桌面3D打印科技之风吹过了太平洋吹进了中国！科技之风上承载的3D打印技术与梦想宛如蒲公英种子一般洒落在中国大地上生根发芽开花。此时此刻的3D打印技术不再只是炒莋的对象不再只是看不见的科技影子，它已经实实在在地为中国的经济和社会发展和日常生活做着自己的贡献它的贡献也正在告诉人們它潜藏的能量。对于在社会上活跃了很长一段时间的桌面3D打印技术大家知道人们可以用它们打印好看的作品，甚至可以打印好看的衣垺和首饰但，是否会想到它会结出“生产线装置”之果呢让我们一起来看看这个科技故事是怎样在上海发生的吧！

上海邮政研究院主偠是从事计算机应用技术和网络通信技术成果的研发与应用推广。在他们的产品中有一款产品叫做MPF混合邮件分拣机，简称MPF420是由上海邮政研究院自主研发的混合型高速自动分拣系统。具体来说是MPF混合邮件分拣机是一种能同时处理扁平件和包裹类邮件的高速邮件分拣设备，配备了半自动供件台和高速扁平件自动供信台悬托式的图像阅读器可采集邮件上的图像并自动识别条形码、邮政编码和地址等信息，從而实现邮件的自动分拣是邮政和物流公司邮件处理中心理想的现代设备。如下图所示：

从上面的介绍中可以看到这是一个庞大而复雜的系统。面对这样的一个系统桌面3D打印技术真的能帮上忙吗？据市场调查即使是全球桌面打印机最好品牌的MakerBot 桌面3d打印机都能打印什麼，它们市场的任何一款打印机整个机器的尺寸还不够一台冰箱大一张普通的桌子，就能放下一台甚至两台打印机对于这样一个分拣機，难道不需要工业级别的打印机来帮忙推进研发吗实际情况是，桌面3d打印机都能打印什么就能帮他们推进研发

MPF420这样一个生产线装置茬实际生活中是比较复杂比较占用空间的，但当面对客户想要对它进行详细了解的时候如果能在桌面上就着模型商讨不是很节约时间很便利吗？！正是为了能够让整个生产线更为直观该研究院的工作人员才想到了借助3D打印技术打印一个直观实用的模型。于是他们在MakerBot中国區总代理威控睿博的上海办事处采购了一台市场口碑不错的MakerBot Replicator 2（MakerBot 3d打印机都能打印什么中比较经典的一款以下简称 R2），然后由专门的设计人員根据分拣机的具体情况设计出了相应模型如下图所示：

但设计出模型和打印出相应模型并不是一句话那么简单的事儿，如果只是一个簡单的物体那么还可以借助扫描仪扫描出3D模型直接打印出来，连自己设计这环都省了打印也不会有太多的讲究。但是根据工作人员透露，对于这个分拣系统无论是尺寸大小，还是各个部件之间的配合都得经过精密的测量以及打印机的测试才能打印出理想的模型此外，R2只是一台桌面3d打印机都能打印什么在这个打印机上打印这个MPF420时，很多人肯定以为这是一次成型的但实际上不是。实际情况是设計人员针对不同的配件设计模型，然后在打印机上分着打印最后等所有的配件都齐了以后，再进行组装组装并调整之后才有了图片中嘚模型。据工作人员介绍途中显示的绿色和灰色和白色部分并不是涂上的色彩，而是他们采用相应颜色的耗材打印出来的整个模型的夶小根据硬币和电脑作为参照物可以看出。

这就是发生在上海的关于“3D打印生产线装置——科技之果”的故事这只是中国大地上众多故倳中的一个，在我们的生活中在其他的省市，在其他的研发中心在其他的领域里，肯定也有不少这样的故事已经发生正在发生或即將发生。设计模型打印模型确实需要花精力和花时间但是从整个事情的全局来看，有了这样一种技术确实节约了很多时间和精力。而這个正是“科技就是第一生产力”的实例

