数字化设计与先进制造技术

前言：想要写出一篇令人眼前一亮的文章吗？我们特意为您整理了5篇数字化设计与先进制造技术范文，相信会为您的写作带来帮助，发现更多的写作思路和灵感。

数字化设计与先进制造技术范文第1篇

从政策层面来讲，美国政府在金融危机后将发展先进制造业上升为国家战略，希望以新的革命性的生产方式重塑制造业。

从行业层面上看，行业组织工业互联网联盟的组建，宣告了企业界进军工业4.0时代的号角吹响。

与德国强调的“硬”制造不同，软件和互联网经济发达的美国更侧重于在“软”服务方面推动新一轮工业革命，希望用互联网激活传统工业，保持制造业的长期竞争力。

政府战略推动创新

2009年4月，刚刚出任美国总统的奥巴马发表演讲，提出将重振制造业作为美国经济长远发展的重大战略。

同年12月，美国政府出台《重振美国制造业框架》，详细分析了重振制造业的理论基础及优势，成为美国发展制造业的战略指引。

随后奥巴马政府从战略布局、发展路径到具体措施，逐步铺展，完成了制造业创新计划部署。

2011年6月，美国正式启动“先进制造伙伴计划”，旨在加快抢占21世纪先进制造业制高点。

2012年2月进一步推出“先进制造业国家战略计划”，通过积极政策，鼓励制造企业回归美国本土。

上述计划包括两条主线，一是调整、提升传统制造业结构及竞争力；二是发展高新技术产业，提出发展包括先进生产技术平台、先进制造工艺及设计与数据基础设施等先进数字化制造技术。

2012年3月，奥巴马首次提出建设“国家制造业创新网络”，建立最多45个研究中心，加强高等院校和制造企业之间的产学研有机结合。

2013年1月，美国总统执行办公室、国家科学技术委员会和高端制造业国家项目办公室联合了《国家制造业创新网络初步设计》，投资10亿美元组建美国制造业创新网络（NNMI），集中力量推动数字化制造、新能源以及新材料应用等先进制造业的创新发展，打造一批具有先进制造业能力的创新集群。

这一创新网络的重点研究领域包括：

开发碳纤维复合材料等轻质材料，提高下一代汽车、飞机、火车和轮船等交通工具的燃料效率、性能以及抗腐蚀性。

完善3D打印技术相关标准、材料和设备，实现利用数字化设计进行低成本小批量的产品生产。

创造智能制造的框架和方法，允许生产运营者实时掌握来自全数字化工厂的“大数据流”，以提高生产效率，优化供应链，并提高能源、水和材料的使用效率等。

据美国智库威尔逊中心的《全球先进制造业趋势报告》，美国研发投资量位于世界首位，其中四分之三投向制造业，在合成生物、先进材料和快速成型制造等先进制造业领域优势明显。

在政府和私营部门的大力推动下，美国很有可能出现以无线网络技术全覆盖、云计算大量运用和智能制造大规模发展为标志的新一轮技术创新浪潮。

产业联盟打通技术壁垒

与德国工业4.0强调的“硬”制造不同，软件和互联网经济发达的美国更侧重于在“软”服务方面推动新一轮工业革命，希望借助网络和数据的力量提升整个工业的价值创造能力。

可以说，美国版的工业4.0实际上就是工业互联网革命。而在此过程中，除了美国政府的政策扶持外，行业联盟的率先组建成为发展的重要推手。

工业互联网的概念最早由通用电气（GE）于2012年提出，随后美国五家行业龙头企业联手组建了工业互联网联盟（IIC），将这一概念大力推广开来。除了通用电气这样的制造业巨头，加入该联盟的还有IBM、思科、英特尔和AT&T等IT企业。

