作為新興的數(shù)字生產(chǎn)技術(shù),3D打印的出現(xiàn)賺足了人們的眼球。《經(jīng)濟(jì)學(xué)家》日前刊文稱(chēng),3D打印與主流制造業(yè)的融合度越來(lái)越高,以下是文章全文。

透過(guò)窗戶看著RedEye將近100臺(tái)安靜地工作著的3D打

印機(jī),你就可以瞥見(jiàn)未來(lái)的工廠如何運(yùn)作。它們不僅僅是機(jī)器那么簡(jiǎn)單,他們制造的東西展示了這種革命性的生產(chǎn)過(guò)程如何成為主流制造方式。

3D打印機(jī)用一層特殊的材料逐層地創(chuàng)造實(shí)物,而不需要切割、鉆孔或者其他機(jī)械加工,因此該過(guò)程又被稱(chēng)為快速成型制造術(shù)。每個(gè)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(jī)器,這些優(yōu)點(diǎn)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(shí)體模型等等。

懷疑者認(rèn)為,3D打印的好處也就這么多了。富士康的郭臺(tái)銘稱(chēng),3D打印只是一種小把戲,在真實(shí)商品的生產(chǎn)過(guò)程中沒(méi)有商業(yè)價(jià)值。他還發(fā)誓,如果說(shuō)錯(cuò)了,名字倒著寫(xiě)。

郭先生說(shuō)對(duì)了一件事:快速成型制造術(shù)的目的不是代替量產(chǎn)。即便技術(shù)不斷進(jìn)步,一些打印物品的耐久性依然難以滿足生產(chǎn)商的要求。而且3D打印機(jī)也不能像生產(chǎn)線那樣制造成千上萬(wàn)相同的部件。即便如此,3D打印機(jī)也有自己的優(yōu)勢(shì),否則世界知名的大生產(chǎn)商,如通用電氣、福特、西門(mén)子、波音、空中客車(chē)也不會(huì)開(kāi)始使用。

3D打印的市場(chǎng)非常小,但增長(zhǎng)迅速。去年,其市值達(dá)到22億美元,比2011年增加29%。隨著生產(chǎn)商越來(lái)越熟悉這門(mén)技術(shù),他們可從模型迅速轉(zhuǎn)移到最終產(chǎn)品。去年,有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,25%的3D打印市場(chǎng)都是制造用于生產(chǎn)的“準(zhǔn)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(chǎn)量的商品,比如專(zhuān)業(yè)制藥設(shè)備或者造紙?jiān)O(shè)備的零部件。其他的零部件,如3D打印的生產(chǎn)工具實(shí)際上可以增強(qiáng)制造業(yè)的量產(chǎn)能力:寶馬生產(chǎn)線的工人設(shè)計(jì)和打印了定制工具,這樣汽車(chē)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(yè)組建試驗(yàn)性的生產(chǎn)線;有時(shí)需要幾周才能更換的零件,3D打印的模型也可臨時(shí)派上用場(chǎng);一些難以找的備用件也可以3D打印,它曾幫一個(gè)美國(guó)航班的幾架老式飛機(jī)成功起航。

RedEye的經(jīng)理蒂姆·澤林(Tim Thellin)說(shuō),隨著3D打印技術(shù)和材料的進(jìn)步,模型的成品質(zhì)量也不斷提高,簡(jiǎn)直與傳統(tǒng)工廠制造的樣品沒(méi)有區(qū)別。盡管?chē)@桌面式3D打印機(jī)天花亂墜的宣傳都瞄準(zhǔn)消費(fèi)者和愛(ài)好者,但大型的工業(yè)級(jí)打印機(jī)才能滿足打印大體積物品的需求,而且這是傳統(tǒng)塑料注射成型機(jī)難以做到的事情。

RedEye一些3D打印機(jī)不對(duì)客人開(kāi)放,因?yàn)樗鼈冎圃斓奈锲泛蛧?guó)防有關(guān)或者具有較高的商業(yè)敏感性。有一臺(tái)打印機(jī)為RedEye母公司Stratasys生產(chǎn)的3D打印機(jī)制造零部件。Stratasys和另一家叫做3D Systems的公司是3D打印市場(chǎng)中的領(lǐng)導(dǎo)者。

