現(xiàn)代綠色制造與3D打印制造淺述

現(xiàn)代綠色制造與3D打印制造淺述摘要：本文對現(xiàn)代綠色制造和3D打印制造作了簡要的淺述，主要是引起大家的關注。在現(xiàn)代制造技術中，我們要對AMT引起足夠的重視，在能源和環(huán)境出現(xiàn)危機時，國人更應重視綠色制造；對于3D打印制造，筆者認為它是未來制造業(yè)的制高點，涉及到軍事、經(jīng)濟、工業(yè)等多個領域；是實現(xiàn)中國夢的超時代技術。關鍵詞：先進制造（AMT）；綠色制造；3D打印制造Abstract：advancedmanufacturingtechnologyandgreenmanufacturingareintroducedinthepaper.Thearticle'spurposeistocauseforconcernaboutit.Amongmodernmanufacturingtechnologies，weshouldattendforAMT，whenenergyandenvironmenthadcrisis，wemustfocusongreenmanufacturingproblems.For3Dprintmanufacturing，thewriterthoughtitisthecommandingheightsofthemanufacturingsectorinfuture，Itinvolvesanumberofareasofmilitary，economic，andindustry，itistheagetechnologytoachievethedreamofChinese.Keywords：advancedmanufacturingtechnology；greenmanufacturing；3Dprintmanufacturing.中圖分類號：G407.4文獻標識碼：A文章編號：1006-5962（2013）05-0001-021現(xiàn)代先進制造和綠色制造現(xiàn)代制造技術是指制造業(yè)不斷吸收機械工程技術、電子信息技術（包括微電子、光電子、計算機軟硬件、現(xiàn)代通信技術）、自動化技術生產(chǎn)設備、材料、能源及現(xiàn)代管理等方面的成果，并將其綜合應用于產(chǎn)品設計、制造、檢測、管理和售后服務以及對報廢產(chǎn)品的回收處理這樣一個制造全過程；實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔和靈活生產(chǎn)，提高對動態(tài)、多變市場的適應能力和競爭能力、并取得理想的技術經(jīng)濟效果的制造技術的總稱。1.1先進制造技術（AMT）。先進制造技術（AdvancedManufacturingTechnology），英文縮寫為AMT。1993年，美國政府批準了由聯(lián)邦科學、工程與技術協(xié)調(diào)委員會（FCCSET）主持實施的先進制造技術計劃（AdvancedManufacturingTechnology-AMT）計劃。AMT是美國根據(jù)本國制造業(yè)面臨的挑戰(zhàn)和機遇，為增強制造業(yè)的競爭力和促進國家經(jīng)濟增長，首先提出的概念。此后，歐洲各國、日本以及亞洲新興工業(yè)化國家如韓國等也相繼作出響應。人們往往用AMT來概括微電子技術、自動化技術、信息技術等給傳統(tǒng)制造技術帶來的種種變化的新型系統(tǒng)。具體地說，AMT就是指集機械工程技術、電子技術、自動化技術、信息技術等多種技術為一體所產(chǎn)生的技術、設備和系統(tǒng)的總稱。主要包括：計算機輔助設計、計算機輔助制造、集成制造系統(tǒng)等。