工业互联网联盟采用开放成员制，致力于发展一个“通用蓝图”，使各个厂商设备之间可以实现数据共享。

该蓝图的标准不仅涉及Internet网络协议，还包括诸如IT系统中数据的存储容量、互连和非互连设备的功率大小、数据流量控制等指标。

其目的在于通过制定通用标准，打破技术壁垒，利用互联网激活传统工业过程，更好地促进物理世界和数字世界的融合。

数字化设计与先进制造技术范文第2篇

[关键词]大飞机；数字化；装配；技术

中图分类号：V262.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）02-0383-01

大型飞机通常是指起飞总重量超过100t的军民用大型运输机和150座及以上的大型客机，其中大型客机飞行寿命长达90000h，这种长寿命、高可靠性设计对飞机装配连接技术提出了更高要求。现代飞机制造业中，出现了许多新型连接方式（胶接、复合连接），但机械连接（铆接、螺接）仍是现代飞机制造的主要连接形式，约占70%，而80%的疲劳损伤发生在机械连接部位，所以改善飞机的装配连接技术可以有效减少飞机故障率。[1]自动钻铆技术作为数字化装配技术的重要组成部分，可以大幅提高飞机装配效率，有效保证飞机装配质量，提高疲劳寿命，在飞机装配工艺中得到广泛应用。

1、飞机数字化制造业发展概述

一代飞机，一代技术，提升制造技术，是保证新一代飞机先进性的唯一有效途径。信息技术的发展，实现了飞机三维数字化设计，也有效推动了制造技术的数字化。数控机床在飞机零件加工车间的使用，微型计算机在生产管理中的使用，可视为是飞机数字化制造的开端。基于三维数字化模型的传递体系，使得设计定型、零件生产和工装制造同步，极大加快了新机投产。波音777的无纸化设计制造，具有里程碑式的意义。空客的智能工厂概念，更是将先进制造推向一个极致。数字化制的发展，有效的推动了飞机数字化测量技术的发展。国内当前而言，对测量技术、测量设备方面的研究，是发展先进制造体系的一项基本基础。[2]

2、飞机数字化装配技术分析

2.1、飞机装配进度三维可视化方法

目前飞机装配车间装配进度用二维图形进行展示，如进度条、饼形图等，这种方式是已完成任务比例的图形展示，缺乏直观性，无法直观展示哪些零件已经装配完成，哪些零件正在装配，哪些零件还未装配，而飞机装配进度三维可视化技术可直观展示各个组件的装配状态。飞机装配进度三维可视化是指在虚拟环境下，采用基于颜色的可视化表示方法，用三维模型展示飞机装配进度，即不同装配状态的组件用不同的颜色显示出来。在飞机装配进度三维展示时，先根据车间装配任务，对三维模型进行简化处理；再将三维简化模型与处理后的工艺数据绑定，建立飞机装配进度信息模型；最后在此信息模型的基础上，系统根据提取到的组件装配状态对三维简化模型进行渲染展示。

三维模型简化。由机包含的零组件多，为了提高飞机装配进度三维可视化效率，需对三维模型进行简化处理。先对飞机装配结构进行简化，再对简化后的飞机装配结构中的组件进行外形简化和轻量化处理。

工艺数据的处理。飞机装配是按照装配工艺进行的，同时装配任务与工艺规程是一一对应的，因此需要将一部分工艺信息映射为静态生产信息，以实现对动态生产信息的管理。生产信息由静态生产信息和动态生产信息共同构成。

飞机装配进度信息模型建立。先按一定的规则将三维简化模型同飞机装配静态生产信息关联起来，而装配过程产生的信息可根据映射关系关联到三维简化模型，从而实现将生产信息与三维简化模型关联起来。

装配进度展示。装配进度展示是根据组件的装配状态，对组件三维简化模型进行渲染展示，以实现用三维简化模型展示飞机装配进度。在飞机装配进度展示时可以展示车间的装配进度和某一个组件的装配进度。整个飞机装配进度三维可视化过程涉及的关键技术有三维模型简化、基于三维简化模型的飞机装配进度信息模型建立以及组件装配状态提取。本文主要针对这3方面进行研究。

2.2 数字化测量技术

飞机装配贯穿设计、生产、试验等全过程，是系统性非常强的专业。以往采取复杂型架定位、夹紧零部件实现飞机装配的方法，已不能满足新一代飞机的装配质量、生产进度及运行安全等各方面越来越高的需求。近年来采取的数控设备、机器人、激光定位等先进的装配技术，利用数字化测量手段，对工艺设备、加工参数进行自动优化，装配过程保质保量，成为了飞机数字化制造业中的关键技术。数控自动钻铆系统、工业机器人，被有效、广泛的应用到飞机零件与机身的连接装配中。装配工装、钻铆设备、跟踪测量系统等，在结构、功能方面的统一，实现了系统装配的自动化，有效提高了技术标准，减少了制造周期，降低了生产成本，增加了经济利益。进行3000r/min转速的旋转；此时的接收器，会接收一定的激光，从而实现对于角度的测量。设备优化的组合，可以得到测量点的坐标。该技术测量的精度，主要由其发射器的数量决定。第三种技术，是为了满足不同机型、同一机型不同部位对于装配精度的差异化需求，对激光雷达、室内GPS等各项技术进行的综合应用。

