基于“互聯網+”的創意產品3D打印現狀與分析

劉一海， 肖軍杰， 樊瑞瑞， 程光耀， 齊元勝， 林達理

(1.北京印刷學院a.機電工程學院；b. 智能制造實驗室，北京102600；2.中國民用航空飛行學院 空中交通管理學院，四川 廣漢618307；3. 漳州理工職業學院，福建 漳州363000)

0 引言

工業產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，其原理是將計算機設計出的三維模型分解成若干層平面切片數據，然后把打印材料按切片圖形數據逐層疊加，最終堆積成完整的物體。由于3D打印具備制造高復雜度、高敏捷性、高柔性產品等系列優點，美國《時代》周刊已將3D打印列為“美國十大增長最快的工業”[1]。近年來，隨著互聯網技術的興起，3D打印讓每個人的創意想法、創新設計成為可能，3D打印創意產品可以給設計師和消費者帶來最直觀的視覺沖擊與觸覺感受。

1 基于“互聯網+”的3D打印技術國內外研究現狀

1.1 國外研究現狀

基于云制造（CBM）系統，Baumann Felix[2]開發了一種小型輕量級云服務，用于在低成本聯網計算機網絡環境中獲取3D打印機資源，遠程使用本地或異地聯網的3D打印機進行打印；它側重于物理資源之間的接口及其在軟件中的表示，形成網絡物理系統（CPS）。T. Gotzelmann[3]為有視力障礙的人開發了有助于自動搜索和打印3D模型的輔助工具，開發了一種基于個人計算機的3D打印系統，擴展功能允許使用普通智能手機進行搜索和打印。Fujiyoshi Ken等[4]將RFID（射頻識別器）模塊嵌入到3D打印對象中，并在對象完成打印后寫入其信息，實現了通過使用RFID（射頻識別器）和3D打印技術將數字和物理世界融合的目的，同時增強了現實世界和虛擬世界之間的互動，帶來更豐富的數據轉換和數據操作。Bashyam Sanjai[5]設計和制造了一款3D打印自動售貨機，取名創新站，可為德克薩斯大學奧斯汀校區的所有學生提供按需打印，并支持基于互聯網的3D打印。SU Wenjing[6]提出了一種靈活的SIW可穿戴傳感平臺，該平臺具有新穎的3D打印流程，可實現訂制可穿戴設備的快速原型設計與打印；此外，他們還提出了一種靈敏度為1.7 MHz/Er的概念驗證微流體傳感器，可用作可穿戴傳感設備，用于實時監測體液。Go¨tzelmann Timo[7]分析了實際打印3D模型的特點，并使其適用盲人的訪問和打印。Walker Jason等[8]利用基于CAD實體建模的設計自由度，為模具內的外殼傳感器（物聯網）引入獨特的模具功能，以便在多個位置收集溫度、壓力、濕度、氣體化學、模具內芯的運動（移動或旋轉）和磁場等各種數據，采用無線、有線的方式提高了集成監控水平。

1.2 國內對于“互聯網+”的3D打印技術的研究

Wu J. J.[9]為了保證大面積3D打印機在廣域環境中的穩定性和有效性，提出了基于物聯網的3D打印操作狀態監測平臺，實現了物聯網及眾多3D打印機的遠程監控，試驗驗證了該方案的有效性。童晶等[10]基于3D掃描和3D打印技術，借助嵌入式系統設計并實現了一個集成的個性化巧克力3D打印系統。平臺利用Microsoft Kinect的深度攝像頭和相關的驅動電路控制Kinect的平移和旋轉，增強了3D掃描的穩定性；與同類商用產品相比，實驗平臺具有更好的3D打印精度、更友好的人機界面，可以提供更好的巧克力定制服務。YANG Hongxiong等[11]提出了一種新的工業3D打印成本計算方法，涉及工業和建筑產品的性能，討論了現場和非現場3D打印的成本要素和計算算法，提出了工業化建設成本計算的思路，解決了不同施工技術的成本計算問題。JIANG Yuejuan等[12]針對第三次工業革命的影響，通過分析網絡時代制造模式的特點，提出了基于3D打印的網絡采集-分銷制造（CDM）模式，并對其制造組織形式進行了分析：在CDM系統功能和體系結構的基礎上，研究了其實現路徑，構建了CDM云平臺——云川3D網絡。GUO Liang[13]提出了3D打印與云制造相結合的發展建議，分析了3D-PCP系統模式的潛在研究方向，評估了基于物聯網的3D打印及服務流程。JIANG Yuejuan[14]提出了3D打印-采集分發制造平臺的基本框架，并創建了分布式制造云數據算法；實驗結果表明：優化的工作流程算法不僅可以滿足客戶對價格、質量和時間的要求，而且可以有效降低印刷成本，同時也可以在整個收集制造配送平臺上發揮最佳作用。PAN Heng[15]得出結論：物聯網技術在三維醫學圖像模型中的應用可以提高三維醫學圖像模型的便利性、安全性、耐久性和有效性，從而提高整體醫學水平，更好服務人民身體健康。