AMT是制造業(yè)企業(yè)取得競爭優(yōu)勢的必要條件之一，但并非充分條件，其優(yōu)勢還有賴于能充分發(fā)揮技術威力的組織管理，有賴于技術、管理和人力資源的有機協(xié)調(diào)和融合。AMT主體技術包括兩個基本部分：1.1.1面向制造的設計技術群。面向制造的設計技術群系指用于生產(chǎn)準備（制造準備）的工具群和技術群?，F(xiàn)代設計技術是指以電子產(chǎn)品質(zhì)量、性能、壽命、成本和價格的綜合效益最優(yōu)為目的，以電子設計自動化技術為手段，以電子技術理論知識和工藝實踐為依托，以現(xiàn)代設計技術與方法為基礎，又好又快地滿足人類社會各領域?qū)﹄娮赢a(chǎn)品和系統(tǒng)需求而進行設計所采用的各種技術的總和。這里特別一提的是可制造性設計，可制造性設計（DESIGNFORMANUFACTURABILITY）亦被各方稱為協(xié)同式或同時性工程（concurrentorsimultaneousengineering）或是可生產(chǎn)性或生產(chǎn)線之設計（designforproductivityorassembly）--相較于由研發(fā)工程師建立自己的設計原型（prototype），然后在未經(jīng)前線生產(chǎn)工人的意見下將之送到生產(chǎn)部門組裝線上的傳統(tǒng)制造方式來說享有非常大的優(yōu)勢。另一方面，一個可制造性團隊的成員包括設計者、制造工程師：行銷代表、財務經(jīng)理、研發(fā)人員、原料供應商及其他計劃利益相關者（包括客戶在內(nèi)）。因為包含來自各方人士，因此也有助于加速計劃的完成并且可以避免傳統(tǒng)生產(chǎn)方式會碰到的延遲。DFM它主要是研究產(chǎn)品本身的物理特征與制造系統(tǒng)各部分之間的相互關系，并把它用于產(chǎn)品設計中，以便將整個制造系統(tǒng)融合在一起進行總體優(yōu)化，使之更規(guī)范，以便降低成本，縮短生產(chǎn)時間，提高產(chǎn)品可制造性和工作效率。它的核心是在不影響產(chǎn)品功能的前提下，從產(chǎn)品的初步規(guī)劃到產(chǎn)品的投入生產(chǎn)的整個設計過程進行參與，使之標準化、簡單化，讓設計利于生產(chǎn)及使用。減少整個產(chǎn)品的制造成本（特別是元器件和加工工藝方面）。減化工藝流程，選擇高通過率的工藝，標準元器件，選擇減少模具及工具的復雜性及其成本。1.1.2面向制造工藝技術群。制造工藝技術群是指用于物質(zhì)產(chǎn)品（物理實體產(chǎn)品）生產(chǎn)的過程及設備。例如，模塑成形、鑄造、沖壓、磨削等。隨著高新技術的不斷滲入，傳統(tǒng)的制造工藝和裝備正在產(chǎn)生質(zhì)的變化。制造工藝技術群是有關加工和裝配的技術，也是制造技術或稱生產(chǎn)技術的傳統(tǒng)領域。傳統(tǒng)制造技術一般僅指加工制造的工藝方法，實際上只是制造全過程中的一部分；而現(xiàn)代電子制造技術貫穿了從市場預測、產(chǎn)品設計、物流、坐產(chǎn)管理、制造裝配、質(zhì)量保證、市場銷售、售后服務、報廢處理直至回收再利用等全過程，使整個制造過程成為集市場、產(chǎn)品、制造、環(huán)保為一體的大系統(tǒng)。一個產(chǎn)品的導入、一個項目的實施，工程技術只是系統(tǒng)內(nèi)需要考慮的一部分，而成本效益、社會效益、環(huán)境影響、生態(tài)平衡等都是需要綜合考慮、統(tǒng)籌兼顧的重要內(nèi)容?；诖?，從事電子制造的工程技術人員，特別是較高層次的設計管理人員，應該具有開闊的視野、系統(tǒng)化思維和協(xié)同管理能力，從而使制造系統(tǒng)運行更優(yōu)化，組織管理模式科學化，制造過程綠色化，使經(jīng)濟效益與社會效益協(xié)調(diào)統(tǒng)一。