任智豪

（陜西省建筑設(shè)計研究院（集團）有限公司，西安 710000）

人們對光照的需求從原始社會開始一直延續(xù)到今天，照明的手段和方式隨著社會發(fā)展和生產(chǎn)力的進步而不斷更迭。工業(yè)革命后，白熾燈的出現(xiàn)使照明與工業(yè)結(jié)合。照明工業(yè)的發(fā)展與科技進步有密不可分的關(guān)系。

照明工業(yè)最近的一次變革是隨著LED技術(shù)的出現(xiàn)而發(fā)生的，LED發(fā)光技術(shù)從出現(xiàn)到不斷成熟，已經(jīng)深刻影響了現(xiàn)代社會的生活和照明工業(yè)的走向。根據(jù)《2020中國半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展藍皮書》，半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)在中國大陸的整體產(chǎn)值為7 013億元，中國已成為全球半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)最大的生產(chǎn)和出口國。LED廣泛應(yīng)用于文旅照明、車用市場、生物醫(yī)療等領(lǐng)域，如OLED尾燈、Mini-LED背光和顯示技術(shù)、LED植物光照、紫外LED殺菌消毒技術(shù)等。照明工業(yè)隨技術(shù)進步而不斷發(fā)展，同時也促進技術(shù)的進步。中國第三代半導(dǎo)體材料成功產(chǎn)業(yè)化的突破口便是照明工業(yè)［1］。

1 3D打印技術(shù)

在全球產(chǎn)業(yè)格局發(fā)生重大調(diào)整的背景下，照明產(chǎn)業(yè)也不斷轉(zhuǎn)型升級?！吨袊圃?025》提出，力爭通過3個10年的努力，把中國建設(shè)成為引領(lǐng)世界制造業(yè)發(fā)展的制造強國，提出“科技創(chuàng)新2030—重大項目”。其中，智能制造和機器人項目的具體內(nèi)容為：“以智能、高效、協(xié)同、綠色、安全發(fā)展為總目標(biāo)，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造平臺，研發(fā)智能機器人、高端成套裝備、三維（3D）打印等裝備，夯實制造基礎(chǔ)保障能力?！?/p>

3D打印基于計算機內(nèi)的數(shù)字模型，通過數(shù)字控制噴頭或打印頭制造物體。與切削等減法制造工藝不同，3D打印將材料層層疊加，從而實現(xiàn)數(shù)字模型實體化，因此，3D打印技術(shù)也被稱為增材制造技術(shù)（Additive Manufacturing）。通常情況下，3D打印表示增材制造技術(shù)，在特制設(shè)備時，3D打印是指相對價格或總體功能低端的增材制造設(shè)備［2］。

到目前為止，3D打印技術(shù)主要應(yīng)用在傳統(tǒng)制造業(yè)，包括汽車工業(yè)、電子消費品、航空工業(yè)和醫(yī)學(xué)產(chǎn)業(yè)，在照明產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用占比并不高。根據(jù)Wohlers Associates公司發(fā)布的2020年增材制造年度報告顯示，在目前應(yīng)用3D打印的多個行業(yè)中，汽車工業(yè)占比最大，為16.4%，電子消費品占比15.4%，航空航天產(chǎn)業(yè)占比14.7%，醫(yī)學(xué)和牙科產(chǎn)業(yè)占比13.9%，這四大產(chǎn)業(yè)占據(jù)了60%的市場份額。學(xué)術(shù)機構(gòu)、能源產(chǎn)業(yè)、政府和軍事機構(gòu)共占據(jù)了30%的份額。在余下不到10%的份額中建筑工程產(chǎn)業(yè)占據(jù)一半以上，照明產(chǎn)業(yè)和其他領(lǐng)域?qū)?D打印技術(shù)（增材制造）的應(yīng)用只占3.5%。目前來看，照明產(chǎn)業(yè)中的3D打印技術(shù)應(yīng)用還有很大的提升空間。

2 3D打印與LED照明

在4年前的夏天，奧迪公司宣布將3D打印技術(shù)用于汽車尾燈的制造。正如奧迪公司那句讓人耳熟能詳?shù)目谔枴巴黄瓶萍?啟迪未來”，將最新的技術(shù)應(yīng)用于設(shè)計和制作，用科技驅(qū)動產(chǎn)品進步，3D打印技術(shù)在尾燈的制作過程中展現(xiàn)出了驚人的價值。3D打印公司Stratasys為奧迪公司提供工業(yè)級的3D打印機，奧迪在德國的英戈爾施塔特（Ingolstadt）研發(fā)中心突破傳統(tǒng)工藝，利用世界上唯一的全彩3D打印機制作汽車尾燈的燈罩，尾燈的原型制作相較于傳統(tǒng)流程縮短了50%的時間。各種形狀的LED矩陣大燈或LED流水燈構(gòu)成了產(chǎn)品價值的重要一環(huán)，這些復(fù)雜的車燈奪人眼球的同時工藝復(fù)雜、價格昂貴，在批量化生產(chǎn)之前，先將設(shè)計意圖以物理模型和原型來呈現(xiàn)，通過實際的效果來比較選擇，對設(shè)計結(jié)果進行反饋。采用3D打印技術(shù)，奧迪的團隊打印出多色多材質(zhì)的透明零部件，將最細(xì)膩的設(shè)計紋路完美呈現(xiàn)，3D打印技術(shù)在LED燈具設(shè)計中的價值便由此體現(xiàn)。

