作為新興的數字生產技術,3D打印的出現賺足了人們的眼球。《經濟學家》日前刊文稱,3D打印與主流制造業的融合度越來越高,以下是文章全文。

透過窗戶看著RedEye將近100臺安靜地工作著的3D打

印機,你就可以瞥見未來的工廠如何運作。它們不僅僅是機器那么簡單,他們制造的東西展示了這種革命性的生產過程如何成為主流制造方式。

3D打印機用一層特殊的材料逐層地創造實物,而不需要切割、鉆孔或者其他機械加工,因此該過程又被稱為快速成型制造術。每個被打印物品所需的軟件稍稍不同,而且不需要昂貴的再加工機器,這些優點使得3D打印成為制造一次性物品的流行方式,特別適合模具、小裝置、實體模型等等。

懷疑者認為,3D打印的好處也就這么多了。富士康的郭臺銘稱,3D打印只是一種小把戲,在真實商品的生產過程中沒有商業價值。他還發誓,如果說錯了,名字倒著寫。

郭先生說對了一件事:快速成型制造術的目的不是代替量產。即便技術不斷進步,一些打印物品的耐久性依然難以滿足生產商的要求。而且3D打印機也不能像生產線那樣制造成千上萬相同的部件。即便如此,3D打印機也有自己的優勢,否則世界知名的大生產商,如通用電氣、福特、西門子、波音、空中客車也不會開始使用。

3D打印的市場非常小,但增長迅速。去年,其市值達到22億美元,比2011年增加29%。隨著生產商越來越熟悉這門技術,他們可從模型迅速轉移到最終產品。去年,有統計數據顯示,25%的3D打印市場都是制造用于生產的“準商品”。

這一切在RedEye公司初具雛形。在很多情況下,它們都是低產量的商品,比如專業制藥設備或者造紙設備的零部件。其他的零部件,如3D打印的生產工具實際上可以增強制造業的量產能力:寶馬生產線的工人設計和打印了定制工具,這樣汽車零部件的支撐和定位就容易些;3D打印的模具可以幫助企業組建試驗性的生產線;有時需要幾周才能更換的零件,3D打印的模型也可臨時派上用場;一些難以找的備用件也可以3D打印,它曾幫一個美國航班的幾架老式飛機成功起航。

RedEye的經理蒂姆·澤林(Tim Thellin)說,隨著3D打印技術和材料的進步,模型的成品質量也不斷提高,簡直與傳統工廠制造的樣品沒有區別。盡管圍繞桌面式3D打印機天花亂墜的宣傳都瞄準消費者和愛好者,但大型的工業級打印機才能滿足打印大體積物品的需求,而且這是傳統塑料注射成型機難以做到的事情。

RedEye一些3D打印機不對客人開放,因為它們制造的物品和國防有關或者具有較高的商業敏感性。有一臺打印機為RedEye母公司Stratasys生產的3D打印機制造零部件。Stratasys和另一家叫做3D Systems的公司是3D打印市場中的領導者。

總部位于南加州的3D Systems公司有很多利用3D打印機制造成品的例子。最早采用這項技術的是醫療衛生行業。在這一領域,大量的定制服務很有必要,畢竟每個病人的情況不盡相同。3D Systems的市場總監凱茜·劉易斯(Cathy Lewis)說,數百萬的病人內耳掃描后經3D打印制成助聽器的外殼。最初,外殼通過3D模型去澆注。后來當不刺激皮膚的材料出現后,它們可以直接打印。

在另一個例子中,3D Systems與Align Technology建立合作關系。Align生產成套的透明塑料牙齒矯正器,而非傳統的金屬支架。醫生對病人的口腔掃描后可設計治療方案。掃描過程會產生一份數字文件,可用于打印20個模型。每個模型都稍稍不同,通過它們可以制造一整套的塑料支架。戴上它們幾個月后,病人的牙齒就會慢慢矯正。去年,Align打印了1700萬塑料支架。

在航空業大顯身手

產量教低的航空制造業也采用3D技術,它們打印的通常都不是關鍵部件,但這一切很快會得到改善。3D Systems表示,現在一架普通的F-18戰斗機可能包含90個3D打印部件,即便這架F-18可能服役了20年。這是因為更換的部件,如駕駛員座艙和通風道的部件現在都是3D打印成品;而新服役的F-35大約有900個部件適合3D打印。

3D打印對通用電氣從能源到醫療健康的多項業務都有很大的重要性,而且它打算將多項3D打印技術作為內部技術以保持競爭力。2011年11月,通用電氣收購快速成型制造商Morris Technologies。除此之外,Morris還為無人航空設備制造輕質零部件。這項技術吸引通用電氣的原因之一就是它有潛力制造復雜的輕質零部件,這是傳統生產方式脫離特殊材料難以實現的。2020年前,通用電氣有望為其噴氣式飛機打印成千上萬的零部件。