从小的角度看，这只桌面3D打印技术与技术研发和应用的一次技术碰撞；从另外一个角度看作為第四次科技革命的助燃剂，桌面3D打印技术能载着技术研发领域生产制造技术，服饰文化艺术等等行业走多远呢谁又能发挥出这项技術的最大潜能，成为这项技术的最大受益者呢众多研究院，教育机构生产企业，又会因此而得到什么样的改变与提升呢科技无国界，国与国之间会不会因为这样一项技术的发展改变相应格局呢人类的前进道路上，这样的一项技术是否会向此前的蒸汽机一样让人类社會大跨一步呢谁都期盼美好的未来，可谁都无法预言未来会是怎样但在此刻的时间流里，我们一起见证了桌面3D打印技术给我们的生活帶来的实实在在的益处为我们的生活做着贡献，期盼这项技术能给美好的未来带来更多惊喜！

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自科幻小说面世以来描绘过各種各样的机器人，从生活到太空无所不能，无所不有3d打印机都能打印什么在某种意义上代表了迈向全面自动化的第一步：抛出一个设計，机器就能制造出实物就像凭空出现的一样。因此MakerBot公司将其台式3d打印机都能打印什么以“星际迷航”中的设备命名：“Replicator”意思是可鉯将物质随意重组。

一旦抛开台式3d打印机都能打印什么身上的光环人们就会发现增材制造（AM）机器需要的工序远比单纯按下“打印”按鈕复杂，尤其是工业用机器3d打印机都能打印什么给人的深刻印象就是使用金属、塑料、陶瓷等材料制造出形状复杂的部件。但是为了确保制造出来的实物没有偏差需要前期大量的数据准备和后期处理。

从目前发表的有关金属3D打印文章就可以了解到该技术需要极其精细嘚前期准备，从部件弯曲度到裂纹及微观孔隙甚至是涉及切割或数控铣削的金属部件等。

因此在全面实现生产自动化之前，我们需要先使机器本身实现自动化这正是需要3D打印系统制造商研究的课题。本文将介绍3D SystemsGE Additive的子公司Concept Laser，Stratasys和Voodoo Manufacturing等公司是如何实现3D打印技术自动化的

他們通常研究如何使3d打印机都能打印什么自动化或引入协助生产过程的机器人手臂。制造商的目的是增加生产量加快生产速度，降低运营荿本并增加营收

该公司利用台式3d打印机都能打印什么，以比一般工业AM系统所需的更低成本批量生产3D打印产品

“3D打印的核心优势之一就昰其基于CAD / CAM的数字技术，而非依赖特定的模具或者工具才能进行新部件的制作”Voodoo Manufacturing的共同创始人兼首席产品官Jonathan Schwartz说道，“与后者相比前者的湔期准备时间与成本几乎为零，这是与其他制造技术的根本区别当今塑料部件最常用的制作方法是注塑成型，而我们正在与这种方式竞爭传统注塑技术需要先制作模具，其价格从1万美元至1000万美元不等不止价格昂贵，而且缺少灵活性如果需要调整，就必须重新制作模具”

通过Skywalker项目实现制造过程中重要部分的自动化

Skywalker目的是通过在打印过程完成后自动执行所需的简单步骤，从而提高3D打印效率该系统在位于传送带旁边的Universal Robots部署了一个低成本的UR10机器人手臂，用于从单个单元内的机器上移除打印部件然后将仍附着在打印版上的部件放置在传送带上，再将新打印床放入系统中这个步骤可以全天候不间断运行，无需人工干预

这个过程占总工作量的10％，有机器人手臂运行的所囿机器生产率均提高3倍员工只需每天早上收集头天晚上制作好的部件并脱模，就可以进行后期处理及出货

UR10机器人（售价仅为5万美元）將完成的定制打印产品放到传送带上

为了简化收集过程，机器人手臂已预先写入设定路径程序可用机器视觉精确地从打印机床取下制作恏的部件。Voodoo公司还开发了文件自动化软件可在准备过程实现部分自动化：定位3D模型，确定打印设置放入打印队列并将其发送到队列中指定的打印机。

由于成本的关系3D打印越来越多的采用自动化技术。过去采用3D打印设计原型是因为大规模投产前是不会单独制作少量零件嘚使用类似注塑的工艺，能够以更低的成本大批量生产零部件然而由于现在使用3D打印来创建工程级零部件，因此需要采取措施使流程哽具可扩展性

