前沿科技之3D打印未來新世界

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美國科幻作家羅伯特·希克利曾經(jīng)寫過一個“萬能制造機”的故事，故事里的人們帶著一臺“萬能制造機”飛往太空。這是一臺奇特的大機器，機身上雜亂地安裝著刻度盤、小燈和各種指示表。故事的主角之一阿諾爾德站在機器前，按下按鈕，對它響亮而清楚地說：“我要硬鋁螺帽，直徑為4英寸。”接到指令，機器發(fā)出低沉的轟鳴聲，燈光閃爍，閘板緩緩打開，眼前赫然出現(xiàn)了一顆閃光發(fā)亮已經(jīng)制好的螺帽。接著，這臺機器就像神奇的阿拉丁神燈，為他們送來了活蹦亂跳的大蝦、礦泉水、手表和沙拉醬。

盡管，“想要什么就生產(chǎn)什么”的現(xiàn)實還遠(yuǎn)沒有科幻小說描述的那般輕松隨意，但現(xiàn)在，通過3D打印技術(shù)生產(chǎn)小零件、食物、自行車、建筑甚至人的皮膚、腎臟等都已不再是天方夜譚，稱之為“萬能制造機”并不為過。

3D 打印的原理很簡單，首先 3D 打印機將物品轉(zhuǎn)化為 3D 數(shù)據(jù)，然后再逐層分切，針對分切的每一層構(gòu)建，分層打印。打印時，粉末會一層層地被特殊的膠水粘合，按照不同的橫截面圖案固化，一層層疊加，像做蛋糕那樣創(chuàng)建三維實體，最終一個完整的物品就會在粉末槽里成型。這種技術(shù)的優(yōu)點在于它不需要一家工廠來運作，小件物品可以直接由小型 3D打印機打印制作；而稍大的物品，比如自行車車架、汽車板、飛機零件、建筑零件等。則需要更大的3D打印機和更大的空間。

《經(jīng)濟學(xué)人》雜志評價說：“偉大發(fā)明所能帶來的影響，在當(dāng)時那個年代都是難以預(yù)測的，1750 年的蒸汽機如此，1450年的印刷術(shù)如此，1950 年的晶體管也是如此。而今，我們?nèi)匀粺o法預(yù)測，3D 打印將在漫長的時光里如何改變這個世界。”

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這些系統(tǒng)用金屬粉末打印機械部件，可用于制備更輕、更高效的飛機。

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9 Z' b4 D6 _5 o' L圖中前后：兩個版本的鉸鏈，都是用于噴氣發(fā)動機蓋，這說明3-D打印的性能。后面的一個是用傳統(tǒng)制造方法制成。前面的是打印成的形狀，重量只有一半。來源：保羅•麥克木林（Paul McMullin）

