數字化設計與先進制造技術

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數字化設計與先進制造技術范文第1篇

從政策層面來講，美國政府在金融危機后將發展先進制造業上升為國家戰略，希望以新的革命性的生產方式重塑制造業。

從行業層面上看，行業組織工業互聯網聯盟的組建，宣告了企業界進軍工業4.0時代的號角吹響。

與德國強調的“硬”制造不同，軟件和互聯網經濟發達的美國更側重于在“軟”服務方面推動新一輪工業革命，希望用互聯網激活傳統工業，保持制造業的長期競爭力。

政府戰略推動創新

2009年4月，剛剛出任美國總統的奧巴馬發表演講，提出將重振制造業作為美國經濟長遠發展的重大戰略。

同年12月，美國政府出臺《重振美國制造業框架》，詳細分析了重振制造業的理論基礎及優勢，成為美國發展制造業的戰略指引。

隨后奧巴馬政府從戰略布局、發展路徑到具體措施，逐步鋪展，完成了制造業創新計劃部署。

2011年6月，美國正式啟動“先進制造伙伴計劃”，旨在加快搶占21世紀先進制造業制高點。

2012年2月進一步推出“先進制造業國家戰略計劃”，通過積極政策，鼓勵制造企業回歸美國本土。

上述計劃包括兩條主線，一是調整、提升傳統制造業結構及競爭力；二是發展高新技術產業，提出發展包括先進生產技術平臺、先進制造工藝及設計與數據基礎設施等先進數字化制造技術。

2012年3月，奧巴馬首次提出建設“國家制造業創新網絡”，建立最多45個研究中心，加強高等院校和制造企業之間的產學研有機結合。

2013年1月，美國總統執行辦公室、國家科學技術委員會和高端制造業國家項目辦公室聯合了《國家制造業創新網絡初步設計》，投資10億美元組建美國制造業創新網絡（NNMI），集中力量推動數字化制造、新能源以及新材料應用等先進制造業的創新發展，打造一批具有先進制造業能力的創新集群。

這一創新網絡的重點研究領域包括：

開發碳纖維復合材料等輕質材料，提高下一代汽車、飛機、火車和輪船等交通工具的燃料效率、性能以及抗腐蝕性。

完善3D打印技術相關標準、材料和設備，實現利用數字化設計進行低成本小批量的產品生產。

創造智能制造的框架和方法，允許生產運營者實時掌握來自全數字化工廠的“大數據流”，以提高生產效率，優化供應鏈，并提高能源、水和材料的使用效率等。

據美國智庫威爾遜中心的《全球先進制造業趨勢報告》，美國研發投資量位于世界首位，其中四分之三投向制造業，在合成生物、先進材料和快速成型制造等先進制造業領域優勢明顯。

在政府和私營部門的大力推動下，美國很有可能出現以無線網絡技術全覆蓋、云計算大量運用和智能制造大規模發展為標志的新一輪技術創新浪潮。

產業聯盟打通技術壁壘

與德國工業4.0強調的“硬”制造不同，軟件和互聯網經濟發達的美國更側重于在“軟”服務方面推動新一輪工業革命，希望借助網絡和數據的力量提升整個工業的價值創造能力。

可以說，美國版的工業4.0實際上就是工業互聯網革命。而在此過程中，除了美國政府的政策扶持外，行業聯盟的率先組建成為發展的重要推手。

工業互聯網的概念最早由通用電氣（GE）于2012年提出，隨后美國五家行業龍頭企業聯手組建了工業互聯網聯盟（IIC），將這一概念大力推廣開來。除了通用電氣這樣的制造業巨頭，加入該聯盟的還有IBM、思科、英特爾和AT&T等IT企業。

工業互聯網聯盟采用開放成員制，致力于發展一個“通用藍圖”，使各個廠商設備之間可以實現數據共享。

該藍圖的標準不僅涉及Internet網絡協議，還包括諸如IT系統中數據的存儲容量、互連和非互連設備的功率大小、數據流量控制等指標。

其目的在于通過制定通用標準，打破技術壁壘，利用互聯網激活傳統工業過程，更好地促進物理世界和數字世界的融合。

數字化設計與先進制造技術范文第2篇

[關鍵詞]大飛機；數字化；裝配；技術

中圖分類號：V262.4 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）02-0383-01

大型飛機通常是指起飛總重量超過100t的軍民用大型運輸機和150座及以上的大型客機，其中大型客機飛行壽命長達90000h，這種長壽命、高可靠性設計對飛機裝配連接技術提出了更高要求。現代飛機制造業中，出現了許多新型連接方式（膠接、復合連接），但機械連接（鉚接、螺接）仍是現代飛機制造的主要連接形式，約占70%，而80%的疲勞損傷發生在機械連接部位，所以改善飛機的裝配連接技術可以有效減少飛機故障率。[1]自動鉆鉚技術作為數字化裝配技術的重要組成部分，可以大幅提高飛機裝配效率，有效保證飛機裝配質量，提高疲勞壽命，在飛機裝配工藝中得到廣泛應用。