2.3 自动钻铆技术

目前自动钻铆系统柔性工装主要有两种：一种是与专用的柔性工装设备结合，比如机翼壁板自动化铆接装配行列式柔性工装，该工装设备开敞性好，通过数控系统调控可以实现大型飞机机翼壁板和翼梁自动化铆接装配；另一种是提高自动钻铆系统本身装备柔性，如为应对波音商用飞机机身段单侧表面超过1200个大孔径复合材料铆接装配孔而设计的轻量级可移动拆装的自动钻铆一次装配系统，该装配系统可一次性完成多种机身段表面孔的铆接装配，保证装配质量。在发展上述自动钻铆系统柔性工装的同时，柔性工装正向着低成本化方向发展，比如机器人自动钻铆系统通过减少甚至消除工装专用设备达到工装无型架装配，大大降低了装配成本。托架系统作为自动钻铆机的重要组成部分，担负着飞机壁板的支撑、夹紧、移动、定位等作用，在进行部件连接自动钻铆托架变形分析与误差补偿主要基于CATIAV5平台的二次开发功能，根据变形数据进行变形补偿工艺编制、加工编程和数控铆接。针对实际工程的需要，对变形主要因素、次要因素进行分析（由于托架垂直方向变形影响最大，可作为变形影响主要因素），建立起可应用于工程所需要的变形模型，利用多次调平、迭代优化的思想建立起托架变形补偿算法，为自动钻铆调平提供有效的数据支持，最后对变形补偿数据进行处理，建立自动铆接数据库，实现数据的自动统计、分析、优化，从而提高铆接质量和加工效率。托架系统变形分析与误差补偿技术的技术难点在于空间多自由度不同姿态下的误差补偿，针对这一技术难点，可以通过力学分析，利用空间坐标转换关系搭建关于托架系统变形的计算模型，采用多次调平与迭代优化的思想建立面向空间柔性多姿态的托架变形补偿算法，为托架变形误差补偿提供数据支持。

3、结语

数字化装配是飞机装配技术的发展方向，对其研究具有非常重要的理论意义和工程应用价值。研究和发展数字化装配技术，不仅要攻克数字化装配各项子技术，更要对各项数字化装配子技术进行集成，还需打通数字化装配技术与其他飞机数字化制造技术之间的数据流。明确数字化装配技术应用范体系，并建立与之相适应的工艺过程和组织模式，尽可能地提高数字化装配技术的工程应用价值。

参考文献

数字化设计与先进制造技术范文第3篇

但是，目前各类工科院校的教学工作与学生就业需求普遍存在结构性矛盾。一方面，学生的专业知识与企业就业需求技能不匹配，学生毕业后不能快速适应企业实际工作的要求。另一方面，传统教育的内容与先进的现代化设计制造模式脱节，学校缺乏符合现代先进制造业需求的数字化教学和实训环境。因此，在高新技术条件下，如何运用现代化技术提高实训设备的技术含量；如何运用信息技术进行教学和管理；如何使教学更贴近高科技企业的实际，更适应迅猛发展的高新技术对人才的要求，是摆在高等院校面前亟待解决的课题。

随着新技术的应用，压缩了传统课程的教学课时（机械制图），而大量增加近年来流行的先进机械设计和制造技术的教学课时 , 结合现代教学理念，我们提出建设数字化现代设计制造教学管理平台，能够完全模拟企业的工作流程，培养出符合现代制造技术要求的高级人才。