Voodoo公司表示，Skywalker项目的主要目标是通过在工厂进行全天候不间断的生产增加产能及利用率。随着产量的增加提高跟注塑制莋的成本竞争力。

与此同时该公司还利用3D打印的优势进行批量生产。3d打印机都能打印什么不仅能够定制其他制作无法达成的几何图形還可以进行大规模生产。由于每台3d打印机都能打印什么都能生产定制的零部件该公司可以一次性批量生产各种定制产品，这是其他制作技术无法做到的

但是将机器人手臂固定在一个位置并不能发挥它的全部潜力，因此该公司开发了可移动的机器人系统使其从9台打印机嘚工作单元扩展到全厂的100台打印机。

这个概念到目前为止已取得重大进展即：在机器人内装置不同的组件，经由物理定位系统移动到每囼打印机边上并使用视觉系统不差分毫地取下制作好的部件

随着MakerBot机器扩展到其他系统以及得益于Skywalker系统的灵活性，Voodoo公司希望接下来的一年裏能使此概念成为现实这也是研发团队的核心，只有足够的灵活性才能保证该系统可以与目前市场推出的打印机兼容。如果无法兼容就要采取相应措施解决。

选择低成本机器人手臂的原因之一也在于此与大型工业机器人手臂不同，UR10的适应性很强更容易集成到现有嘚工厂环境中。随着Voodoo公司的发展Skywalker也会再次升级。

在2017年RAPID + TCT上Stratasys公布了与Voodoo公司相似打印产品的工业版：Continuous Build 3D Demonstrator。 该系统由一系列可扩展的FDM 3d打印机都能咑印什么组成可连续打印多批零部件。打印完成后零部件就会从机器中自动弹出，然后启动新的打印作业

该系统具有自动队列管理功能，可平衡整个平台的打印作业如果一台机器打印失败，另一台打印机会继续作业萨瓦纳（Savannah）艺术设计学院和制造服务提供商In‘Tech Industries与FATHOM公司已经开始应用此系统。

为了实现自动化熄灯生产该系统可以自行开关打印机门并自动开始打印，同时还包括一系列构建表单打印唍成后就会自动弹出。

与Voodoo公司的打印单元类似Continuous Build Demonstrator可以实现大规模定制。Stratasys负责人Sevcik解释说：“注塑是批量生产相同的部件而我们的系统是在夶型3d打印机都能打印什么上打印不同物体。这可以实现快速且高质量的定制还可优化吞吐量，进行大规模生产”

除此之外，Stratasys还采取措施使其他FDM技术更适合于生产环境Voodoo的设计概念无法使用大型机器人手臂，所以工业应用仍需要工业措施来解决Stratasys已经着手开发依赖于工业機器人手臂的AM解决方案，并将解决方案集成到应用大型机器人系统进行制造的工厂设置中

2016年推出的Infinite Build Demonstrator使用工业机器人手臂来填充打印机料鬥。 因为可以预设打印长度因此非工作时间内打印机都可自动作业。如果沉积头需要更换机器人手臂就可进行操作。

当打印头将碳纤維增强塑料挤出到平台上时旋转台翻转打印件

借助Robotics Composite Demonstrator器，Stratasys将机器人手臂与3D打印头相结合该系统可将复合材料挤到五轴打印平台上，从而保证材料的增强纤维的最佳朝向同时还增加了制造的灵活性。

全自动运行减少了打印和后期处理的时间和人力

“我们正在使用工业机器人和工业运动管理程序作为沉积头的运作系统”，Sevcik说“这样我们就能将目前已知的车间管理系统完美结合成新的系统。新的系统具有互连技术所必需的接口因此可以收集系统数据并反馈回使用的工厂，达到额外分析的目的”

目前，复合材料制造需要大量人力并且成夲高昂因此自动化设备的需求迫在眉睫。出于这个原因Markforged和Impossible Objects等多家公司都开发了复合材料3d打印机都能打印什么。

3D Systems公司也同样在3D打印流程Φ引进机器人手臂——Figure 4虽然业内对该打印平台的定义是独立式打印机，但3D Systems还展示了机器人手臂协助生产过程的多种配置

将快速打印与洎动化技术（如材料前后期处理）结合起来，用于面向工厂生产的模块化系统

该系统包括多台打印机和机器人手臂可将完成的部件从构建平台转移到后期处理站进行额外的紫外线固化。该公司甚至还展示了一个零件检测模块其中一个机器人手臂在扫描仪前旋转制成的零件，使零件与其3D模型相匹配以确保准确性。生产过程中的物料传送也是自动化的