1、飛機數字化制造業發展概述

一代飛機，一代技術，提升制造技術，是保證新一代飛機先進性的唯一有效途徑。信息技術的發展，實現了飛機三維數字化設計，也有效推動了制造技術的數字化。數控機床在飛機零件加工車間的使用，微型計算機在生產管理中的使用，可視為是飛機數字化制造的開端。基于三維數字化模型的傳遞體系，使得設計定型、零件生產和工裝制造同步，極大加快了新機投產。波音777的無紙化設計制造，具有里程碑式的意義。空客的智能工廠概念，更是將先進制造推向一個極致。數字化制的發展，有效的推動了飛機數字化測量技術的發展。國內當前而言，對測量技術、測量設備方面的研究，是發展先進制造體系的一項基本基礎。[2]

2、飛機數字化裝配技術分析

2.1、飛機裝配進度三維可視化方法

目前飛機裝配車間裝配進度用二維圖形進行展示，如進度條、餅形圖等，這種方式是已完成任務比例的圖形展示，缺乏直觀性，無法直觀展示哪些零件已經裝配完成，哪些零件正在裝配，哪些零件還未裝配，而飛機裝配進度三維可視化技術可直觀展示各個組件的裝配狀態。飛機裝配進度三維可視化是指在虛擬環境下，采用基于顏色的可視化表示方法，用三維模型展示飛機裝配進度，即不同裝配狀態的組件用不同的顏色顯示出來。在飛機裝配進度三維展示時，先根據車間裝配任務，對三維模型進行簡化處理；再將三維簡化模型與處理后的工藝數據綁定，建立飛機裝配進度信息模型；最后在此信息模型的基礎上，系統根據提取到的組件裝配狀態對三維簡化模型進行渲染展示。

三維模型簡化。由機包含的零組件多，為了提高飛機裝配進度三維可視化效率，需對三維模型進行簡化處理。先對飛機裝配結構進行簡化，再對簡化后的飛機裝配結構中的組件進行外形簡化和輕量化處理。

工藝數據的處理。飛機裝配是按照裝配工藝進行的，同時裝配任務與工藝規程是一一對應的，因此需要將一部分工藝信息映射為靜態生產信息，以實現對動態生產信息的管理。生產信息由靜態生產信息和動態生產信息共同構成。

飛機裝配進度信息模型建立。先按一定的規則將三維簡化模型同飛機裝配靜態生產信息關聯起來，而裝配過程產生的信息可根據映射關系關聯到三維簡化模型，從而實現將生產信息與三維簡化模型關聯起來。

裝配進度展示。裝配進度展示是根據組件的裝配狀態，對組件三維簡化模型進行渲染展示，以實現用三維簡化模型展示飛機裝配進度。在飛機裝配進度展示時可以展示車間的裝配進度和某一個組件的裝配進度。整個飛機裝配進度三維可視化過程涉及的關鍵技術有三維模型簡化、基于三維簡化模型的飛機裝配進度信息模型建立以及組件裝配狀態提取。本文主要針對這3方面進行研究。

2.2 數字化測量技術

飛機裝配貫穿設計、生產、試驗等全過程，是系統性非常強的專業。以往采取復雜型架定位、夾緊零部件實現飛機裝配的方法，已不能滿足新一代飛機的裝配質量、生產進度及運行安全等各方面越來越高的需求。近年來采取的數控設備、機器人、激光定位等先進的裝配技術，利用數字化測量手段，對工藝設備、加工參數進行自動優化，裝配過程保質保量，成為了飛機數字化制造業中的關鍵技術。數控自動鉆鉚系統、工業機器人，被有效、廣泛的應用到飛機零件與機身的連接裝配中。裝配工裝、鉆鉚設備、跟蹤測量系統等，在結構、功能方面的統一，實現了系統裝配的自動化，有效提高了技術標準，減少了制造周期，降低了生產成本，增加了經濟利益。進行3000r/min轉速的旋轉；此時的接收器，會接收一定的激光，從而實現對于角度的測量。設備優化的組合，可以得到測量點的坐標。該技術測量的精度，主要由其發射器的數量決定。第三種技術，是為了滿足不同機型、同一機型不同部位對于裝配精度的差異化需求，對激光雷達、室內GPS等各項技術進行的綜合應用。