克里斯•特納（Chris Turner）是歐洲宇航防務(wù)集團創(chuàng)新中心（EADS Innovation Works）的工程師，在英國布里斯托爾（Bristol）附近，他在扭轉(zhuǎn)一臺黑色箱型機器上的杠桿，觀察窗打開，露出一個暗腔，平臺上覆蓋著灰色粉末。一束看不見的光束掃描整個粉末，火花飛濺。這臺箱體是一臺加層制造機，有時稱為3-D打印機，它正在制造部件，用于空中客車A380（Airbus A380）客機。歐洲宇航防務(wù)集團創(chuàng)新中心擁有空中客車公司（Airbus），希望可以改變制造業(yè)。除其他益處外，它生產(chǎn)的零部件可以使飛機更輕，所以消耗燃料更少。
三維打印機可以制成復(fù)雜的形狀，這些形狀用傳統(tǒng)技術(shù)就不能制成。然而，直到最近，他們?nèi)匀粺o法打印堅固、耐用的對象。特納正在使用的機器，可以用高檔金屬制成復(fù)雜的形狀，這一進(jìn)展使研究人員可以應(yīng)用3-D打印的設(shè)計性能，用于機械零件。打印機使用軟件，算出部件在哪些部位需要承受重量，并把材料正好放在這些部位，這可以使整個部件重量減半，同時不犧牲強度。這會節(jié)省能源、金屬和資金。這樣制成的復(fù)雜、彎曲的形狀，不能用模具鑄造，也不能用更大的塊狀材料刻出來，即使用最先進(jìn)的電腦控制工具也不行，但它們可以打印出來，相繼添加的各層有幾十微米厚。
& ]1 M6 H. e% y- ?特納正在測試，打印的部件是否可承受用于飛機、直升機和飛船。“一旦我們了解這一點，我們就可以擴大規(guī)模，”他說。“我們可以使它適應(yīng)制造大型飛機部件。”可能包括翼梁，就是支持雙翼的長梁。
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歐特克(Autodesk)，一家總部設(shè)在美國加利福尼亞州圣拉斐爾（San Rafael, California）的跨國軟件公司，致力于開發(fā)從汽車制造業(yè)巨頭到好萊塢制片廠的每個人都會使用的3-D設(shè)計軟件。現(xiàn)在它斷言，這些數(shù)碼工具將在工廠車間里扮演日益重要的角色，使制造商能夠采用更加靈活的策略以提供更加個性化的產(chǎn)品。
, r# [/ U# u* [) W/ {+ y% Y$ u該公司制造業(yè)團隊的領(lǐng)導(dǎo)巴斯·克羅斯（Buzz Kross）說，成本增長正伴隨著中國經(jīng)濟的日漸成熟和與外包部分的那些廣為人知的問題，就像那些困擾波音787的問題一樣，導(dǎo)致高產(chǎn)量、低成本的外包生產(chǎn)模式的經(jīng)濟吸引力降低。其結(jié)果就是，大量企業(yè)正在考慮采取更靈活、優(yōu)質(zhì)的制造方法，盡管這些方法以前由于受限而相對小眾。克羅斯正試圖用軟件幫助推動這一趨勢。
“你不需要再將中心放在用絕對最便宜的價格生產(chǎn)數(shù)以百萬計的相同產(chǎn)品上。”克羅斯說。他提到了日益普及的一種被稱為“ETO”(engineer to order)的模式，使企業(yè)通過參考一個一般規(guī)則的列表，而不是一個目錄和價格列表，來向制造商下訂單。對于每一個訂單，制造商根據(jù)非常具體的客戶需求來生產(chǎn)和組裝產(chǎn)品。這種方法還降低了成本，因為原材料和零部件都無需儲存，而是可以根據(jù)最新訂單采購。而定制的產(chǎn)品可以制定一個比傳統(tǒng)制法更高的價格，克羅斯說：“這樣企業(yè)們就能夠抓住顧客錢包里的大頭。”
% w0 L2 t9 L0 F& o; k這種制造風(fēng)格使得設(shè)計過程-和設(shè)計軟件更為重要。克羅斯說，3D 打印技術(shù)將進(jìn)一步模糊設(shè)計和制造之間的界線。克羅斯說：“每個人都已經(jīng)采用它來進(jìn)行樣品制作。你已經(jīng)可以打印可移動的組件，以及不需要任何裝配的子組件。無論你是要制造泵、發(fā)動機還是椅子，這一點都是非常有用的。”耐克是歐特克的客戶，他們根據(jù)鞋底的每個部分所需的彈性和柔軟度使用打印機打出或多或少具有可壓縮性的材料來制作樣鞋。
( t6 v* I+ [- I2 A& F& ~" o0 o6 e克羅斯說，下一步是將3-D打印作為制造方法，而不是單純的樣品制作工具。小型公司已經(jīng)開始嘗試，但相信要不了多久大型制造商便會開始紛紛效仿。克羅斯說：“想想看，當(dāng)你購買戴爾電腦時，他們讓你選擇所有不同的組件。3-D打印生產(chǎn)將允許你擁有這一切，而且提供幾乎無限的選擇。”
: a  g, _1 ?: J* b; v$ g這個生產(chǎn)過程可能使制造商的成本高于用傳統(tǒng)方法或離岸工廠進(jìn)行生產(chǎn)的成本。克羅斯說，正如ETO方法一般，更加個性化的產(chǎn)品能夠得到更高的價格。他認(rèn)為，珠寶、家具和電子消費品都是能夠受益于新技術(shù)的領(lǐng)域。他說：“人們不喜歡擁有同樣的東西，因而會付更高的價錢來得到他們精確選擇的物品。”