總部位于南加州的3D Systems公司有很多利用3D打印機(jī)制造成品的例子。最早采用這項(xiàng)技術(shù)的是醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)。在這一領(lǐng)域,大量的定制服務(wù)很有必要,畢竟每個(gè)病人的情況不盡相同。3D Systems的市場(chǎng)總監(jiān)凱茜·劉易斯(Cathy Lewis)說(shuō),數(shù)百萬(wàn)的病人內(nèi)耳掃描后經(jīng)3D打印制成助聽(tīng)器的外殼。最初,外殼通過(guò)3D模型去澆注。后來(lái)當(dāng)不刺激皮膚的材料出現(xiàn)后,它們可以直接打印。

在另一個(gè)例子中,3D Systems與Align Technology建立合作關(guān)系。Align生產(chǎn)成套的透明塑料牙齒矯正器,而非傳統(tǒng)的金屬支架。醫(yī)生對(duì)病人的口腔掃描后可設(shè)計(jì)治療方案。掃描過(guò)程會(huì)產(chǎn)生一份數(shù)字文件,可用于打印20個(gè)模型。每個(gè)模型都稍稍不同,通過(guò)它們可以制造一整套的塑料支架。戴上它們幾個(gè)月后,病人的牙齒就會(huì)慢慢矯正。去年,Align打印了1700萬(wàn)塑料支架。

在航空業(yè)大顯身手

產(chǎn)量教低的航空制造業(yè)也采用3D技術(shù),它們打印的通常都不是關(guān)鍵部件,但這一切很快會(huì)得到改善。3D Systems表示,現(xiàn)在一架普通的F-18戰(zhàn)斗機(jī)可能包含90個(gè)3D打印部件,即便這架F-18可能服役了20年。這是因?yàn)楦鼡Q的部件,如駕駛員座艙和通風(fēng)道的部件現(xiàn)在都是3D打印成品;而新服役的F-35大約有900個(gè)部件適合3D打印。

3D打印對(duì)通用電氣從能源到醫(yī)療健康的多項(xiàng)業(yè)務(wù)都有很大的重要性,而且它打算將多項(xiàng)3D打印技術(shù)作為內(nèi)部技術(shù)以保持競(jìng)爭(zhēng)力。2011年11月,通用電氣收購(gòu)快速成型制造商Morris Technologies。除此之外,Morris還為無(wú)人航空設(shè)備制造輕質(zhì)零部件。這項(xiàng)技術(shù)吸引通用電氣的原因之一就是它有潛力制造復(fù)雜的輕質(zhì)零部件,這是傳統(tǒng)生產(chǎn)方式脫離特殊材料難以實(shí)現(xiàn)的。2020年前,通用電氣有望為其噴氣式飛機(jī)打印成千上萬(wàn)的零部件。

這些技術(shù)優(yōu)勢(shì)都在中國(guó)得到應(yīng)用。隨著人力成本的增長(zhǎng),北京一些工廠將快速成型制造作為升級(jí)生產(chǎn)基地的方法。雖然中國(guó)的技術(shù)不如美國(guó)先進(jìn),但中國(guó)有更大的雄心。

中國(guó)多數(shù)3D打印業(yè)務(wù)與傳統(tǒng)工廠很好地契合。例如北京隆源自動(dòng)裝配系統(tǒng)利用一種叫做激光燒結(jié)的3D打印技術(shù),以特殊處理的鑄造砂制造模型,之后模型被送到傳統(tǒng)的鑄造廠以傳統(tǒng)方式澆鑄金屬部件。如此一來(lái),模型車(chē)引擎所用的全部零件僅需幾周就能完成,而不是原來(lái)的數(shù)月時(shí)間。

世界上某些最大的3D打印機(jī)可在中國(guó)找到。中國(guó)宇航員的3D打印座椅就是依據(jù)其身材而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的。

打印電路板成為可能

當(dāng)3D打印具備直接打印電路板的功能后,它作為生產(chǎn)工具的價(jià)值還將進(jìn)一步提升。迪斯尼、施樂(lè)和英國(guó)GKN航空航天公司都在實(shí)驗(yàn)這種加工方法。在與沃里克大學(xué)的合作項(xiàng)目中,GKN研發(fā)出一種叫做碳素(carbomorph)的材料。當(dāng)受到壓力時(shí),它表現(xiàn)出電氣阻抗的變化。它可以用來(lái)打印開(kāi)關(guān)、按鈕和傳感器。

美國(guó)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(dǎo)線、電阻、電容和半導(dǎo)體均可以這樣制造,尺寸可精確到10微米。Optomec目前已經(jīng)試著將LED照明系統(tǒng)打印到墻紙里,另外也在打印飛機(jī)機(jī)翼的控制電路。