2.3 自動鉆鉚技術

目前自動鉆鉚系統柔性工裝主要有兩種：一種是與專用的柔性工裝設備結合，比如機翼壁板自動化鉚接裝配行列式柔性工裝，該工裝設備開敞性好，通過數控系統調控可以實現大型飛機機翼壁板和翼梁自動化鉚接裝配；另一種是提高自動鉆鉚系統本身裝備柔性，如為應對波音商用飛機機身段單側表面超過1200個大孔徑復合材料鉚接裝配孔而設計的輕量級可移動拆裝的自動鉆鉚一次裝配系統，該裝配系統可一次性完成多種機身段表面孔的鉚接裝配，保證裝配質量。在發展上述自動鉆鉚系統柔性工裝的同時，柔性工裝正向著低成本化方向發展，比如機器人自動鉆鉚系統通過減少甚至消除工裝專用設備達到工裝無型架裝配，大大降低了裝配成本。托架系統作為自動鉆鉚機的重要組成部分，擔負著飛機壁板的支撐、夾緊、移動、定位等作用，在進行部件連接自動鉆鉚托架變形分析與誤差補償主要基于CATIAV5平臺的二次開發功能，根據變形數據進行變形補償工藝編制、加工編程和數控鉚接。針對實際工程的需要，對變形主要因素、次要因素進行分析（由于托架垂直方向變形影響最大，可作為變形影響主要因素），建立起可應用于工程所需要的變形模型，利用多次調平、迭代優化的思想建立起托架變形補償算法，為自動鉆鉚調平提供有效的數據支持，最后對變形補償數據進行處理，建立自動鉚接數據庫，實現數據的自動統計、分析、優化，從而提高鉚接質量和加工效率。托架系統變形分析與誤差補償技術的技術難點在于空間多自由度不同姿態下的誤差補償，針對這一技術難點，可以通過力學分析，利用空間坐標轉換關系搭建關于托架系統變形的計算模型，采用多次調平與迭代優化的思想建立面向空間柔性多姿態的托架變形補償算法，為托架變形誤差補償提供數據支持。

3、結語

數字化裝配是飛機裝配技術的發展方向，對其研究具有非常重要的理論意義和工程應用價值。研究和發展數字化裝配技術，不僅要攻克數字化裝配各項子技術，更要對各項數字化裝配子技術進行集成，還需打通數字化裝配技術與其他飛機數字化制造技術之間的數據流。明確數字化裝配技術應用范體系，并建立與之相適應的工藝過程和組織模式，盡可能地提高數字化裝配技術的工程應用價值。

參考文獻

數字化設計與先進制造技術范文第3篇

但是，目前各類工科院校的教學工作與學生就業需求普遍存在結構性矛盾。一方面，學生的專業知識與企業就業需求技能不匹配，學生畢業后不能快速適應企業實際工作的要求。另一方面，傳統教育的內容與先進的現代化設計制造模式脫節，學校缺乏符合現代先進制造業需求的數字化教學和實訓環境。因此，在高新技術條件下，如何運用現代化技術提高實訓設備的技術含量；如何運用信息技術進行教學和管理；如何使教學更貼近高科技企業的實際，更適應迅猛發展的高新技術對人才的要求，是擺在高等院校面前亟待解決的課題。

隨著新技術的應用，壓縮了傳統課程的教學課時（機械制圖），而大量增加近年來流行的先進機械設計和制造技術的教學課時 , 結合現代教學理念，我們提出建設數字化現代設計制造教學管理平臺，能夠完全模擬企業的工作流程，培養出符合現代制造技術要求的高級人才。

1 建設數字化現代設計制造教學平臺的意義

1.1 反映現代網絡制造技術的全貌及前沿，提升訓練層次

數字化現代設計制造教學平臺與傳統的金工、電子、數控實習基地，從其任務與功能、教學手段到人員構成均有了極大的改變。不應是傳統制造工藝的訓練，還應包括現代制造工藝的訓練；不應只是工藝方法及工藝過程的訓練，還應包括對信息、材料、通信、控制、環保等其它生產要素的了解，及對整個生產過程的全面掌握，并且能不斷跟蹤新技術、新工藝，及時向學生進行宣傳，使學生能了解制造領域的前沿動向。

1.2 打造真實企業環境，讓學生在學校就了解并掌握企業的生產流程

數字化現代設計制造教學平臺不僅是理論聯系實際，吃苦耐勞的思想作風的訓練，也應該是團隊精神、創新意識的訓練；它不僅有操作技能、實踐能力的訓練，也應該有經濟、質量、市場意識培養的訓練。因此按照企業的工作流程，把企業的工作模式抽象成為教學平臺，用這種方式來培養我們的學生，從設計環節，工藝環節、加工環節體會和了解企業的生產管理和產品加工已是當務之急。

1.3 提升先進實訓設備之間的有機聯系，匹配現代工廠的管理模式

在數字化現代設計制造教學平臺上，學生可以在機房進行產品的設計、建模、生成工藝路線及仿真的過程。保證每個學生一臺計算機，也就是說每個學生都可以進行產品的制造周期的訓練，學生仿真完畢，經老師檢查合格后，可以生成代碼，通過數字化設計制造實訓教學平臺的網絡傳輸功能，傳到機床設備或是從設備上直接從服務器上讀取傳輸數據，達到遠程制造或是在線制造，真正把現代設計制造落到了實處。

2 數字化現代設計制造教學平臺的建設思路

第一步，模擬典型制造企業數字化設計制造過程，建立真實的教學環境

實際上今天企業的工作流程，從二維CAD，三維CAD及分析，到工藝的編制，到制造，及數控車間網絡DNC管理，都是逐步采用信息化管理。

數字化教學管理平臺就是按照企業的工作流程，把企業的工作模式抽象成為數字化的網絡制造教學平臺，用這種方式從設計環節，工藝環節、加工、管理等各個環節來培養學生。同時在實訓教學過程中把設計工作，制造工作，生產幾個環節所有信息都記錄下來，串行流程改成并行流程，形成數字化設計制造教學的信息流，并在教學過程中貫徹。