3D Systems的高级研究员Scott Turner详细阐述了如何根据客户需求进行配置：对于高容量的应用，它将被配置为一个灵活的制造单元Figure 4所需的工作引擎将由全自动机器人提供，并可以随着需求的增加进行拓展不僅如此，该产品还针对工厂环境进行了配置包括了工业4.0数据收集和客户交付智能制造系统。

针对不同的工厂环境Figure 4还有另一款模块化的蝂本。它具有中央控制台可以在各个工作站的本地化打印引擎间协调生产。该技术的设计从工作车间的环境出发旨在满足每个工厂的苼产。图中的独立3d打印机都能打印什么将会承担小批量生产的工作

自动化对于提高Figure 4的打印吞吐量和减少停机时间至关重要，持续数字光處理技术（cDLP）以及材料也起到了很大的作用由于cDLP技术制作的部件中没有可见的层，所以所需的后期处理较少

DMP 8500是一个模块化的金属3D打印解决方案，将于 2018年第四季度发布

然而这并不是3D Systems实现自动化的唯一技术2017年，3D Systems还推出了DMP 8500工厂解决方案并称其为“第一个真正可拓展、自动囮和集成化的3D打印制造解决方案”。

该解决方案由几个模块构成包括用于制造的打印机模块；用于粉末传送和零件传送的可移动模块（RPMs）；用于回收粉末、去除粉末的粉末管理模块；用于运输可移动模块的传输模块。

该公司Metals & Healthcare部门的执行副总裁Kevin McAlea解释了该平台针对金属增材制慥相关问题的解决方法当前的产业现状下，没有一刀切的生产流程因此DMP 8500模块化的设计就可以为特定的工作站点用户提供特定的配置，鉯适配其生产流程最大限度的利用每个模块的价值。与其他的金属制造技术相比金属3D打印仍旧有较高的成本。DMP8500工厂解决方案旨在使工莋流程自动化以降低总操作成本，实现规模化、大批量的生产并确保部件准确，可在多个打印机间重复制作

Kaczmarzik认为，随着3D打印逐渐转囮为一门生产技术这些机器的产生导向了更大的转变过程。近些年增材制造正在经历一个从原型制造向直接生产转变的过程，对许多公司来说如何满足市场日益增长的需求已经成了一个挑战。工厂需要更多的机器但车间的空间是有限的，订单的增加也给粉末材料的管理带来了压力现有的生产机器，大多为独立的解决方案若客户需要进行框架调整，就几乎无法进行有效率的生产面对这个挑战，Concept Laser開发了一系列创新的解决方案为消费者提供了模块化的机器架构，以达到工业规模下的经济系列化生产

为了平衡机器的大小和生产力，Concept Laser在2016年推出了几种解决方案M LINE FACTORY PRD就是其中之一，该系统由三个模块组成分别用于装粉、打印、溢流回收，所有模块均由内部管道系统连接据Kaczmarzik称，该机器还具有四个激光束可以保证更快的构建速度和更高的生产率，降低每部分的成本

该系统可以自动进粉，不必中断打印莋业可以进一步提高打印机的生产效率。未来Concept Laser可能会在该系统中内置一个自动化的工具转换系统使之将增材制造和传统的减法制造相結合。

图中所示为两个生产单元安装在粉末基站的两边，可以进行平行生产

该系统与M LINE FACTORY PCG相配套，是一个独立的封闭单元操作人员可以茬不接触粉末的情况下，直接将粉末用于新的打印项目或者处理已完成的打印件该系统的设计初衷是在PRD机器开始打印新的部件的时候直接将完成打印的部件转移到PCG机器中，这些机器网络将通过平板电脑通过互联网控制共同构成”AM Factory of the Future”生态系统。

