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)濟學家》日前刊文稱,3D打印與主流制造業(yè)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(chǎn)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(chuàng)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(shù)。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(yōu)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(chǎn)過程中沒有商業(yè)價值。他還發(fā)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(shù)的目的不是代替量產(chǎn)。即便技術(shù)不斷進步,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打印機也不能像生產(chǎn)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(yōu)勢,否則世界知名的大生產(chǎn)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(chǎn)商越來越熟悉這門技術(shù),他們可從模型迅速轉(zhuǎn)移到最終產(chǎn)品。去年,有統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,25%的3D打印市場都是制造用于生產(chǎn)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(chǎn)量的商品,比如專業(yè)制藥設(shè)備或者造紙設(shè)備的零部件。其他的零部件,如3D打印的生產(chǎn)工具實際上可以增強制造業(yè)的量產(chǎn)能力:寶馬生產(chǎn)線的工人設(shè)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(yè)組建試驗性的生產(chǎn)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(jīng)理蒂姆·澤林(Tim Thellin)說,隨著3D打印技術(shù)和材料的進步,模型的成品質(zhì)量也不斷提高,簡直與傳統(tǒng)工廠制造的樣品沒有區(qū)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(yè)級打印機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(guān)或者具有較高的商業(yè)敏感性。有一臺打印機為RedEye母公司Stratasys生產(chǎn)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(lǐng)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(shù)的是醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)。在這一領(lǐng)域,大量的定制服務很有必要,畢竟每個病人的情況不盡相同。3D Systems的市場總監(jiān)凱茜·劉易斯(Cathy Lewis)說,數(shù)百萬的病人內(nèi)耳掃描后經(jīng)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(xiàn)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(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)生對病人的口腔掃描后可設(shè)計治療方案。掃描過程會產(chǎn)生一份數(shù)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(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,但這一切很快會得到改善。3D Systems表示,現(xiàn)在一架普通的F-18戰(zhàn)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(xiàn)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(yī)療健康的多項業(yè)務都有很大的重要性,而且它打算將多項3D打印技術(shù)作為內(nèi)部技術(shù)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(shè)備制造輕質(zhì)零部件。這項技術(shù)吸引通用電氣的原因之一就是它有潛力制造復雜的輕質(zhì)零部件,這是傳統(tǒng)生產(chǎn)方式脫離特殊材料難以實現(xiàn)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(shù)優(yōu)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(chǎn)基地的方法。雖然中國的技術(shù)不如美國先進,但中國有更大的雄心。

中國多數(shù)3D打印業(yè)務與傳統(tǒng)工廠很好地契合。例如北京隆源自動裝配系統(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,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(shù)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(jù)其身材而專門設(shè)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(chǎn)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(fā)出一種叫做碳素(carbomorph)的材料。當受到壓力時,它表現(xiàn)出電氣阻抗的變化。它可以用來打印開關(guān)、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(jīng)試著將LED照明系統(tǒng)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(chǎn)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(huán)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(chǎn)線上最近就安裝了類似的試驗性打印系統(tǒng)。

Optomec研發(fā)實驗室的主人邁克爾·雷恩(Michael Renn)預測稱,大多數(shù)電子元器件可以直接打印至產(chǎn)品內(nèi)。不過,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)量達幾十億的微型三極管。它們依然要通過傳統(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(chǎn)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(shù)的生產(chǎn)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(yè)內(nèi)人士稱,當?shù)谌降墓踢M入這一行業(yè)時,局面會有所改觀。此外,諸如通用電氣等大型生產(chǎn)商正在設(shè)計的可定制化3D打印系統(tǒng)需要多個供應商的設(shè)備和材料。

麥肯錫發(fā)布的報告稱,隨著早先涉及3D打印技術(shù)的專利于2009年失效后,能夠刺激3D行業(yè)發(fā)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(jīng)跌至1000美元以下。

整個行業(yè)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(jié)技術(shù)法國供應商Phenix Systems81%的股份。

隨著有關(guān)激光燒結(jié)技術(shù)專利的失效,2014年將會進入3D的打印技術(shù)競爭加劇的新階段。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,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(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,有一個大型的中國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。面對項目將拖延幾周的風險,他們選擇了3D打印技術(shù)。Sculpteo 數(shù)天內(nèi)就發(fā)貨5000個塑料部件。這個例子不是說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3D可以解決量產(chǎn)遇到的問題時,它在工廠未來的地位就得到保障。