第二步，數字化現代設計制造教學平臺信息庫的建設

作為教學的信息化，實際上就是將教學各個環節的信息流管理起來，把教學經驗，實操經驗記錄保留下來。數字化設計制造教學平臺信息庫（圖1）的建設就是關聯學校的教學重點和企業工作流程，全面連接各個課程知識點，學生就業可以對自己有一個比較全面認識，清楚自己特長和不足，以便能清楚工作定位，增強工作面試時信心，敢于接受挑戰。

在數字化現代設計制造教學平臺信息庫的建設過程中，其中可以開發具有本校特色的：

1）教案（教學計劃、教學課件、課時日志、教學大綱）——幫助學校進行專業/課程/教學規劃；2）教材——組織院校老師開展教材編寫，找到合適學校發展、適合學生的教材；3）課件——協助老師制作課件，幫助學校降低教學難度，便于教學成果的積累和交流；4）題庫——統一出題、標準答案、統一評分標準；5）科研——打造國家精品課程；總結教學經驗，創造條件，完成在專業學報/期刊論文的發表；與企業/研究院所進行項目合作，承接外協任務；6）創新大賽——建立創新設計平臺，支持創新設計大賽；7）學術活動——參加在全國各地定期、不定期組織的相關學術研討活動，傳遞最新行業動態和技術發展狀況信息；

在信息庫的建設中它可以隨時擴充、隨時度量、隨時替代、隨時共享并具有時效性、可擴散性等特點。

第三步，數字化現代設計制造教學平臺的實施。

數字化教學平臺涵蓋了企業研發設計、工裝設計、工藝編制、數控編程、技術管理、生產制造、生產管理、設備維護、質量檢驗等崗位所使用的信息化工具，通過模擬企業生產環境，可以讓學生在設計、制造的學習中將理論知識和工程實踐相結合，體驗企業中的從訂單、設計、工藝、加工生產及管理全過程，理解各部門之間的相互關系，理解部門間如何協同工作，增強學生的感性認識，培養企業急需的團隊合作精神，使學生能夠快速勝任就業后的工作環境，適應企業崗位調動。

通過數字化現代設計制造教學平臺的實施，可以達到以下效果：

1）模擬了企業的設計、工藝、制造、管理，讓學生在學校教學中就能夠了解到企業的工作流程；2）學生教學過程中，按照企業的流程給學生分配了角色權限，讓學生在學校就按照企業的工作模式得到實訓；3）學生在教學過程中，對企業的設計軟件及設計內容、工藝軟件及內容、編程軟件等都得到了良好的應用，并且了解其相互間的數據傳遞關系；4）老師把每屆學生編制的作業有效管理起來，有序的共享和管理。應用的時候直接調出，成熟的經驗可以直接繼承和利用；5）不同班級的學生實訓后，大量重要的數據需要進行備份處理，例如：機床參數、數控代碼等系統自動備份，可以方便教學資源的積累。利于評估；6）安全方面：作業統一存放在教學平臺服務器上，數據安全，利于數據集成和再利用。另外，給學生按人員、角色、產品、機床、格式等設置不同的權限；7）實現監控及信息采集，可以適時了解機床的工作狀態，提高數控設備的機床利用率并擁有應付設備故障的能力。采集信息包括：人員信息、代碼信息、刀具信息、機床信息；8）學生加工的零件的變形設計及作業的更改，能夠有效而安全的控制由此產生的同一加工文檔和代碼的不同版本。目前老師依靠各班級來區分不同版本的加工文檔；9）應用先進系統能夠將教學效率提高，將原有的課件、教案教學資源管理起來，有效利用，有效管理。提高教學效率；10）先進的企業已應用了PLM系統，數字化實訓基地教學平臺的應用使學生在學校就掌握了企業的數控車間信息化系統應用場景，拓展了人材培養方向，增加了學生就業率；11）通過管理軟件為學校的信息化建設搭建一個信息共享的平臺（權限、流程、統計匯總、下游集成等）；12）便于教材的規范化標準化統一管理。

3結論

數字化現代設計制造教學平臺使學生在學校就能夠體會到企業的工作環境；該平臺提供的軟件為機械課程的教學提供幫助，降低教學難度，提高學生的學習興趣，幫助學生更深刻的掌握專業知識和原理；能夠使學生掌握企業常用的工具軟件，就業后能迅速上手工作；能夠提供相應的權威考試認證，增加學生就業砝碼；該平臺還具有良好的創新特性，啟迪學生的創造性思維，提高綜合素質。數字化設計制造教學平臺在學校的應用，將改變教學管理，教學工具，教學手段，解決教學難點，縮短課程安排時間，增強實踐教學，提升教學效率，促進師資建設和教學理念的變革，幫助和促進學校實現以先進制造企業就業需求為目的學生培養目標。

參考文獻

[1]胡青.以實習教學構建創新人才成長平臺——實習教學改革的實踐與探索[J].黑龍江高教研究，2003(4)：149-150.

