定的成果，獲得了國際市場的認可。但與發達國家相比，我國的企業規模較小，研發實力較弱；研究機構分散，缺乏標準規范、統一規劃；核心器件(激光器、噴頭、掃描振鏡、精密光學器件等)、部分特種材料和軟件等依賴進口；制作精度、速度較低，生產成本較高，難以滿足產品制造的需求等。因此，我國應加快增材制造技術研究，不斷拓展應用領域，同時提高產品和服務質量，避免國外的綠色壁壘。

4　增材制造技術研究的主要內容

4.1軟件技術

軟件是增材制造技術發展的基礎，主要包括三維建模軟件、數據處理軟件及控制軟件等。三維建模軟件主要完成產品的數字化設計和仿真，并輸出STL文件。其建模的途徑主要有兩種[15]：一是按已知的產品數據利用CAD軟件直接建模；另一種是對現有的實體模型或實物進行掃描和測量，獲得產品的離散數據點云，再重構產品的三維模型。目前主流的三維CAD建模軟件有美國PTC公司的Creo，德國Siemens PLM Software公司的Solid Edge、UG，法國Dassault System公司的CATIA等。這些軟件均采用了參數化設計技術和特征造型技術，支持尺寸驅動設計修改，給設計者帶來了方便與靈活[42]，但是比較繁瑣。最近Autodesk公司發布了一款新設計軟件—Autodesk Within 軟件，用戶只要輸入產品重量、最大承壓力、模型密度及表面粗糙度等數據，就可直接完成模型的設計，其制造產品的硬度和柔度等性能更優。數據處理軟件負責進行STL文件的接口輸入、可視化、編輯、診斷檢驗及修復、插補、分層切片，完成輪廓數據和填充線的優化，生成掃描路徑、支撐及加工參數等[43]。控制軟件將數控信息輸出到步進電動機，控制噴射頻率、掃描速度等參數，從而實現產品的快速制造。

4.2新材料技術

成型材料是增材制造技術發展的核心之一，它實現了產品“點-線-面-體”的快速制作。目前常使用的材料有金屬粉末、光敏樹脂、熱塑性塑料、高分子聚合物、石膏、紙、生物活性高分子等材料，并實現了工程應用。如2013年7月，NASA選用鎳鉻合金粉末制造了火箭發動機的噴嘴(僅有2個部件組成)，并順利通過點火試驗，噴嘴推力達到創紀錄的88905N[44]；2015年7月8日，北京大學人民醫院郭衛教授完成骶骨腫瘤切除手術后，在患者骨缺損部位安放了增材制造的金屬骶骨假體，使患者軀干與骨盆重獲聯系。然而，我國基礎性(材料的物理、化學及力學性能等)研究不足，缺乏材料特性數據庫；高端成型材料(高性能光敏樹脂、金屬合金、噴墨粘結劑等)大多依賴進口，缺少規模化材料研發公司且沒有相應的標準規范，致使現階段制造的零件主要用于概念設計、實驗測試與模具制造，只有少數功能件實現了產業化。

科學技術日新月異，增材制造單一材料零件的性能已滿足不了實際要求，復合材料、功能梯度材料、智能材料、納米材料等新型材料產品成為了目前研究熱點。特別是4D打印技術的出現，實現了智能材料產品的自我組裝或調整，徹底顛覆了傳統裝備制造業的發展理念，開辟了增材制造技術發展的新篇章。

4.3再制造技術

再制造技術給予了廢舊產品新生命，延伸了產品使役時間，實現可持續發展，是綠色設計的重要組成部分，也是增材制造技術的發展方向。它以損傷零件為基礎，對其失效的部分進行處理，恢復其整體結構和使用功能，并根據需要進行性能提升[45]。與正向制造相比，增材再制造需要清洗缺損零件，給出詳細的修復方案，再通過逆向工程[46]構建缺損零件的標準三維模型，最后按規劃的路徑完成修復，其成型過程更加精確可控。2015年，HMT(hybrid manufacturing technologies)公司開發了一款混合制造系統[47-48]——AMBIT多任務系統。它集成了激光融覆技術和數控加工等技術，通過更換工具頭，自動完成熔敷增材制造與研磨減材加工過程，實現了缺損零件的柔性增材再制造，獲得了首屆國際增材制造獎。

基于增材制造技術的再制造技術主要用于缺損零件的修復，同時還可對停產零件進行再制造，使產品得以運轉，降低了能源消耗，實現了利益最大化。

4.4云制造技術

云制造是未來增材制造技術發展的關鍵。它基于“互網絡+制造”模式，通過構建云端服務平臺，組織網上制造資源(制造云)為用戶提供各類按需制造的服務[49]。

云制造技術集成了語義Web、云計算、物聯網、大數據、嵌入式系統等先進信息技術。它將各區域制造資源和能力匯集于云端，實施統一管理、協同并行、動態調度，實現了設備異地實時運行、供應鏈自動化集成、加工流程在線監控及設備遠程診斷與維護等深度融合，為用戶提供了產品全生命周期(產品的論證、設計、仿真、優化、制造、銷售、使用、管理、維護、拆解、報廢、回收等)的個性化服務[49-51]。

建立云制造服務平臺，可以突破空間地域對企業生產經營范圍和方式的約束，優化企業間的協同和各種社會資源的共享與集成，避免制造資源浪費，實現資源增效與增值[52]。同時提高了設計者的綠色創新設計能力，為增材制造技術的數字化、智能化、網絡化、服務化和綠色化提供了有力的支持。