傳統(tǒng)制造技術的專業(yè)、學科單一、界限分明；而先進電子制造技術的專業(yè)、學科之間不斷滲透、交叉、融合，有些界限逐漸淡化甚至消失。這使現(xiàn)代電子制造技術趨于系統(tǒng)化、集成化，并已發(fā)展成為以機、光、電為基礎，信息和材料學科為支撐，集生物、管理、藝術和人文等學科技術于一體的新興交叉的現(xiàn)代高科技。例如采用多學科仿真技術，可以計算并模擬出雷達天線和波導的構(gòu)形對微波信號的影響情況；采用優(yōu)化技術，可以在保證微波信號滿足要求的同時，得到最優(yōu)的天線和波導構(gòu)形；采用快速原型制造技術，可以自動而迅速地將設計思想物化為具有一定結(jié)構(gòu)和功能的原型或?qū)嶋H零件，從而對產(chǎn)品設計進行快速評價、測試、改進，以響應市場需求。實際上，許多優(yōu)秀的有競爭力的電子產(chǎn)品的實現(xiàn)過程都是現(xiàn)代機械工程、CAD、數(shù)控、激光以及材料等技術的交叉與優(yōu)化集成的成果。迄今為止，基本沒有學校能夠設置知識面如此寬的學科專業(yè)，也很少有一個人能全面具備如此眾多的專業(yè)能力，現(xiàn)代電子制造除了需要對基礎知識的融會貫通和靈活應用，更強調(diào)的是團隊精神和協(xié)調(diào)合作。1.2綠色化制造。"綠色制造"（greenmanufacturing）是指在保證產(chǎn)品的功能、質(zhì)量、成本的前提下，綜合考慮環(huán)境影響和資源效率的現(xiàn)代制造模式。它使產(chǎn)品從設計、制造、運輸、使用到報廢的整個產(chǎn)品生命周期中不產(chǎn)生環(huán)境污染或環(huán)境污染最小化，符合環(huán)境保護要求，對生態(tài)環(huán)境無害或危害極少，使資源利用率最高、能源消耗最低。由于電子制造業(yè)發(fā)展速度越來越。陜，規(guī)模越來越大，廢棄電子產(chǎn)品越來越多，對環(huán)境影響面越來越大，因此在電子制造過程中強調(diào)綠色化越來越追切。以歐盟RoHS為起點，WEEE、EuP和REACH等法令相繼推出，在全世界掀起綠色制造的浪潮。1.2.1綠色設計。傳統(tǒng)的產(chǎn)品設計，通常主要考慮的是產(chǎn)品的基本屬性，如功能、質(zhì)量、壽命、成本等，很少考慮環(huán)境屬性。按這種方式生產(chǎn)出來的產(chǎn)品，在其使用壽命結(jié)束后，回收利用率低，資源浪費嚴重，毒性物質(zhì)嚴重污染生態(tài)環(huán)境，形成一個"從搖籃到墳墓"的過程。綠色設計的基本思想就是要在設計階段就將環(huán)境因素和預防污染的措施納入產(chǎn)品設計之中，將環(huán)境性能作為產(chǎn)品的設計目標和出發(fā)點，力求使產(chǎn)品對環(huán)境的影響達到最小。從這一點來說，綠色設計是從可持續(xù)發(fā)展的高度審視產(chǎn)品的整個生命周期，強調(diào)在產(chǎn)品開發(fā)階段按照全生命周期的觀點進行系統(tǒng)性的分析與評價，消除潛在的、對環(huán)境的負面影響，力求形成"從搖籃到再現(xiàn)"的過程。其與傳統(tǒng)設計的主要區(qū)別如表1所示。綠色設計主要可以通過生命周期設計、并行設計、模塊化設計等幾種方法來實現(xiàn)。1.2.2綠色材料選擇。綠色產(chǎn)品首先要求構(gòu)成產(chǎn)品的材料具有綠色特性，即在產(chǎn)品的整個生命周期內(nèi)，這類材料應有利于降低能耗，環(huán)境負荷最小。具體地說，在綠色設計時，材料選擇應從以下幾方面來考慮。