數字化設計與先進制造技術范文第4篇

關鍵詞：先進制造技術；先進制造模式；制造業

1 先進制造技術概述

制造業是工業的主體，是生產工具、生活資料、科技手段、現代裝備及其技術進步的依托，既占有基礎地位又處于發展核心，而制造技術則是發展制造業并提高其產品競爭力的關鍵因素[1]。

隨著制造業競爭日益激烈的形勢，美國、日本、西歐、新加坡等發達國家和地區以及部分新興工業國，都投入大量資金用于進行先進制造技術及其系統的研究開發，并將其列為國家的重點發展領域。

1994年，美國投入14億美元研發經費將先進制造技術作為重點扶持的科技領域，1996年，更是投入高達3420億美元的資金用于制造業的生產技術設備更新投資；1986～1993年，日本投入3萬億美元進行制造業的技術設備更新和工藝改造； 1991～1994年，歐共體投入74億美元進行先進制造技術探索與開發[2]。

2 先進制造技術的內涵及特點

先進制造技術，是指制造業不斷吸收現代信息技術及管理技術的成果，先進制造技術綜合應用于產品制造全過程，包括設計，加工，檢測，管理，銷售，使用，服務以及回收。目的是實現高效率，低耗能、更清潔、更敏捷的產品生產，提高在市場動態多變的現實中的適應能力和競爭能力。

現代裝備制造業的先進制造技術，是現代科學技術和市場經濟發展的產物，具有“數、精、極、自、集、網、智、綠、信”等特點及發展趨勢，相互滲透，相互依賴，相互促進。

其中，“數”是發展的核心，數字化制造是制造技術，計算機技術，網絡技術和管理科學相互融合的結果； “精”是發展的關鍵，精密化是指對產品，零件的精度要求以及產品零件的加工精度要求越來越高； “極”是發展的焦點，極端化是指需要在極端條件下工作，或者產品的要求比較極端；“自”是條件，自動化是指從自動控制、自動調節、自動補償、自動辨認等，發展到自學習、自組織、自維護、自修復等；“集”是發展的方法，集成化是指技術的集成、管理的集成、技術與管理的集成，其實質是知識表現形式的集成，集成化主要指的是現代技術的集成，加工技術的集成，企業內部與外部的集成、生物技術與制造技術的集成等；“網”是發展的道路，網絡化是先進制造技術發展的必由之路，它由生產組織變革的需要，以及生產技術發展的可能這兩者共同決定；“智”是發展的前景，智能化是指系統具有人機一體化、自組織與超柔性、自我學習與維護及自律的特點、未來還需具有更高級類人思維能力；“綠”是發展的必然，綠色化目標是使產品在整個周期中，包括設計、制造、包裝、運輸、使用到報廢處理，對環境的負面影響極小，資源利用率極高，從而使得企業經濟效益和社會效益協調優化；“信”是發展的方向，信息化具有高科技，好效益，低消耗，優資源的特點[3]。

3 先進制造模式的研究

目前，世界上各發達國家正在進行現代先進制造技術的探索與研究，同時也取得了很多成果，特別是在管理體制，經營理念，方案評價，方法建立，制造技術等方面探索研究后，提出了各種先進制造的模式，主要有以下幾種：

（1）精益生產（LP）

精益生產不但是一種生產方式，更是一種運用于現代制造業的組織管理方法。精益生產是通過系統結構、人員組織、運行方式和市場供求等方面的變革，使生產系統能很快適應用戶需求不斷變化，并能使生產過程中一切無用、多余的東西被精簡，最終達到包括市場供銷在內的生產的各方面最好結果的一種生產管理方式。與傳統的大生產方式不同，其特色是“多品種”，“小批量”。

（2）柔性制造（FM）

柔性制造適用于多品種、中小批量生產加工，是一種具有高柔性同時也是高自動化的制造模式。柔性制造技術是對各種不同形狀加工對象實現程序化柔性制造加工的各種技術的總和。

（3）計算機集成制造（CIM）

計算機集成制造是指以計算機為核心，將各種與制造相關的技術系統，集成在一起的信息技術，目的是使企業實現整體優化，其市場競爭力得以提高。

（4）智能制造（IM）

智能制造是指計算機模擬人類進行分析，判斷，推理，構思及其決策等智能活動，并且把智能機器和這些活動進行有機融合，應用于企業制造中的各子系統，實現整個企業經營運作的高柔性化和高集成化。

智能制造代替人類咋在制造過程中的部分腦力勞動，并對這些智能信息進行搜集，存儲，完善，共享，繼承與發展。

（5）敏捷制造（AM）

敏捷制造是指制造企業運用通信手段，采用快速配置各種資源，包括技術、管理和人，以有效和協調的方式來響應用戶需求，實現制造快速靈敏的一種制造模式。

敏捷制造的目的是使制造企業能夠快速靈敏地響應市場的動態多變，滿足市場的多樣化需求，獲取長期的經濟效益。

（6）綠色制造（GM）

綠色制造是指將環境影響和資源消耗因素綜合考慮的一種制造模式，其目標是使產品在整個周期中，包括設計、制造、包裝、運輸、使用到報廢處理，對環境的負面影響極小，資源利用率極高，從而使得企業經濟效益和社會效益協調優化。