1 建设数字化现代设计制造教学平台的意义

1.1 反映现代网络制造技术的全貌及前沿，提升训练层次

数字化现代设计制造教学平台与传统的金工、电子、数控实习基地，从其任务与功能、教学手段到人员构成均有了极大的改变。不应是传统制造工艺的训练，还应包括现代制造工艺的训练；不应只是工艺方法及工艺过程的训练，还应包括对信息、材料、通信、控制、环保等其它生产要素的了解，及对整个生产过程的全面掌握，并且能不断跟踪新技术、新工艺，及时向学生进行宣传，使学生能了解制造领域的前沿动向。

1.2 打造真实企业环境，让学生在学校就了解并掌握企业的生产流程

数字化现代设计制造教学平台不仅是理论联系实际，吃苦耐劳的思想作风的训练，也应该是团队精神、创新意识的训练；它不仅有操作技能、实践能力的训练，也应该有经济、质量、市场意识培养的训练。因此按照企业的工作流程，把企业的工作模式抽象成为教学平台，用这种方式来培养我们的学生，从设计环节，工艺环节、加工环节体会和了解企业的生产管理和产品加工已是当务之急。

1.3 提升先进实训设备之间的有机联系，匹配现代工厂的管理模式

在数字化现代设计制造教学平台上，学生可以在机房进行产品的设计、建模、生成工艺路线及仿真的过程。保证每个学生一台计算机，也就是说每个学生都可以进行产品的制造周期的训练，学生仿真完毕，经老师检查合格后，可以生成代码，通过数字化设计制造实训教学平台的网络传输功能，传到机床设备或是从设备上直接从服务器上读取传输数据，达到远程制造或是在线制造，真正把现代设计制造落到了实处。

2 数字化现代设计制造教学平台的建设思路

第一步，模拟典型制造企业数字化设计制造过程，建立真实的教学环境

实际上今天企业的工作流程，从二维CAD，三维CAD及分析，到工艺的编制，到制造，及数控车间网络DNC管理，都是逐步采用信息化管理。

数字化教学管理平台就是按照企业的工作流程，把企业的工作模式抽象成为数字化的网络制造教学平台，用这种方式从设计环节，工艺环节、加工、管理等各个环节来培养学生。同时在实训教学过程中把设计工作，制造工作，生产几个环节所有信息都记录下来，串行流程改成并行流程，形成数字化设计制造教学的信息流，并在教学过程中贯彻。

第二步，数字化现代设计制造教学平台信息库的建设

作为教学的信息化，实际上就是将教学各个环节的信息流管理起来，把教学经验，实操经验记录保留下来。数字化设计制造教学平台信息库（图1）的建设就是关联学校的教学重点和企业工作流程，全面连接各个课程知识点，学生就业可以对自己有一个比较全面认识，清楚自己特长和不足，以便能清楚工作定位，增强工作面试时信心，敢于接受挑战。

在数字化现代设计制造教学平台信息库的建设过程中，其中可以开发具有本校特色的：

1）教案（教学计划、教学课件、课时日志、教学大纲）——帮助学校进行专业/课程/教学规划；2）教材——组织院校老师开展教材编写，找到合适学校发展、适合学生的教材；3）课件——协助老师制作课件，帮助学校降低教学难度，便于教学成果的积累和交流；4）题库——统一出题、标准答案、统一评分标准；5）科研——打造国家精品课程；总结教学经验，创造条件，完成在专业学报/期刊论文的发表；与企业/研究院所进行项目合作，承接外协任务；6）创新大赛——建立创新设计平台，支持创新设计大赛；7）学术活动——参加在全国各地定期、不定期组织的相关学术研讨活动，传递最新行业动态和技术发展状况信息；

在信息库的建设中它可以随时扩充、随时度量、随时替代、随时共享并具有时效性、可扩散性等特点。

第三步，数字化现代设计制造教学平台的实施。

数字化教学平台涵盖了企业研发设计、工装设计、工艺编制、数控编程、技术管理、生产制造、生产管理、设备维护、质量检验等岗位所使用的信息化工具，通过模拟企业生产环境，可以让学生在设计、制造的学习中将理论知识和工程实践相结合，体验企业中的从订单、设计、工艺、加工生产及管理全过程，理解各部门之间的相互关系，理解部门间如何协同工作，增强学生的感性认识，培养企业急需的团队合作精神，使学生能够快速胜任就业后的工作环境，适应企业岗位调动。