Optomec還和幾家移動(dòng)電話生產(chǎn)商合作,嘗試直接打印手機(jī)電路。最新款的智能手機(jī)包含用于移動(dòng)電話、Wi-Fi、藍(lán)牙和GPS功能的多種天線。它們的化學(xué)加工過(guò)程對(duì)環(huán)境造成污染。Optomec可利用一種導(dǎo)電的含銀墨水直接打印天線,中國(guó)某公司的生產(chǎn)線上最近就安裝了類(lèi)似的試驗(yàn)性打印系統(tǒng)。

Optomec研發(fā)實(shí)驗(yàn)室的主人邁克爾·雷恩(Michael Renn)預(yù)測(cè)稱(chēng),大多數(shù)電子元器件可以直接打印至產(chǎn)品內(nèi)。不過(guò),盡管該系統(tǒng)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(shù)量達(dá)幾十億的微型三極管。它們依然要通過(guò)傳統(tǒng)方法獲得,然后嵌入3D打印的成品。

3D打印并非完美無(wú)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(chē)的儀表盤(pán)。不過(guò)速度是相對(duì)而言的,量產(chǎn)和一次性模型對(duì)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(shù)的生產(chǎn)商會(huì)以每公斤2美元的價(jià)格大批量采購(gòu)ABS;但作為3D打印機(jī)的粉末,其價(jià)格達(dá)到每公斤80美元。

造成價(jià)格差的部分原因之一是3D打印對(duì)純度和成分的要求較高。當(dāng)然更大的原因是,很多3D打印機(jī)制造商要求用戶從他們那里購(gòu)買(mǎi)原材料,并借此抬高價(jià)格。業(yè)內(nèi)人士稱(chēng),當(dāng)?shù)谌降墓?yīng)商進(jìn)入這一行業(yè)時(shí),局面會(huì)有所改觀。此外,諸如通用電氣等大型生產(chǎn)商正在設(shè)計(jì)的可定制化3D打印系統(tǒng)需要多個(gè)供應(yīng)商的設(shè)備和材料。

麥肯錫發(fā)布的報(bào)告稱(chēng),隨著早先涉及3D打印技術(shù)的專(zhuān)利于2009年失效后,能夠刺激3D行業(yè)發(fā)展的因素是價(jià)格的降低和競(jìng)爭(zhēng)的加強(qiáng)。一些打印機(jī)的價(jià)格已經(jīng)跌至1000美元以下。

整個(gè)行業(yè)也正在合并。去年,Stratasys并購(gòu)了以色列Objet ;6月份這家公司又收購(gòu)MakerBot;7月份,3D Systems購(gòu)買(mǎi)激光燒結(jié)技術(shù)法國(guó)供應(yīng)商Phenix Systems81%的股份。

隨著有關(guān)激光燒結(jié)技術(shù)專(zhuān)利的失效,2014年將會(huì)進(jìn)入3D的打印技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)加劇的新階段。激光燒結(jié)技術(shù)可以用塑料、金屬和陶瓷打印細(xì)節(jié)更豐富的成品,而不僅僅是模型。

與傳統(tǒng)制造相輔相成

與此同時(shí),3D打印對(duì)普通大眾越來(lái)越具備實(shí)用性。紐約的Shapeways、法國(guó)的Sculpteo和比利時(shí)的Materialise可為外科醫(yī)生打印醫(yī)療植入設(shè)備,可為建筑師打印建筑模型,可為工業(yè)機(jī)器人打印輕質(zhì)零件。

如果郭先生的生產(chǎn)線遇到小麻煩,這些公司可以幫上忙。Sculpteo的老板稱(chēng),有一個(gè)大型的中國(guó)制造商正組建新的生產(chǎn)線,但是發(fā)現(xiàn)一些塑料部件忘記訂購(gòu)。面對(duì)項(xiàng)目將拖延幾周的風(fēng)險(xiǎn),他們選擇了3D打印技術(shù)。Sculpteo 數(shù)天內(nèi)就發(fā)貨5000個(gè)塑料部件。這個(gè)例子不是說(shuō)3D技術(shù)與傳統(tǒng)的制造技術(shù)相抗衡,而是表明它可與傳統(tǒng)技術(shù)“相輔相成”。當(dāng)3D可以解決量產(chǎn)遇到的問(wèn)題時(shí),它在工廠未來(lái)的地位就得到保障。