綠色制造是人類社會可持續發展戰略在現代制造業中的體現。

（7）虛擬制造（VM）

虛擬制造是指利用計算機仿真和建模，建立虛擬產品模型，在產品進行實際加工之前，對產品的性能，可制造性進行評價，也對產品的整個加工過程進行仿真，以達到產品生產最優的一種制造模式。

3 先進制造技術的發展展望

先進制造技術其實就是信息技術，管理科學和相關的科學技術相融而成的制造技術。

21世紀制造業高速發展的同時，先進制造技術得以飛速發展，根據現代制造科學與技術的發展趨勢分析，先進制造技術在未來發展的方向表現在以下幾個方面：

（1）產品的創新設計和優化設計。產品的數字化建模，仿真分析，評價及設計規范；產品的創新開發設計，優化，管理，維護技術；系統整體化設計的理論，技術和方法。

（2）網絡化制造理論及關鍵技術。網絡環境下的系統與裝備的協同優化；制造系統的信息模型，約束條件，運行理論及控制手段。

（3）新型成形制造原理和技術。新型材料及工藝的成形原理及技術；快速成形制造原理及技術；高能束精密成形制造原理及技術。

（4）高速高效數字制造理論和技術，新材料，新原理，新工藝的數字制造裝備技術。

（5）制造中，精密，超精密測量，量值溯源原理和新傳感器技術；多尺度空間精度測量技術；表面微觀計量理論及技術。

（6）納米技術。納米材料及其性能測量；納米尺度加工、制造、測量和裝配技術；

納電子與分子原子制造的原理及技術。

（7）仿生技術。仿生機械制造技術，結構，功能，能源與運動機械仿生技術；機械超前反饋仿生與制造的科學和技術； 生物工程技術；新一代生物芯片制造技術。

（8）微電子制造科學和關鍵技術。微機械、微傳感、微光器件制造技術；納米級光學光刻、非光學光刻、淺溝槽刻蝕、銅互連等機理和技術；集成電路新型封裝工藝原理和技術。

（9）綠色制造技術。產品與人類和自然的協調理論；產品綠色制造工藝技術；產品的再制造和維修科學和技術；產品綠色使用理論和方法；廢舊產品資源回收再利用技術。

（10）面向航空、航天、海洋、能源、交通和國防裝備等重大工程制造的科學和技術。

參考文獻（References）

[1] Hunt D V. Adanced Manufacturing Technology [M]. Britain：Elsevier Science Publishing Co.Inc，1987.

[2] 蔡建國，吳祖育.現代制造技術導論[M].上海：上海交通大學出版社，2000：1～14.

[3] 劉文劍.計算機集成系統導論[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1994.

數字化設計與先進制造技術范文第5篇

關鍵詞：3D打印產業；數字化制造；發展思路

中圖分類號：F49 文獻標識碼：A

文章編號：1007-7685（2013）01-0090-04

近期，英國《經濟學人》雜志在《第三次工業革命》一文中，將3D打印技術作為第三次工業革命的重要標志之一，引發了世人的關注。作為新生事物，什么是3D打印技術？它與傳統產品開發和生產制造有什么區別？發展的意義何在？我國發展現狀如何？下一步應如何發展？

一、3D打印概況

（一）3D打印的概念

3D打印技術是制造業領域正在迅速發展的一項新興技術，被稱為“具有工業革命意義的制造技術”。運用該技術進行生產的主要流程是：應用計算機軟件設計出立體的加工樣式，然后通過特定的成型設備（俗稱“3D打印機”），用液化、粉末化、絲化的固體材料逐層“打印”出產品。3D打印技術是“增材制造”的主要實現形式。“增材制造”的理念區別于傳統的“去除型”制造。傳統數控制造一般是在原材料基礎上，使用切割、磨削、腐蝕、熔融等辦法，去除多余部分，得到零部件，再以拼裝、焊接等方法組合成最終產品。而“增材制造”與之不同，無需原胚和模具，就能直接根據計算機圖形數據，通過增加材料的方法生成任何形狀的物體，簡化產品的制造程序，縮短產品的研制周期，提高效率并降低成本。

（二）3D打印技術所依托的關鍵技術

3D打印技術需要依托多個學科領域的尖端技術，主要包括以下方面：信息技術，即要有先進的設計軟件及數字化工具，輔助設計人員制作出產品的三維數字模型，并根據模型自動分析出打印的工序，自動控制打印器材的走向；精密機械，即3D打印技術以“每層的疊加”為加工方式，產品的生產要求高精度，必須對打印設備的精準程度、穩定性有較高的要求；材料科學，即用于3D打印的原材料較為特殊，必須能夠液化、粉末化、絲化，在打印完成后又能重新結合起來，并具有合格的物理、化學性質。客觀說，目前3D打印技術尚不成熟。作為一項多學科交叉的高新技術，還需要在各相關領域投入較大的研發力量，才能掌握完整的核心技術。

（三）3D打印技術的應用領域

近年來，3D打印技術發展迅速，在各領域都取得了長足發展，已成為現代模型、模具和零部件制造的有效手段，在航空航天、汽車摩托車、家電、生物醫學等領域得到了一定應用，在工程和教學研究等領域也占有獨特地位。