通过数字化现代设计制造教学平台的实施，可以达到以下效果：

1）模拟了企业的设计、工艺、制造、管理，让学生在学校教学中就能够了解到企业的工作流程；2）学生教学过程中，按照企业的流程给学生分配了角色权限，让学生在学校就按照企业的工作模式得到实训；3）学生在教学过程中，对企业的设计软件及设计内容、工艺软件及内容、编程软件等都得到了良好的应用，并且了解其相互间的数据传递关系；4）老师把每届学生编制的作业有效管理起来，有序的共享和管理。应用的时候直接调出，成熟的经验可以直接继承和利用；5）不同班级的学生实训后，大量重要的数据需要进行备份处理，例如：机床参数、数控代码等系统自动备份，可以方便教学资源的积累。利于评估；6）安全方面：作业统一存放在教学平台服务器上，数据安全，利于数据集成和再利用。另外，给学生按人员、角色、产品、机床、格式等设置不同的权限；7）实现监控及信息采集，可以适时了解机床的工作状态，提高数控设备的机床利用率并拥有应付设备故障的能力。采集信息包括：人员信息、代码信息、刀具信息、机床信息；8）学生加工的零件的变形设计及作业的更改，能够有效而安全的控制由此产生的同一加工文档和代码的不同版本。目前老师依靠各班级来区分不同版本的加工文档；9）应用先进系统能够将教学效率提高，将原有的课件、教案教学资源管理起来，有效利用，有效管理。提高教学效率；10）先进的企业已应用了PLM系统，数字化实训基地教学平台的应用使学生在学校就掌握了企业的数控车间信息化系统应用场景，拓展了人材培养方向，增加了学生就业率；11）通过管理软件为学校的信息化建设搭建一个信息共享的平台（权限、流程、统计汇总、下游集成等）；12）便于教材的规范化标准化统一管理。

3结论

数字化现代设计制造教学平台使学生在学校就能够体会到企业的工作环境；该平台提供的软件为机械课程的教学提供帮助，降低教学难度，提高学生的学习兴趣，帮助学生更深刻的掌握专业知识和原理；能够使学生掌握企业常用的工具软件，就业后能迅速上手工作；能够提供相应的权威考试认证，增加学生就业砝码；该平台还具有良好的创新特性，启迪学生的创造性思维，提高综合素质。数字化设计制造教学平台在学校的应用，将改变教学管理，教学工具，教学手段，解决教学难点，缩短课程安排时间，增强实践教学，提升教学效率，促进师资建设和教学理念的变革，帮助和促进学校实现以先进制造企业就业需求为目的学生培养目标。

参考文献

[1]胡青.以实习教学构建创新人才成长平台——实习教学改革的实践与探索[J].黑龙江高教研究，2003(4)：149-150.

数字化设计与先进制造技术范文第4篇

关键词：先进制造技术；先进制造模式；制造业

1 先进制造技术概述

制造业是工业的主体，是生产工具、生活资料、科技手段、现代装备及其技术进步的依托，既占有基础地位又处于发展核心，而制造技术则是发展制造业并提高其产品竞争力的关键因素[1]。

随着制造业竞争日益激烈的形势，美国、日本、西欧、新加坡等发达国家和地区以及部分新兴工业国，都投入大量资金用于进行先进制造技术及其系统的研究开发，并将其列为国家的重点发展领域。

1994年，美国投入14亿美元研发经费将先进制造技术作为重点扶持的科技领域，1996年，更是投入高达3420亿美元的资金用于制造业的生产技术设备更新投资；1986～1993年，日本投入3万亿美元进行制造业的技术设备更新和工艺改造； 1991～1994年，欧共体投入74亿美元进行先进制造技术探索与开发[2]。

2 先进制造技术的内涵及特点

先进制造技术，是指制造业不断吸收现代信息技术及管理技术的成果，先进制造技术综合应用于产品制造全过程，包括设计，加工，检测，管理，销售，使用，服务以及回收。目的是实现高效率，低耗能、更清洁、更敏捷的产品生产，提高在市场动态多变的现实中的适应能力和竞争能力。