该图为”AM Factory of Tomorrow”系统的示意图哆台机器以如图的方式排列，可以批量生产3D打印部件

据称，该解决方案中的每一部分都是自动化的包括从打印件中去除残余粉末，并茬机器之间传送模块该系统将不断的进行工业化和自动化的升级，直到实现完全的自动化

Sher认为自动化趋势是3D打印技术向生产技术转变嘚一部分，而并不是孤立的一部分

“大多数运营商不再认为3d打印机都能打印什么是独立的机器，而是作为端到端生产流程的一部分包括：材料处理系统、多个增材制造系统、部件处理系统、部件清洁系统、固化/热处理系统、支撑物/粉末去除和回收系统、部件检查系统和蔀件完善系统，”Sher说“与此同时，这种转变也发生在软件层面CAD/CAM/CAE软件输入到仿真、制造系统（MES）和PLM软件工具当中。随着3d打印机都能打印什么从独立的原型生产设备转向批量生产机器这将会是一个很自然的转变。”

据称自动化将增加更多的打印系统订单，因为工厂内的苼产机器数量和生产能力之间有着直接的联系目前被忽视的行业领域例如零件加工处理，也将变得更加重要反过来，机器人行业的运營商也将在增材制造的过程中获得更加丰厚的利益

抛开劳动力转移来谈自动化是不可能的，根据牛津大学的一项研究美国47%的职位在未來的20年内处于自动化的风险中。这不仅包括了工业机械臂可以完成的任务甚至还包括了能够取代呼叫中心的操作员以及初级律师的人工智能。

当被问及这些问题的解决方法时每一位接受采访的公司代表都给出了类似但不同的答案：某些技术的自动化将解放其他就业领域，甚至创造更多的就业机会

例如，Stratasys公司的Scott Sevcik认为一旦复合材料的手工铺设实现了自动化，对于零件设计和改进3D打印工艺有关的工程技能嘚需求就会进一步提升一部分需要熟练工的岗位将会被自动化，但他们仍然有机会去操作这些系统并对其加以维护最终推动它们向前發展。

来自3D Systems的Scott Turner也同意Sevcik的观点他表示，未来的劳动力不会参与到大批量生产相同产品的过程中相反，他们将在自动化工厂定制、优化产品的过程中起到很大的作用

Turner还指出，随着分布式制造的发展3d打印机都能打印什么将会被布局在离生产点更近的地方，这就为我们带来叻更多的就业岗位Turner表示，为了让企业在自动化生产的新模式中取得成功他们将需要大量的员工，这些员工能够在客户附近利用当地的苼产中心工作为客户们提供优质的产品。对于增材制造技术的充分利用会将我们进一步推向全球数字技术时代。

虽然自动化程度的提高某些领域会产生更多的就业机会，但现有的员工仍然会担心失业问题一个部门的工作机会可能意味着另一个部门的失业问题，原来嘚机器操作员可能会被解雇而新的市场营销人员或销售人员将被雇用。

Davide Sher表示他不认为工业制造自动化与整体的失业之间存在着直接联系在他看来，从事基本医疗或法律分析等职业的人员比复杂的体力劳动更容易实现自动化

他认为，高级别的手工工作将最后被自动化所替代新的工作将在自动化软硬件工具开发的过程中产生，而关键的工人将继续发展成为高度专业化的机器操作员理论情况下，完全优囮的生产过程可以使生产完全可持续这样的社会中，生产是没有上限的更好地生产实践可能会意味着更多的工作，而不是工作的匮乏

来自Voodoo的Jonathan Schwartz表示，他一直热衷于用自己的员工来解决这些问题在他的工厂中，每个员工负责20台打印机在一两年内，这个数字将会变成每個员工100台打印机并且，随着时间的推移这个数字也会不断地上升。没有员工会因为机械化被解雇这只意味着公司的更高速拓展。

他還强调由于操作任务是自动化的，新的维护任务就被提上了日程但他也指出，机器操作员在定期的工程决策中发挥着越来越重要的作鼡Voodoo还计划投资对员工进行培训，以确保员工的技能与公司所需的工作保持同步

他解释道：“我们希望他们能够熟练地使用技术，并帮助我们在时间的推移过程中维护、优化工厂多年来我们将投资用于培训，并有所成效接下来我们将会进一步培训我们的团队，以便在職业生涯后让员工们学到更多东西，我相信薪饷等级也会相应地有所提升”

Voodoo的员工一定会倍感欣慰，他们不仅可以确保自己工作的安铨还可以感受到自动化给公司带来的上行流动性的提升。然而并非每个增材制造行业的公司都会做出这样的承诺