2 現狀分析

我國正推動“制造大國”向“制造強國”的轉型升級，智能制造是趨勢，而3D打印技術則是實現智能制造的關鍵基礎技術之一。3D打印技術可以稱為“第三次工業革命”的代表性成果，其與互聯網的結合，即“互聯網+3D打印”將會推動形成新的商業運營模式[16-17]。

3D打印技術是向制造強國轉型的重要契機[18]。盡管從目前的體驗消費到需求消費還需要很長時間的探究，但因其設計空間不受限制、零技能制造、成本易控和無需組裝等特點，可以快捷便利地讓創新想法變為現實，使普通人很容易接觸、掌握這項技術。需要指出的是，3D打印并不是要取代大規模生產制造，反而是對個性化生產的一種新的補充形式，使商品制造者本身就是消費者變成可能，正如華中科技大學史玉升教授所言，3D打印能夠助力傳統制造業轉型升級，提升產品的設計、制造、售后全鏈條的服務水平。

就3D打印產業發展鏈條的結構而言，可以分為3個層次：以原材料的開發制造和技術研發為主的源頭；以3D打印機器研發為主的中段；以3D打印產品服務為主的下游。目前我國在3D打印機方面的研究已處于國際前列，如論文和申請專利的數量處于世界第二位。但源頭和下游的發展不太理想，在我國3D打印材料一直以來被視為產業瓶頸之一。世界3D打印技術產業聯盟首席執行官、中國3D打印技術產業聯盟執行理事長羅軍表示，3D打印技術之所以發展緩慢，主要體現在3個方面：一是3D打印商業模式單一，設備是剛需；二是專業人才稀缺；三是原材料供給少，價格偏高。

目前，多色3D打印設備壟斷在國外公司手中，價格昂貴。國內有些團隊正在積極進行該方面的工作。多色3D打印可以擴大客戶對于創意產品3D打印的需求，增加打印的范圍。通過一次打印雙色產品，減少傳統3D打印后期的二次上色環節，可降低人工成本，實現利潤最大化，且直接采用雙色線材，一次成型，色彩均勻穩定，效果明顯優于二次上色[19]。

由上述現狀可知，由于互聯網和3D打印都在飛速發展，所以它們的結合會碰撞出大量的創新點；并且，國內外都在積極創新，各有優勢。隨著這種趨勢的持續高漲，進一步發展基于“互聯網+”的3D打印技術將決定著誰占先機，引領市場。在即將到來的5G時代，互聯網和3D打印的結合將會加快推進“中國制造2025”的發展。

3 發展方向及應用前景

基于互聯網的創意產品3D打印，首先需要搜索、下載、創新創意模型，再依據分層切片數據3D打印創意產品數字模型，完成創意產品的物理實現，豐富了創意產品3D打印的服務范圍，市場前景廣闊。其中，該技術所需模型既可以根據客戶需求創建，亦可來源于互聯網，資源豐富、多樣；只需根據客戶要求獲取3D模型，進行合理分割、切片，3D打印，即可迅捷形成客戶所需產品；采用便捷的互聯網物流系統，迅速交付給客戶，實現現代化的CTC服務與盈利模式[20-22]，基于“互聯網”+“3D打印”的技術融合發展路線如圖1所示。

圖1 “ 互聯網”+“3D打印”技術融合發展路線

綜上所述，“互聯網+3D打印+創意產品”目前盡管部分實現了網絡化設計、訂制和制造，還未能承擔裝備制造業和服務業的轉型升級重任；作為《中國制造2025》規劃當中的重點布局內容，新一代智能化裝備、產品發展將日趨完善，并最終給工業生產和經濟組織模式帶來質的改變，同時也對我國制造強國的愿景起到積極的推動作用。