作为新兴的数字生产技术,3D打印的出现赚足了人们的眼球。《经济学家》日前刊文称,3D打印与主流制造业的融合度越来越高,以下是文章全文。

透过窗户看着RedEye将近100台安静地工作着的3D打

印机,你就可以瞥见未来的工厂如何运作。它们不仅仅是机器那么简单,他们制造的东西展示了这种革命性的生产过程如何成为主流制造方式。

3D打印机用一层特殊的材料逐层地创造实物,而不需要切割、钻孔或者其他机械加工,因此该过程又被称为快速成型制造术。每个被打印物品所需的软件稍稍不同,而且不需要昂贵的再加工机器,这些优点使得3D打印成为制造一次性物品的流行方式,特别适合模具、小装置、实体模型等等。

怀疑者认为,3D打印的好处也就这么多了。富士康的郭台铭称,3D打印只是一种小把戏,在真实商品的生产过程中没有商业价值。他还发誓,如果说错了,名字倒着写。

郭先生说对了一件事:快速成型制造术的目的不是代替量产。即便技术不断进步,一些打印物品的耐久性依然难以满足生产商的要求。而且3D打印机也不能像生产线那样制造成千上万相同的部件。即便如此,3D打印机也有自己的优势,否则世界知名的大生产商,如通用电气、福特、西门子、波音、空中客车也不会开始使用。

3D打印的市场非常小,但增长迅速。去年,其市值达到22亿美元,比2011年增加29%。随着生产商越来越熟悉这门技术,他们可从模型迅速转移到最终产品。去年,有统计数据显示,25%的3D打印市场都是制造用于生产的“准商品”。

这一切在RedEye公司初具雏形。在很多情况下,它们都是低产量的商品,比如专业制药设备或者造纸设备的零部件。其他的零部件,如3D打印的生产工具实际上可以增强制造业的量产能力:宝马生产线的工人设计和打印了定制工具,这样汽车零部件的支撑和定位就容易些;3D打印的模具可以帮助企业组建试验性的生产线;有时需要几周才能更换的零件,3D打印的模型也可临时派上用场;一些难以找的备用件也可以3D打印,它曾帮一个美国航班的几架老式飞机成功起航。

RedEye的经理蒂姆·泽林(Tim Thellin)说,随着3D打印技术和材料的进步,模型的成品质量也不断提高,简直与传统工厂制造的样品没有区别。尽管围绕桌面式3D打印机天花乱坠的宣传都瞄准消费者和爱好者,但大型的工业级打印机才能满足打印大体积物品的需求,而且这是传统塑料注射成型机难以做到的事情。

RedEye一些3D打印机不对客人开放,因为它们制造的物品和国防有关或者具有较高的商业敏感性。有一台打印机为RedEye母公司Stratasys生产的3D打印机制造零部件。Stratasys和另一家叫做3D Systems的公司是3D打印市场中的领导者。

总部位于南加州的3D Systems公司有很多利用3D打印机制造成品的例子。最早采用这项技术的是医疗卫生行业。在这一领域,大量的定制服务很有必要,毕竟每个病人的情况不尽相同。3D Systems的市场总监凯茜·刘易斯(Cathy Lewis)说,数百万的病人内耳扫描后经3D打印制成助听器的外壳。最初,外壳通过3D模型去浇注。后来当不刺激皮肤的材料出现后,它们可以直接打印。

在另一个例子中,3D Systems与Align Technology建立合作关系。Align生产成套的透明塑料牙齿矫正器,而非传统的金属支架。医生对病人的口腔扫描后可设计治疗方案。扫描过程会产生一份数字文件,可用于打印20个模型。每个模型都稍稍不同,通过它们可以制造一整套的塑料支架。戴上它们几个月后,病人的牙齿就会慢慢矫正。去年,Align打印了1700万塑料支架。

在航空业大显身手

产量教低的航空制造业也采用3D技术,它们打印的通常都不是关键部件,但这一切很快会得到改善。3D Systems表示,现在一架普通的F-18战斗机可能包含90个3D打印部件,即便这架F-18可能服役了20年。这是因为更换的部件,如驾驶员座舱和通风道的部件现在都是3D打印成品;而新服役的F-35大约有900个部件适合3D打印。

3D打印对通用电气从能源到医疗健康的多项业务都有很大的重要性,而且它打算将多项3D打印技术作为内部技术以保持竞争力。2011年11月,通用电气收购快速成型制造商Morris Technologies。除此之外,Morris还为无人航空设备制造轻质零部件。这项技术吸引通用电气的原因之一就是它有潜力制造复杂的轻质零部件,这是传统生产方式脱离特殊材料难以实现的。2020年前,通用电气有望为其喷气式飞机打印成千上万的零部件。