（1）減少所用材料種類使用較少的材料種類，不僅可以簡化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，便于零件的生產(chǎn)、管理和材料的標識、分類，而且在相同的產(chǎn)品數(shù)量下，可以得到更多的某種回收材料。（2）選用可回收或再生材料使用可回收材料不僅可以減少資源的消耗，還可以減少原材料在提煉加工過程中對環(huán)境的污染。寶馬（BMW）公司生產(chǎn)的z1型汽車，其車身全部由塑料制成，可在2O分鐘內(nèi)從金屬底盤上拆除。車上的門、保險杠和前、后、側(cè)面的操縱板都由通用公司生產(chǎn)的可回收利用的熱塑性塑料制成。（3）選用能自然降解的材料福州塑料科學技術研究所與福建省測試技術研究所已成功研制出由可控光塑料復合添加劑生產(chǎn)的一種新型塑料薄膜。這種薄膜在使用后的一定時間內(nèi)即可降解成碎片，溶解在土壤中被微生物吃掉，從而起到凈化環(huán)境的作用。（4）選用無毒材料在汽車和電子工業(yè)中，最常用的是含鉛和錫的焊料。但是鉛的毒性極大，所以近年來，已經(jīng)在油漆、汽油和其他諸多產(chǎn)品中限制或禁止使用它。1.2.3清潔生產(chǎn)。相對于真正的清潔生產(chǎn)技術而言，這里所提到的清潔生產(chǎn)僅僅指生產(chǎn)加工過程。在這一環(huán)節(jié)，要想為綠色制造做出貢獻，需從綠色制造工藝技術、綠色制造工藝設備與裝備等人手。在實質(zhì)性的機械加工中，在鑄造、鍛造沖壓、焊接、熱處理、表面保護等過程中都可以實行綠色制造工藝。具體可以從以下幾方面人手：改進工藝，提高產(chǎn)品合格率；采用合理工藝，簡化產(chǎn)品加工流程，減少加工工序，謀求生產(chǎn)過程的廢料最少化，避免不安全因素；減少產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的污染物排放，如減少切削液的使用等。目前多通過干式切削技術來實現(xiàn)這一目標。1.2.4綠色包裝和處理技術。綠色包裝是指采用對環(huán)境和人體無污染，可回收重用或可再生的包裝材料及其制品的包裝。首先必須盡可能簡化產(chǎn)品包裝，避免過度包裝；使包裝可以多次重復使用或便于回收，且不會產(chǎn)生二次污染。如在摩托羅拉的標準包裝盒項目方面，其做法是縮小包裝盒尺寸，提高包裝盒利用率，并采用再生紙漿內(nèi)包裝取代原木漿，進而提高經(jīng)濟效益。在傳統(tǒng)的觀念中，產(chǎn)品壽命結(jié)束后，就再也沒有使用價值了。在綠色制造中，通過綠色處理技術，如果將廢棄的產(chǎn)品中有用的部分再合理地利用起來，既能節(jié)約資源，又可有效的保護環(huán)境，這也正是有些文獻中所提到的綠色產(chǎn)品的可回收性及可拆卸性設計問題兒。如此一來，整個制造過程也會形成一個閉環(huán)的系統(tǒng).最能有效減輕對環(huán)境的危害，這也正是與傳統(tǒng)制造過程開環(huán)特性最不同的一點。1.2.5綠色制造全球化。綠色制造的全球化特征體現(xiàn)在許多方面，例如：（1）制造業(yè)對環(huán)境的影響往往是超越空間的，人類需要團結(jié)起來，保護我們共同擁有的唯一的地球。（2）ISO14000系列標準的陸續(xù)出臺為綠色制造的全球化研究和應用奠定了很好的基礎，但一些標準尚需進一步完善，許多標準還有待于研究和制定。（3）隨著近年來全球化市場的形成，綠色產(chǎn)品的市場競爭將是全球化的。（4）近年來許多國家要求進口產(chǎn)品要進行綠色性認定，要有"綠色標志"。特別是有些國家以保護本國環(huán)境為由，制定了極為苛刻的產(chǎn)品環(huán)境指標來限制國際產(chǎn)品進入本國市場，即設置"綠色貿(mào)易壁壘"。