现代装备制造业的先进制造技术，是现代科学技术和市场经济发展的产物，具有“数、精、极、自、集、网、智、绿、信”等特点及发展趋势，相互渗透，相互依赖，相互促进。

其中，“数”是发展的核心，数字化制造是制造技术，计算机技术，网络技术和管理科学相互融合的结果； “精”是发展的关键，精密化是指对产品，零件的精度要求以及产品零件的加工精度要求越来越高； “极”是发展的焦点，极端化是指需要在极端条件下工作，或者产品的要求比较极端；“自”是条件，自动化是指从自动控制、自动调节、自动补偿、自动辨认等，发展到自学习、自组织、自维护、自修复等；“集”是发展的方法，集成化是指技术的集成、管理的集成、技术与管理的集成，其实质是知识表现形式的集成，集成化主要指的是现代技术的集成，加工技术的集成，企业内部与外部的集成、生物技术与制造技术的集成等；“网”是发展的道路，网络化是先进制造技术发展的必由之路，它由生产组织变革的需要，以及生产技术发展的可能这两者共同决定；“智”是发展的前景，智能化是指系统具有人机一体化、自组织与超柔性、自我学习与维护及自律的特点、未来还需具有更高级类人思维能力；“绿”是发展的必然，绿色化目标是使产品在整个周期中，包括设计、制造、包装、运输、使用到报废处理，对环境的负面影响极小，资源利用率极高，从而使得企业经济效益和社会效益协调优化；“信”是发展的方向，信息化具有高科技，好效益，低消耗，优资源的特点[3]。

3 先进制造模式的研究

目前，世界上各发达国家正在进行现代先进制造技术的探索与研究，同时也取得了很多成果，特别是在管理体制，经营理念，方案评价，方法建立，制造技术等方面探索研究后，提出了各种先进制造的模式，主要有以下几种：

（1）精益生产（LP）

精益生产不但是一种生产方式，更是一种运用于现代制造业的组织管理方法。精益生产是通过系统结构、人员组织、运行方式和市场供求等方面的变革，使生产系统能很快适应用户需求不断变化，并能使生产过程中一切无用、多余的东西被精简，最终达到包括市场供销在内的生产的各方面最好结果的一种生产管理方式。与传统的大生产方式不同，其特色是“多品种”，“小批量”。

（2）柔性制造（FM）

柔性制造适用于多品种、中小批量生产加工，是一种具有高柔性同时也是高自动化的制造模式。柔性制造技术是对各种不同形状加工对象实现程序化柔性制造加工的各种技术的总和。

（3）计算机集成制造（CIM）

计算机集成制造是指以计算机为核心，将各种与制造相关的技术系统，集成在一起的信息技术，目的是使企业实现整体优化，其市场竞争力得以提高。

（4）智能制造（IM）

智能制造是指计算机模拟人类进行分析，判断，推理，构思及其决策等智能活动，并且把智能机器和这些活动进行有机融合，应用于企业制造中的各子系统，实现整个企业经营运作的高柔性化和高集成化。

智能制造代替人类咋在制造过程中的部分脑力劳动，并对这些智能信息进行搜集，存储，完善，共享，继承与发展。

（5）敏捷制造（AM）

敏捷制造是指制造企业运用通信手段，采用快速配置各种资源，包括技术、管理和人，以有效和协调的方式来响应用户需求，实现制造快速灵敏的一种制造模式。

敏捷制造的目的是使制造企业能够快速灵敏地响应市场的动态多变，满足市场的多样化需求，获取长期的经济效益。

（6）绿色制造（GM）

绿色制造是指将环境影响和资源消耗因素综合考虑的一种制造模式，其目标是使产品在整个周期中，包括设计、制造、包装、运输、使用到报废处理，对环境的负面影响极小，资源利用率极高，从而使得企业经济效益和社会效益协调优化。

绿色制造是人类社会可持续发展战略在现代制造业中的体现。

（7）虚拟制造（VM）

虚拟制造是指利用计算机仿真和建模，建立虚拟产品模型，在产品进行实际加工之前，对产品的性能，可制造性进行评价，也对产品的整个加工过程进行仿真，以达到产品生产最优的一种制造模式。