这些技术优势都在中国得到应用。随着人力成本的增长,北京一些工厂将快速成型制造作为升级生产基地的方法。虽然中国的技术不如美国先进,但中国有更大的雄心。

中国多数3D打印业务与传统工厂很好地契合。例如北京隆源自动装配系统利用一种叫做激光烧结的3D打印技术,以特殊处理的铸造砂制造模型,之后模型被送到传统的铸造厂以传统方式浇铸金属部件。如此一来,模型车引擎所用的全部零件仅需几周就能完成,而不是原来的数月时间。

世界上某些最大的3D打印机可在中国找到。中国宇航员的3D打印座椅就是依据其身材而专门设计的。

打印电路板成为可能

当3D打印具备直接打印电路板的功能后,它作为生产工具的价值还将进一步提升。迪斯尼、施乐和英国GKN航空航天公司都在实验这种加工方法。在与沃里克大学的合作项目中,GKN研发出一种叫做碳素(carbomorph)的材料。当受到压力时,它表现出电气阻抗的变化。它可以用来打印开关、按钮和传感器。

美国新墨西哥州的Optomec提出一种叫做气溶剂喷射(Aerosol Je)的电子打印方法。它将液体的电子材料喷成稠密的气溶剂,然后用特殊方法逐层沉积。电路和元器件,如导线、电阻、电容和半导体均可以这样制造,尺寸可精确到10微米。Optomec目前已经试着将LED照明系统打印到墙纸里,另外也在打印飞机机翼的控制电路。

Optomec还和几家移动电话生产商合作,尝试直接打印手机电路。最新款的智能手机包含用于移动电话、Wi-Fi、蓝牙和GPS功能的多种天线。它们的化学加工过程对环境造成污染。Optomec可利用一种导电的含银墨水直接打印天线,中国某公司的生产线上最近就安装了类似的试验性打印系统。

Optomec研发实验室的主人迈克尔·雷恩(Michael Renn)预测称,大多数电子元器件可以直接打印至产品内。不过,尽管该系统可以打印电阻和逻辑电路,它却不能打印微处理器和其他芯片所需的、数量达几十亿的微型三极管。它们依然要通过传统方法获得,然后嵌入3D打印的成品。

3D打印并非完美无缺

快速成型制造也有其他局限性。首先,速度很慢——比如打印汽车的仪表盘。不过速度是相对而言的,量产和一次性模型对速度的要求是不一样的。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术的生产商会以每公斤2美元的价格大批量采购ABS;但作为3D打印机的粉末,其价格达到每公斤80美元。

造成价格差的部分原因之一是3D打印对纯度和成分的要求较高。当然更大的原因是,很多3D打印机制造商要求用户从他们那里购买原材料,并借此抬高价格。业内人士称,当第三方的供应商进入这一行业时,局面会有所改观。此外,诸如通用电气等大型生产商正在设计的可定制化3D打印系统需要多个供应商的设备和材料。

麦肯锡发布的报告称,随着早先涉及3D打印技术的专利于2009年失效后,能够刺激3D行业发展的因素是价格的降低和竞争的加强。一些打印机的价格已经跌至1000美元以下。

整个行业也正在合并。去年,Stratasys并购了以色列Objet ;6月份这家公司又收购MakerBot;7月份,3D Systems购买激光烧结技术法国供应商Phenix Systems81%的股份。

随着有关激光烧结技术专利的失效,2014年将会进入3D的打印技术竞争加剧的新阶段。激光烧结技术可以用塑料、金属和陶瓷打印细节更丰富的成品,而不仅仅是模型。

与传统制造相辅相成

与此同时,3D打印对普通大众越来越具备实用性。纽约的Shapeways、法国的Sculpteo和比利时的Materialise可为外科医生打印医疗植入设备,可为建筑师打印建筑模型,可为工业机器人打印轻质零件。

如果郭先生的生产线遇到小麻烦,这些公司可以帮上忙。Sculpteo的老板称,有一个大型的中国制造商正组建新的生产线,但是发现一些塑料部件忘记订购。面对项目将拖延几周的风险,他们选择了3D打印技术。Sculpteo 数天内就发货5000个塑料部件。这个例子不是说3D技术与传统的制造技术相抗衡,而是表明它可与传统技术“相辅相成”。当3D可以解决量产遇到的问题时,它在工厂未来的地位就得到保障。

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