綠色制造將為我國企業(yè)提高產(chǎn)品綠色性提供技術手段，從而為我國企業(yè)消除國際貿(mào)易壁壘進入國際市場提供有力的支撐。這也從另外一個角度說明了全球化的特點。綠色制造的研究和實施需要全社會的共同努力和參與，以建立綠色制造所必需的社會支撐系統(tǒng)。無論是綠色制造涉及的立法和行政規(guī)定以及需要制定的經(jīng)濟政策，還是綠色制造所需要建立的企業(yè)、產(chǎn)品、用戶三者之間新型的集成關系，均是十分復雜的問題，其中又包含大量的相關技術問題，均有待于深入研究，以形成綠色制造所需要的社會支撐系統(tǒng)。這些也是綠色制造今后研究內(nèi)容的重要組成部分?？傊珹MT創(chuàng)新應關注下一代智能制造單元與設備；適用于快速而有效地設計新產(chǎn)品、工藝、設備及企業(yè)集成化設計工具；確保企業(yè)能廣泛了解和應用先進制造技術而進行的基礎設施建設。在綠色制造方面，無鉛化首當其沖，但迄今尚未找到理想的解決方案；"無鹵"又掀起波瀾。綠色化是人類文明進步的標志，也是人類科學發(fā)展之路的必然歸宿。2超時代的3D打印制造技術3D打印制造是制造模式的一次"革命"。3D打印作為一種新的加工工藝，將改變第二次工業(yè)革命產(chǎn)生的以裝配生產(chǎn)線為代表的大規(guī)模生產(chǎn)方式，使產(chǎn)品生產(chǎn)向個性化、定制化轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)生產(chǎn)方式的根本變革。3D打印機的推廣應用將減少產(chǎn)品推向市場的時間，產(chǎn)品用戶只要簡單下載設計圖在數(shù)小時內(nèi)通過3D打印將產(chǎn)品"打印"出來，從而不需要大規(guī)模生產(chǎn)線，不需要庫存大量的零部件，不需要大量的工人。2.13D打印技術。3D打印機誕生于20世紀80年代中期，是由美國科學家最早發(fā)明的。3D打印機是指利用3D打印技術生產(chǎn)出真實三維物體的一種設備，其基本原理是利用特殊的耗材（膠水、樹脂或粉末等）按照由電腦預先設計好的三維立體模型，通過黏結(jié)劑的沉積將每層粉末黏結(jié)成型，最終打印出3D實體。3D打印過程可分為兩步，首先在需要成型的區(qū)域噴灑特殊的膠水，然后均勻噴灑粉末，粉末遇到膠水會迅速固化黏結(jié)，沒有膠水的區(qū)域仍保持松散狀態(tài)，重復這一過程直到實體模型被"打印"成型。由于其分層加工的過程與噴墨打印機十分相似，所以被稱為"打印技術"。3D打印技術是實現(xiàn)加式制造的一種方式。加式制造的主要特征就是利用逐層增加材料的方式生產(chǎn)各種產(chǎn)品，無須模具，因此也被稱為無形制造技術（FreeformFabrication，簡稱FF或FFF）?，F(xiàn)代加式制造技術直接起步于1968年Swainson的專利、1972年Ciraud的專利和1979年Housholder的專利，分別開創(chuàng)了激光三維聚合成型、直接粉末沉積和粉末激光燒結(jié)等加式制造技術。一般認為，1972年德國人Ciraud提出的利用激光能量光束進行粉末沉積，實現(xiàn)分層疊加成型的技術，是世界上第一個成功的現(xiàn)代加式制造過程。從上世紀80年代起，各種各樣的加式制造技術大量出現(xiàn)，并在許多領域里進行了創(chuàng)造性的應用，形成今天的加式制造，特別是3D打印技術的新局面。2.23D打印技術的未來。未來5-10年，隨著技術的不斷進步及市場需求的擴大，3D打印機將呈現(xiàn)三個方面的發(fā)展趨勢：一是3D打印速度和效率將不斷提升。隨著開拓并行、多