LED照明除了應(yīng)用在大件工業(yè)制品上，更重要的應(yīng)用范疇為家用。從“科技服務(wù)生活”的角度出發(fā)，3D打印與LED照明結(jié)合，從家用領(lǐng)域入手服務(wù)于人們的生活。海爾電器與科勒廚衛(wèi)應(yīng)用3D打印技術(shù)已經(jīng)有20年的經(jīng)驗，他們將3D打印技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計和制作工藝中，取得了技術(shù)上的突破。在打印復(fù)雜的部件模型時，3D打印技術(shù)可以一次成型，成為最佳的選擇。在大量生產(chǎn)之前，首先運用3D打印技術(shù)進行部件的結(jié)構(gòu)、外觀和功能測試，節(jié)約了大量的時間成本和人力成本，相較于傳統(tǒng)的CNC機床，節(jié)省了60%以上的制作時間。在晚上下班之前將需要打印的部件數(shù)字模型輸入3D打印機，在早上上班時就可以得到高精度的成品。一盞LED燈具采用3D打印技術(shù)可以節(jié)省50%的制作時間，相同的時間可生產(chǎn)原來2倍數(shù)量的燈具，意味著企業(yè)付出的財務(wù)成本和人力成本不變，而生產(chǎn)的產(chǎn)品數(shù)量翻倍。

互聯(lián)網(wǎng)、5G等信息領(lǐng)域的技術(shù)進步與LED照明領(lǐng)域相結(jié)合，催生出了智能照明與智慧燈桿。雖然領(lǐng)域不同，在某種意義上3D打印技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)、5G一樣，都擁有無限潛能，在與LED照明領(lǐng)域融合后，可帶來巨大的變化和新的增長點。目前，智能照明和智慧燈桿作為熱門概念頻繁出現(xiàn)在各大展覽會上，投資規(guī)模和項目標(biāo)的額連年增長，這些得益于新技術(shù)的引入、新方法的融合、新概念的出現(xiàn)?；ヂ?lián)網(wǎng)與LED照明結(jié)合，產(chǎn)生了智能照明，5G與LED照明結(jié)合，出現(xiàn)了智慧燈桿，3D打印與LED照明結(jié)合，將出現(xiàn)“智能制造”。3D打印從根本上改變了傳統(tǒng)的工業(yè)制造，是具有顛覆性的改變。傳統(tǒng)制造是在工廠中通過設(shè)計、建模、原型制作、設(shè)計定型后批量生產(chǎn)再投入市場的生產(chǎn)方式，而在引入3D打印后，設(shè)計、建模、原型制作均以數(shù)字模型為媒介，通過CAD技術(shù)直接實現(xiàn)原型制作，甚至可以跳過原型制作這一步驟，直接由用戶通過3D打印機制造個性化產(chǎn)品。同時通過對數(shù)字模型的開源，引入設(shè)計生產(chǎn)端和用戶需求端，將設(shè)計生產(chǎn)和市場需求直接連通，有效避免生產(chǎn)與市場的脫節(jié)。

3D打印是一種低碳排放的制造過程，這不僅是設(shè)計生產(chǎn)中的低碳排放，而是整個產(chǎn)品生命周期內(nèi)的低碳排放，包括產(chǎn)品的設(shè)計生產(chǎn)、部件組裝、運輸及最后報廢處理的各個環(huán)節(jié)。使用3D打印機制造產(chǎn)品時，通過層層疊加的方法，產(chǎn)生的廢棄物少，對材料的利用率更高，這與LED照明的清潔屬性不謀而合。LED照明的巨大價值在于低能耗，相比傳統(tǒng)光源可直接節(jié)約50%的能源消耗，而3D打印將使LED燈具的生產(chǎn)過程更加清潔，需要的資源更少，減少整個生產(chǎn)過程的碳排放。相比傳統(tǒng)手段，用3D打印技術(shù)制作一個金屬燈具可減少75%的碳足跡，而采用可回收的聚酯材料，將更進一步降低整個產(chǎn)業(yè)的碳排放水平。諾丁漢大學(xué)對3D打印與傳統(tǒng)制造所留下的碳足跡進行了深入的對比研究，總體而言，3D打印制造對環(huán)境有益，其中至關(guān)重要的是優(yōu)化設(shè)計［3］。通過優(yōu)化設(shè)計，應(yīng)用3D打印生產(chǎn)的燈具減重一半以上，降低了產(chǎn)品運輸過程中的碳排放，進一步減少LED照明產(chǎn)品的碳足跡。中國在2020年第75屆聯(lián)合國大會上提出，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。3D打印憑借其清潔、綠色屬性，在LED照明產(chǎn)業(yè)的碳達峰、碳中和過程中發(fā)揮巨大作用。