3 先进制造技术的发展展望

先进制造技术其实就是信息技术，管理科学和相关的科学技术相融而成的制造技术。

21世纪制造业高速发展的同时，先进制造技术得以飞速发展，根据现代制造科学与技术的发展趋势分析，先进制造技术在未来发展的方向表现在以下几个方面：

（1）产品的创新设计和优化设计。产品的数字化建模，仿真分析，评价及设计规范；产品的创新开发设计，优化，管理，维护技术；系统整体化设计的理论，技术和方法。

（2）网络化制造理论及关键技术。网络环境下的系统与装备的协同优化；制造系统的信息模型，约束条件，运行理论及控制手段。

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

（4）高速高效数字制造理论和技术，新材料，新原理，新工艺的数字制造装备技术。

（5）制造中，精密，超精密测量，量值溯源原理和新传感器技术；多尺度空间精度测量技术；表面微观计量理论及技术。

（6）纳米技术。纳米材料及其性能测量；纳米尺度加工、制造、测量和装配技术；

纳电子与分子原子制造的原理及技术。

（7）仿生技术。仿生机械制造技术，结构，功能，能源与运动机械仿生技术；机械超前反馈仿生与制造的科学和技术； 生物工程技术；新一代生物芯片制造技术。

（8）微电子制造科学和关键技术。微机械、微传感、微光器件制造技术；纳米级光学光刻、非光学光刻、浅沟槽刻蚀、铜互连等机理和技术；集成电路新型封装工艺原理和技术。

（9）绿色制造技术。产品与人类和自然的协调理论；产品绿色制造工艺技术；产品的再制造和维修科学和技术；产品绿色使用理论和方法；废旧产品资源回收再利用技术。

（10）面向航空、航天、海洋、能源、交通和国防装备等重大工程制造的科学和技术。

参考文献（References）

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

[2] 蔡建国，吴祖育.现代制造技术导论[M].上海：上海交通大学出版社，2000：1～14.

[3] 刘文剑.计算机集成系统导论[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1994.

数字化设计与先进制造技术范文第5篇

关键词：3D打印产业；数字化制造；发展思路

中图分类号：F49 文献标识码：A

文章编号：1007-7685（2013）01-0090-04

近期，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，引发了世人的关注。作为新生事物，什么是3D打印技术？它与传统产品开发和生产制造有什么区别？发展的意义何在？我国发展现状如何？下一步应如何发展？

一、3D打印概况

（一）3D打印的概念

3D打印技术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打印技术是“增材制造”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。

（二）3D打印技术所依托的关键技术

3D打印技术需要依托多个学科领域的尖端技术，主要包括以下方面：信息技术，即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，即3D打印技术以“每层的叠加”为加工方式，产品的生产要求高精度，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，即用于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。客观说，目前3D打印技术尚不成熟。作为一项多学科交叉的高新技术，还需要在各相关领域投入较大的研发力量，才能掌握完整的核心技术。

（三）3D打印技术的应用领域

近年来，3D打印技术发展迅速，在各领域都取得了长足发展，已成为现代模型、模具和零部件制造的有效手段，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，在工程和教学研究等领域也占有独特地位。

具体应用领域包括：工业制造。可应用于产品概念设计、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打印技术制造的小型无人飞机、小型汽车等概念产品已问世，家用器具模型也被用于企业的宣传、营销活动中；文化创意和数码娱乐：可作为形状和结构复杂、材料特殊的艺术表达载体。科幻类电影《阿凡达》运用3D打印技术塑造了部分角色和道具，3D打印技术制造的小提琴接近了手工艺的水平；航空航天、国防军工：可对形状复杂、尺寸微细、性能特殊的零部件、机构进行直接制造；生物医疗：可应用于人造骨骼、牙齿、助听器、假肢等的制作；消费品：可应用于珠宝、服饰、鞋类、玩具、创意DIY作品的设计和制造；建筑工程：可应用于建筑模型风动实验和效果展示，建筑工程和施工（AEC）模拟；教育：可应用于模型验证科学假设，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；个性化定制：可提供基于网络的数据下载、电子商务的个性化打印定制服务。

从市场应用份额看，3D打印技术应用在汽车及零配件领域占37%，在消费品领域占18.2%，应用于航空航天和国防军工占13.7%，在商业机器领域占11.2%，在医疗领域占8.8%，在科研方面占8.6%。