這些技術優勢都在中國得到應用。隨著人力成本的增長,北京一些工廠將快速成型制造作為升級生產基地的方法。雖然中國的技術不如美國先進,但中國有更大的雄心。

中國多數3D打印業務與傳統工廠很好地契合。例如北京隆源自動裝配系統利用一種叫做激光燒結的3D打印技術,以特殊處理的鑄造砂制造模型,之后模型被送到傳統的鑄造廠以傳統方式澆鑄金屬部件。如此一來,模型車引擎所用的全部零件僅需幾周就能完成,而不是原來的數月時間。

世界上某些最大的3D打印機可在中國找到。中國宇航員的3D打印座椅就是依據其身材而專門設計的。

打印電路板成為可能

當3D打印具備直接打印電路板的功能后,它作為生產工具的價值還將進一步提升。迪斯尼、施樂和英國GKN航空航天公司都在實驗這種加工方法。在與沃里克大學的合作項目中,GKN研發出一種叫做碳素(carbomorph)的材料。當受到壓力時,它表現出電氣阻抗的變化。它可以用來打印開關、按鈕和傳感器。

美國新墨西哥州的Optomec提出一種叫做氣溶劑噴射(Aerosol Je)的電子打印方法。它將液體的電子材料噴成稠密的氣溶劑,然后用特殊方法逐層沉積。電路和元器件,如導線、電阻、電容和半導體均可以這樣制造,尺寸可精確到10微米。Optomec目前已經試著將LED照明系統打印到墻紙里,另外也在打印飛機機翼的控制電路。

Optomec還和幾家移動電話生產商合作,嘗試直接打印手機電路。最新款的智能手機包含用于移動電話、Wi-Fi、藍牙和GPS功能的多種天線。它們的化學加工過程對環境造成污染。Optomec可利用一種導電的含銀墨水直接打印天線,中國某公司的生產線上最近就安裝了類似的試驗性打印系統。

Optomec研發實驗室的主人邁克爾·雷恩(Michael Renn)預測稱,大多數電子元器件可以直接打印至產品內。不過,盡管該系統可以打印電阻和邏輯電路,它卻不能打印微處理器和其他芯片所需的、數量達幾十億的微型三極管。它們依然要通過傳統方法獲得,然后嵌入3D打印的成品。

3D打印并非完美無缺

快速成型制造也有其他局限性。首先,速度很慢——比如打印汽車的儀表盤。不過速度是相對而言的,量產和一次性模型對速度的要求是不一樣的。其次,材料成本也很高。丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)是最常用的3D打印材料。采用塑料注射成模技術的生產商會以每公斤2美元的價格大批量采購ABS;但作為3D打印機的粉末,其價格達到每公斤80美元。

造成價格差的部分原因之一是3D打印對純度和成分的要求較高。當然更大的原因是,很多3D打印機制造商要求用戶從他們那里購買原材料,并借此抬高價格。業內人士稱,當第三方的供應商進入這一行業時,局面會有所改觀。此外,諸如通用電氣等大型生產商正在設計的可定制化3D打印系統需要多個供應商的設備和材料。

麥肯錫發布的報告稱,隨著早先涉及3D打印技術的專利于2009年失效后,能夠刺激3D行業發展的因素是價格的降低和競爭的加強。一些打印機的價格已經跌至1000美元以下。

整個行業也正在合并。去年,Stratasys并購了以色列Objet ;6月份這家公司又收購MakerBot;7月份,3D Systems購買激光燒結技術法國供應商Phenix Systems81%的股份。

隨著有關激光燒結技術專利的失效,2014年將會進入3D的打印技術競爭加劇的新階段。激光燒結技術可以用塑料、金屬和陶瓷打印細節更豐富的成品,而不僅僅是模型。

與傳統制造相輔相成

與此同時,3D打印對普通大眾越來越具備實用性。紐約的Shapeways、法國的Sculpteo和比利時的Materialise可為外科醫生打印醫療植入設備,可為建筑師打印建筑模型,可為工業機器人打印輕質零件。

如果郭先生的生產線遇到小麻煩,這些公司可以幫上忙。Sculpteo的老板稱,有一個大型的中國制造商正組建新的生產線,但是發現一些塑料部件忘記訂購。面對項目將拖延幾周的風險,他們選擇了3D打印技術。Sculpteo 數天內就發貨5000個塑料部件。這個例子不是說3D技術與傳統的制造技術相抗衡,而是表明它可與傳統技術“相輔相成”。當3D可以解決量產遇到的問題時,它在工廠未來的地位就得到保障。