Stratasys公司、HP公司、Protolabs公司、Ultimaker公司及Hubbell Lighting公司等企業(yè)和仁斯利爾理工大學(xué)的光學(xué)研究中心成立了“光學(xué)增材制造聯(lián)合體”，共同研究3D打印技術(shù)在照明領(lǐng)域的潛力，通過提供更高光效率和經(jīng)濟效益的燈具來提升居住環(huán)境品質(zhì)，通過本地化生產(chǎn)來改變供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu)，增加工作崗位，3D打印在照明工業(yè)的應(yīng)用也將從原型設(shè)計階段逐步過渡到量產(chǎn)階段。目前，仁斯利爾理工大學(xué)已經(jīng)用復(fù)合材料通過3D打印技術(shù)制作LED燈具散熱器和新型光學(xué)透鏡。這種方式生產(chǎn)的散熱器可滿足大多數(shù)中低功率LED燈具的散熱需求，用金屬材料打印的散熱器可滿足高功率LED系統(tǒng)的散熱要求。用目前成熟的材料可制作出可靠的反射光學(xué)鏡頭（reflective optics），但是制作出的透射鏡頭（transmissive optics）隨著時間推移會出現(xiàn)透射衰減。圖1中，用3D打印技術(shù)制作出的薄板光學(xué)透鏡照度均勻，易于清潔［4］。

圖1 新型薄板光學(xué)透鏡及其照度

中國目前也在利用3D打印技術(shù)開展照明領(lǐng)域的研究。浙江大學(xué)進行了3D打印高功率白光LED照明用熒光玻璃體研究，應(yīng)用3D打印技術(shù)制作出具有復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的熒光玻璃體，使用石英玻璃固化技術(shù)和無壓燒結(jié)技術(shù)制備了高性能的熒光玻璃，并在此基礎(chǔ)上與3D打印技術(shù)結(jié)合，成功制備了傳統(tǒng)燒結(jié)工藝難以制造的具有復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的熒光玻璃體。其他應(yīng)用還包括用3D打印技術(shù)制造小夜燈的燈箱、室內(nèi)滅蚊燈、ABS塑料浮標(biāo)等。劉李明等人對3D打印技術(shù)在汽車燈具設(shè)計中的應(yīng)用進行了探討，認(rèn)為3D打印技術(shù)會幫助汽車行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級。朱栩毅設(shè)計了一種具有照明功能的3D打印錐形介質(zhì)天線，是將通信天線隱藏在燈具內(nèi)的一種做法。3D打印技術(shù)日趨成熟，但與傳統(tǒng)制作技術(shù)相比，3D打印技術(shù)還有些重點的技術(shù)問題需要研究，包括3D打印的金屬零件內(nèi)部的氣孔、裂紋、夾雜、未融合等缺陷的控制，3D打印構(gòu)件的力學(xué)性能和尺寸精度，以及提高打印效率，降低打印成本等。解決這些問題將改變3D打印主要應(yīng)用于少量原型制作的現(xiàn)狀，使3D打印逐漸投入量產(chǎn)［5］。盡管3D打印還存在局限性，現(xiàn)在已經(jīng)有3D打印的LED燈具開始應(yīng)用在實際生活中。英國瑪莎百貨旗下的門店就裝配了1.1萬個昕諾飛的3D打印LED燈具，為顧客提供燈光沉浸式體驗。昕諾飛的3D打印工廠已在荷蘭、美國、印度、印度尼西亞等國家落地，昕諾飛也成為全球首家實現(xiàn)3D打印燈具規(guī)模化生產(chǎn)的照明公司。

3 結(jié)論

3D打印技術(shù)已經(jīng)在汽車工業(yè)、電子消費品、航空工業(yè)和醫(yī)學(xué)產(chǎn)業(yè)得到應(yīng)用，將3D打印應(yīng)用于LED照明產(chǎn)業(yè)將產(chǎn)生巨大價值。從大件工業(yè)品的制造和日常生活用品入手，3D打印與互聯(lián)網(wǎng)、5G等新技術(shù)將共同推動LED照明進入智能制造行業(yè)，并憑借其清潔屬性，助力LED照明產(chǎn)業(yè)碳達峰、碳中和目標(biāo)的實現(xiàn)。目前，已經(jīng)有多家企業(yè)和研究機構(gòu)在開展3D打印與LED照明相結(jié)合的研究。盡管3D打印還有相關(guān)技術(shù)問題需要解決，但已開始被應(yīng)用在實際照明中，3D打印將助力LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。