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三維立體打印技術(shù)（3-D printing）的愛好者可能是其最早的使用者，然而當(dāng)DIY狂熱者創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)社區(qū)展示他們自己制作的塑料小玩意兒和玩偶時，工業(yè)制造商從三維立體印刷的新材料和新技術(shù)中找到了轉(zhuǎn)變他們生產(chǎn)商業(yè)產(chǎn)品方式的方法。
+ h" c' x, m4 g) D: O" `4 B三維立體打印機（3-D printer ）在工作時會按形狀要求在每一層上堆積熱塑性塑料，材料冷卻后再移到下一層，層層累積疊加直至完成一個三維物體。根據(jù)同樣的分層原理，快速成型制造技術(shù)（ additive manufacturing ）利用金屬、塑料以及陶瓷等材料能夠構(gòu)建出其他制造技術(shù)無法實現(xiàn)的幾何形狀零件。由于采用數(shù)字化設(shè)計方式，企業(yè)可以在任何可用的三維立體打印機上定制出想要的產(chǎn)品。
2 I# l+ N; b0 Y1 m2011年5月，通用電氣公司（ General Electric ）宣布，將“著重加強” 快速成型制造技術(shù)，用來開發(fā)從飛機發(fā)動機部件到超聲儀器的零件等多種產(chǎn)品。而其他大型制造商也已使用該項技術(shù)制造工業(yè)掃描儀、家具以及醫(yī)療器械。
4 k# F9 ]* Q* i  c( r' M9 O巴特·范·德·索爾倫 （ Bart Van der Schueren ）是比利時一家快速成型制造公司材料實現(xiàn) (Materialise)的執(zhí)行副總裁， 他認(rèn)為快速成型制造技術(shù)所開拓的化學(xué)和印刷工藝的進(jìn)步超越了快速成型設(shè)備原型機本身。例如，在立體光刻技術(shù)中，液態(tài)聚合物經(jīng)過激光逐層掃描照射后會燒結(jié)硬化。利用這種技術(shù)可以使三維立體打印機創(chuàng)建出光滑細(xì)致的表面。

' ^5 M6 l5 w" I3 U; A然而，由于快速成型制造技術(shù)不需要工廠生產(chǎn)線，能夠?qū)⒁粋€單純的計算機文件轉(zhuǎn)換成為確切規(guī)格的產(chǎn)品，因此，它為企業(yè)提供了商機。 云工廠（CloudFab）是一家2009年成立于舊金山的公司，它主要向顧客和企業(yè)提供設(shè)計軟件和利用三維打印機制作產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。用戶通過網(wǎng)絡(luò)把設(shè)計文件上傳給云工廠，并授權(quán)，然后云工廠將訂單委托給其三維立體打印合作商。
根據(jù)行業(yè)分析公司沃勒斯協(xié)會（ Wohlers  Associates）的估計，世界各地有100多家公司從事多種類型的三維快速成型制造行業(yè)。然而，許多公司仍然只提供原型服務(wù)。并且，快速成型制造技術(shù)也存在缺陷：不能制作超過一定大小的產(chǎn)品，不能加工所有的材料，很難使用多種材料生產(chǎn)一件產(chǎn)品。
云工廠的創(chuàng)始人尼克·平克斯頓 （Nick Pinkston）提到，公司自成立以來，每月的訂單量都會增加10％，迄今已完成了2萬份訂單。 “數(shù)字化制造潮流、單獨制作產(chǎn)品的能力以及將其引入市場是一件大事。”平克斯頓說，“我們的目標(biāo)是使產(chǎn)品設(shè)計師和工業(yè)設(shè)計師成為新的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計師。
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xiaoyetongxu

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