5　發展策略

增材制造技術具有顯著的行業競爭優勢和廣闊的發展前景，正在引領一次新的技術革命。因此，我國應抓住這次契機，統籌規劃，突破關鍵技術，研發核心軟件，完善共享平臺，促進協調集成，以滿足產品研制生產和企業戰略發展需要，推動我國工業化和現代化全面發展。

(1)加強頂層設計與政策引導

加強增材制造的頂層設計和統籌協調，制定詳細的發展規劃。一方面增加財稅支持，并在相關政策引導下，借鑒3DSystem和Stratasys公司的經營模式，以融資、并購等方式擴大企業服務業務，增強企業技術和資金實力，提高企業市場競爭力。另一方面，建立和完善人才培養體系及激勵機制，為增材制造技術發展儲備更多的專業人才。最后還應制定相應法律法規，保護設計者的知識產權，同時加大監管力度，防止危險物品的設計與制造等，使增材制造技術更好地服務于人類。

(2)建立CAX/PLM/PDM集成系統

以數字化樣機為核心，將CAD、CAE、CAPP、CAM、PLM、PDM結合在一起，建立統一的數據交換標準和系統，實現產品設計、仿真、制造等過程間的集成。即借助CAD/CAE/CAPP/CAM一體化平臺，完成產品的協同設計、仿真、工藝規劃、加工、質量檢驗等過程的自動化運行及系統軟件之間的無縫銜接，提高產品質量，縮短研制周期，降低生產成本。同時完善系統集成信息共享庫，實現產品全生命周期過程的動態跟蹤，為后續產品再制造或新產品開發提供數據支持，從而構建現代集成制造系統(CIMS)，促進增材制造技術產業化應用，推動制造業向集成化、網絡化、柔性化、智能化、綠色化、服務化方向發展。

(3)制定標準規范體系

標準是一項新技術成熟的主要標志，也是新技術應用規模化的基礎[53]。因此，我國應盡快成立增材制造標準化技術研究機構，按照“統籌規劃、積極采標、加強協作、雙向互動、重點突破、注重實效、動態發展”的指導思想[54]，聯合企業和高校共同研究制定增材制造專用術語、方法、材料、工藝控制、試驗方法、數據處理、產品性能評價與認證等行業及國家標準規范，并在實際應用中對原有標準規范內容進行補充和修正，提高標準規范的通用性和廣泛適應性，促進該技術的推廣應用。同時積極參與ISO/TC261的相關活動，避免國外標準壟斷，推進中國裝備“走出去”步伐，

(4)推進試點示范工程

依托我國在高性能復雜大型金屬承力部件增材制造等技術上的優勢，扶植實力較強的重點研發中心，進一步完善基礎理論框架，進而攻克關鍵技術，突破國外技術壁壘，全面實現核心技術裝備國產化。同時搭建公共服務和展示平臺，將新技術成果進行示范推廣，促進企業與客戶間的交流，開創增材制造行業發展新模式。

通過試點示范工程，逐步強化產品綠色設計理念，提高增材制造技術水平，完善增材制造標準體系，促進企業快速發展。

(5)加強國際間的合作與交流

國外現有眾多成熟的設備制造商，擁有雄厚的科研實力和產業化基礎，具有較為完整的材料性能與工藝參數數據庫。結合國內增材制造技術的研究現狀，加強國際交流和合作,一方面吸引國外專家與國內研究機構共同進行研發，帶動國內增材制造整體實力和競爭力；另一方面，吸收國外先進的技術成果，通過引進消化吸收再創新的生產開發模式，提高研發的起點,加快研發的進度，進一步推進國產增材制造設備商業化[55]。

6　結語

借助綠色設計理念，增材制造實現了零件無模具的綠色化制造，為制造業開創了一種新型的生產方式。同時將增材制造技術貫穿于產品全生命周期，促進了產品設計仿真制造過程的集成和協同，簡化了制造流程，優化了成型質量，強化了企業技術創新，提高了企業柔性生產能力和市場競爭能力，已成為了各領域發展的焦點。

目前，我國的增材制造技術進人了一個嶄新的發展階段，初步形成了成型設備、材料、軟件和服務的全產業鏈模式，為功能零件和宏微結構一體化制造發展提供了新機遇。未來在綠色設計理念驅動下，使增材制造與云計算、物聯網、大數據、人工智能等技術充分融合，突破軟件和材料科學壁壘，實現產品的云制造和再制造，為我國制造產業轉型升級奠定堅實的基礎。

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(編輯汪藝)

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Research on additive manufacturing technology based on green design concept

JIANG Kang, GUO Lei, ZHANG Teng, LING Feiyang

(School of Transportation Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230601, CHN)

Based on ecological crisis human beings are confronted in recent years, integrating characteristics of product green design, this paper elaborates on modern product development model, generalizes and summarizes the connotation, development status and research content of the AM technology, and puts forward development strategies, which also offers an effective for Chinese enterprises to widely use the greenization of the AM technology.

additive manufacturing; customization production; green design; development

TH16

A

姜康，男，1974年生，博士，副院長，主要從事數字化設計與制造、人工智能等領域的研究。

2015-10-13)

160410

*國防基礎科研重大項目資助(A1120131044)；國防技術基礎項目資助(JSZL2014210B001，JSBZ2014210A005，JSBZ2014210B007)