二、我国3D打印产业发展现状及面临的问题

近年来，我国积极探索3D打印技术的研发，初步取得成效。自20世纪90年代初以来，清华大学、西安交通大学、华中科技大学、华南理工大学、北京航空航天大学、西北工业大学等高校，在3D打印设备制造技术、3D打印材料技术、3D设计与成型软件开发、3D打印工业应用研究等方面，开展了积极的探索，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。目前，依托高校的研究成果，对3D打印设备进行产业化运作的公司实体主要有：北京殷华（依托于清华大学）、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）。这些企业都已实现了一定程度的产业化，部分企业生产的便携式桌面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、杭州先临快速成型技术有限公司等企业，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。

在家用电器、汽车配件、通信技术、航天、军工等领域，3D打印技术被越来越多应用到产品研发和生产中。在医疗领域，国内高水平的医院使用3D打印技术，为患者提供定制的牙齿和骨骼替代物以及具有仿生性能的体内植入物。在教育领域，我国有很多高校购买了3D打印设备，开展多个学科的教学和研究工作。目前，中国已成为美国、日本、德国之后的3D打印设备拥有国。

3D打印产业正成为投资热点。不少原来从事数字化技术、材料技术、精密机械技术的企业纷纷考虑投资开发3D打印设备生产和服务。

资料来源：《3D打印技术将掀起“第三次工业革命”？》，载自《科学研究动态监测快报》，中国科学院国家科学图书馆，2012年10月1日。

目前，我国3D打印产业处于起步阶段，存在一系列影响3D打印产业快速发展的问题。

第一，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打印产业的总体规划与重视不够。

第二，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一些美国公司，每年研发投入占销售收入的10%左右。目前，欧美一些3D打印企业依托其技术优势，正加紧谋划拓展我国市场。我国对3D打印技术的研发投入与美国有较大差距，占销售收入的比重很少。

第三，产业链缺乏统筹发展。3D打印产业的发展需要完善的供应商和服务商体系和市场平台。在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”的初级发展阶段，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。

第四，缺乏教育培训和社会推广。目前，我国多数制造企业尚未接受“数字化设计”、“批量个性化生产”等先进制造理念，对3D打印这一新兴技术的战略意义认识不足。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打印技术相关的必修环节，还停留在部分学生的课外兴趣研究层面。

三、我国发展3D打印产业具有重要的战略意义

当前，全球正在兴起新一轮数字化制造浪潮。发达国家为解决近年来制造业竞争力下降的难题，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打印技术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。虽然3D打印等数字化制造的核心技术仍处在发展的初级阶段，产业还不成熟，但在产品设计、复杂和特殊产品生产、个性化服务等方面已显示其独特优势。所以，我们应充分认识智能制造、数字化制造对我国的深刻影响，加快3D打印产业的发展，推动我国由“工业大国”向“工业强国”转变。

（一）发展3D打印产业，可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做模具，然后再做出样品，而运用3D打印技术，无需模具，就可以把制造时间降低为以前的1/10到l/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，均可以利用3D打印技术短时间内制造出来，从而极大地促进产品的创新设计，能够有效克服我国工业设计能力薄弱的问题。

（二）发展3D打印产业，可生产出复杂、特殊、个性化的产品，有助于攻克技术难关

3D打印技术可为基础科学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打印技术，既在研制速度上具有优势，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。在生命科学的研究和应用中，3D打印以“细胞打印”、“仿生定制”等形式出现，把标准化、自动化的机械加工业生产方式，应用到生物工程、生物制药和临床医学等领域，已取得丰硕成果。以生物组织为原材料的制造业，有望成为高端制造业的重要组成部分。发展3D打印技术，将促进我国在生物能源开发利用、生物和化学药剂试验、人体组织和器官再造等领域取得技术进步。

（三）发展3D打印产业，可形成新的经济增长点，促进就业

随着3D打印技术的普及，“大批量的个性化定制”将成为重要的生产模式。3D打印技术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，自主创业者可通过购置或租赁低成本的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，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。

四、我国3D打印产业发展的政策建议

（一）制定3D打印产业发展规划，促进其优先发展

建议将3D打印技术定位为生产业、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打印技术，支持3D打印设备的进出口。

（二）加强3D打印产业联盟、行业协会建设，推动产业协同发展

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打印技术及关联项目投融资机制等，促进产业可持续发展。

（三）加大科技扶持力度，提升3D打印技术水平

设立3D打印产业专项基金，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、推广上给予政策支持。