具體應用領域包括：工業制造。可應用于產品概念設計、原型制作、產品評審、功能驗證。制作模具原型或直接打印模具，直接打印產品：3D打印技術制造的小型無人飛機、小型汽車等概念產品已問世，家用器具模型也被用于企業的宣傳、營銷活動中；文化創意和數碼娛樂：可作為形狀和結構復雜、材料特殊的藝術表達載體。科幻類電影《阿凡達》運用3D打印技術塑造了部分角色和道具，3D打印技術制造的小提琴接近了手工藝的水平；航空航天、國防軍工：可對形狀復雜、尺寸微細、性能特殊的零部件、機構進行直接制造；生物醫療：可應用于人造骨骼、牙齒、助聽器、假肢等的制作；消費品：可應用于珠寶、服飾、鞋類、玩具、創意DIY作品的設計和制造；建筑工程：可應用于建筑模型風動實驗和效果展示，建筑工程和施工（AEC）模擬；教育：可應用于模型驗證科學假設，用于不同學科實驗、教學。在北美的一些中學、普通高校和軍事院校，3D打印機已經被用于教學和科研；個性化定制：可提供基于網絡的數據下載、電子商務的個性化打印定制服務。

從市場應用份額看，3D打印技術應用在汽車及零配件領域占37%，在消費品領域占18.2%，應用于航空航天和國防軍工占13.7%，在商業機器領域占11.2%，在醫療領域占8.8%，在科研方面占8.6%。

二、我國3D打印產業發展現狀及面臨的問題

近年來，我國積極探索3D打印技術的研發，初步取得成效。自20世紀90年代初以來，清華大學、西安交通大學、華中科技大學、華南理工大學、北京航空航天大學、西北工業大學等高校，在3D打印設備制造技術、3D打印材料技術、3D設計與成型軟件開發、3D打印工業應用研究等方面，開展了積極的探索，已有部分技術處于世界先進水平。其中，激光直接加工金屬技術發展較快，已基本滿足特種零部件的機械性能要求，有望率先應用于航天、航空裝備制造；生物細胞3D打印技術取得顯著進展，已可以制造立體的模擬生物組織，為我國生物、醫學領域尖端科學研究提供了關鍵的技術支撐。目前，依托高校的研究成果，對3D打印設備進行產業化運作的公司實體主要有：北京殷華（依托于清華大學）、陜西恒通智能機器（依托西安交通大學）、湖北濱湖機電（依托華中科技大學）。這些企業都已實現了一定程度的產業化，部分企業生產的便攜式桌面3D打印機的價格已具備國際競爭力，成功進入歐美市場。

一些中小企業成為國外3D打印設備的商，經銷全套打印設備、成型軟件和特種材料。還有一些中小企業購買了國內外各類3D打印設備，專門為相關企業的研發、生產提供服務。其中，廣東省工業設計中心、杭州先臨快速成型技術有限公司等企業，設立了3D打印服務中心，發揮科技人才密集的優勢，向國內外客戶提供服務，取得了良好的經濟效益。

在家用電器、汽車配件、通信技術、航天、軍工等領域，3D打印技術被越來越多應用到產品研發和生產中。在醫療領域，國內高水平的醫院使用3D打印技術，為患者提供定制的牙齒和骨骼替代物以及具有仿生性能的體內植入物。在教育領域，我國有很多高校購買了3D打印設備，開展多個學科的教學和研究工作。目前，中國已成為美國、日本、德國之后的3D打印設備擁有國。

3D打印產業正成為投資熱點。不少原來從事數字化技術、材料技術、精密機械技術的企業紛紛考慮投資開發3D打印設備生產和服務。

資料來源：《3D打印技術將掀起“第三次工業革命”？》，載自《科學研究動態監測快報》，中國科學院國家科學圖書館，2012年10月1日。

目前，我國3D打印產業處于起步階段，存在一系列影響3D打印產業快速發展的問題。

第一，缺乏宏觀規劃和引導。3D打印產業上游包括材料技術、控制技術、光機電技術、軟件技術，中游是立足于信息技術的數字化平臺，下游涉及國防科工、航空航天、汽車摩配、家電電子、醫療衛生、文化創意等行業，其發展將會深刻影響先進制造業、工業設計業、生產業、文化創意業、電子商務業及制造業信息化工程。但在我國工業轉型升級、發展智能制造業的相關規劃中，對3D打印產業的總體規劃與重視不夠。

第二，對技術研發投入不足。我國雖已有幾家企業能自主制造3D打印設備，但企業規模普遍較小，研發力量不足。在加工流程穩定性、工件支撐材料生成和處理、部分特種材料的制備技術等諸多環節，存在較大缺陷，難以完全滿足產品制造的需求。而占據3D打印產業主導地位的一些美國公司，每年研發投入占銷售收入的10%左右。目前，歐美一些3D打印企業依托其技術優勢，正加緊謀劃拓展我國市場。我國對3D打印技術的研發投入與美國有較大差距，占銷售收入的比重很少。

第三，產業鏈缺乏統籌發展。3D打印產業的發展需要完善的供應商和服務商體系和市場平臺。在供應商和服務商體系中，包含工業設計機構、3D數字化技術提供商、3D打印機及耗材提供商、3D打印設備經銷商、3D打印服務商。市場平臺包含第三方檢測驗證支持、金融支持、電子商務、知識產權保護等支持。而目前國內的3D打印企業還處于“單打獨斗”的初級發展階段，產業整合度較低，主導的技術標準、開發平臺尚未確立，技術研發和推廣應用還處于無序狀態。

第四，缺乏教育培訓和社會推廣。目前，我國多數制造企業尚未接受“數字化設計”、“批量個性化生產”等先進制造理念，對3D打印這一新興技術的戰略意義認識不足。企業購置3D打印設備的數量非常有限，應用范圍狹窄。在機械、材料、信息技術等工程學科的教學課程體系中，缺乏與3D打印技術相關的必修環節，還停留在部分學生的課外興趣研究層面。

三、我國發展3D打印產業具有重要的戰略意義

當前，全球正在興起新一輪數字化制造浪潮。發達國家為解決近年來制造業競爭力下降的難題，大力倡導“再工業化、再制造化”戰略，提出智能機器人、人工智能、3D打印技術是實現數字化制造的關鍵技術，并希望通過這三大數字化制造技術的突破，鞏固和提升制造業的主導權。雖然3D打印等數字化制造的核心技術仍處在發展的初級階段，產業還不成熟，但在產品設計、復雜和特殊產品生產、個性化服務等方面已顯示其獨特優勢。所以，我們應充分認識智能制造、數字化制造對我國的深刻影響，加快3D打印產業的發展，推動我國由“工業大國”向“工業強國”轉變。

（一）發展3D打印產業，可提升我國工業領域的產品開發水平，提高工業設計能力

傳統的工業產品開發方法往往是先做模具，然后再做出樣品，而運用3D打印技術，無需模具，就可以把制造時間降低為以前的1/10到l/5，費用降低到1/3以下。一些好的設計理念，無論其結構和工藝多么復雜，均可以利用3D打印技術短時間內制造出來，從而極大地促進產品的創新設計，能夠有效克服我國工業設計能力薄弱的問題。

（二）發展3D打印產業，可生產出復雜、特殊、個性化的產品，有助于攻克技術難關

3D打印技術可為基礎科學的研究提供重要的技術支持。在航天、航空、大型武器等裝備制造業，零部件種類多、性能要求高，需要進行反復測試。運用3D打印技術，既在研制速度上具有優勢，還可以直接加工出特殊、復雜的形狀，簡化裝備的結構設計，化解技術難題，實現關鍵性能的趕超。在生命科學的研究和應用中，3D打印以“細胞打印”、“仿生定制”等形式出現，把標準化、自動化的機械加工業生產方式，應用到生物工程、生物制藥和臨床醫學等領域，已取得豐碩成果。以生物組織為原材料的制造業，有望成為高端制造業的重要組成部分。發展3D打印技術，將促進我國在生物能源開發利用、生物和化學藥劑試驗、人體組織和器官再造等領域取得技術進步。

（三）發展3D打印產業，可形成新的經濟增長點，促進就業

隨著3D打印技術的普及，“大批量的個性化定制”將成為重要的生產模式。3D打印技術與現代服務業的緊密結合，將衍生出新的細分產業、新的商業模式，創造出新的經濟增長點。如，自主創業者可通過購置或租賃低成本的3D打印設備（一些3D打印設備已低于1萬元），利用電子商務等平臺，為大量消費者定制生活用品、文體器具、工藝裝飾品等各類中小產品，激發個性化需求，形成一個數百億甚至數千億元規模的文化創意制造產業，并增加社會就業。

四、我國3D打印產業發展的政策建議

（一）制定3D打印產業發展規劃，促進其優先發展

建議將3D打印技術定位為生產業、文化創意、工業設計、先進制造、電子商務及制造業信息化工程的關鍵技術和共性技術，將該產業納入優先發展產業及產品目錄。在財稅金融政策上，鼓勵企業投資、研發、生產和應用3D打印技術，支持3D打印設備的進出口。

（二）加強3D打印產業聯盟、行業協會建設，推動產業協同發展

積極引導工業設計企業、3D數字化技術提供商、3D打印機及材料研發企業和機構、3D打印服務應用提供商組建產業聯盟，利用有關學會、協會的平臺加強研討和交流，共同推動3D打印技術研發和行業標準制定。促進3D打印技術發展的市場建設，包括3D打印電子商務平臺、3D打印數據安全和產權保護機制、3D打印技術及關聯項目投融資機制等，促進產業可持續發展。

（三）加大科技扶持力度，提升3D打印技術水平

設立3D打印產業專項基金，重點推進數字化技術、軟件控制、打印裝置、材料技術等關鍵技術的研發。在研發扶持中，要注意建立公平、公正的研發績效評估體系，鼓勵各研發主體探索不同的技術路徑。加強對3D打印產學研合作的支持，特別對實施產業化的企業在市場銷售、推廣上給予政策支持。