前沿科技之3D打印未来新世界

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美国科幻作家罗伯特·希克利曾经写过一个“万能制造机”的故事，故事里的人们带着一台“万能制造机”飞往太空。这是一台奇特的大机器，机身上杂乱地安装着刻度盘、小灯和各种指示表。故事的主角之一阿诺尔德站在机器前，按下按钮，对它响亮而清楚地说：“我要硬铝螺帽，直径为4英寸。”接到指令，机器发出低沉的轰鸣声，灯光闪烁，闸板缓缓打开，眼前赫然出现了一颗闪光发亮已经制好的螺帽。接着，这台机器就像神奇的阿拉丁神灯，为他们送来了活蹦乱跳的大虾、矿泉水、手表和沙拉酱。

尽管，“想要什么就生产什么”的现实还远没有科幻小说描述的那般轻松随意，但现在，通过3D打印技术生产小零件、食物、自行车、建筑甚至人的皮肤、肾脏等都已不再是天方夜谭，称之为“万能制造机”并不为过。

3D 打印的原理很简单，首先 3D 打印机将物品转化为 3D 数据，然后再逐层分切，针对分切的每一层构建，分层打印。打印时，粉末会一层层地被特殊的胶水粘合，按照不同的横截面图案固化，一层层叠加，像做蛋糕那样创建三维实体，最终一个完整的物品就会在粉末槽里成型。这种技术的优点在于它不需要一家工厂来运作，小件物品可以直接由小型 3D打印机打印制作；而稍大的物品，比如自行车车架、汽车板、飞机零件、建筑零件等。则需要更大的3D打印机和更大的空间。

《经济学人》杂志评价说：“伟大发明所能带来的影响，在当时那个年代都是难以预测的，1750 年的蒸汽机如此，1450年的印刷术如此，1950 年的晶体管也是如此。而今，我们仍然无法预测，3D 打印将在漫长的时光里如何改变这个世界。”

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这些系统用金属粉末打印机械部件，可用于制备更轻、更高效的飞机。

图中前后：两个版本的铰链，都是用于喷气发动机盖，这说明3-D打印的性能。后面的一个是用传统制造方法制成。前面的是打印成的形状，重量只有一半。来源：保罗•麦克木林（Paul McMullin）

克里斯•特纳（Chris Turner）是欧洲宇航防务集团创新中心（EADS Innovation Works）的工程师，在英国布里斯托尔（Bristol）附近，他在扭转一台黑色箱型机器上的杠杆，观察窗打开，露出一个暗腔，平台上覆盖着灰色粉末。一束看不见的光束扫描整个粉末，火花飞溅。这台箱体是一台加层制造机，有时称为3-D打印机，它正在制造部件，用于空中客车A380（Airbus A380）客机。欧洲宇航防务集团创新中心拥有空中客车公司（Airbus），希望可以改变制造业。除其他益处外，它生产的零部件可以使飞机更轻，所以消耗燃料更少。
+ h3 e9 d+ }1 d! C8 S( W; ?, j三维打印机可以制成复杂的形状，这些形状用传统技术就不能制成。然而，直到最近，他们仍然无法打印坚固、耐用的对象。特纳正在使用的机器，可以用高档金属制成复杂的形状，这一进展使研究人员可以应用3-D打印的设计性能，用于机械零件。打印机使用软件，算出部件在哪些部位需要承受重量，并把材料正好放在这些部位，这可以使整个部件重量减半，同时不牺牲强度。这会节省能源、金属和资金。这样制成的复杂、弯曲的形状，不能用模具铸造，也不能用更大的块状材料刻出来，即使用最先进的电脑控制工具也不行，但它们可以打印出来，相继添加的各层有几十微米厚。
特纳正在测试，打印的部件是否可承受用于飞机、直升机和飞船。“一旦我们了解这一点，我们就可以扩大规模，”他说。“我们可以使它适应制造大型飞机部件。”可能包括翼梁，就是支持双翼的长梁。
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欧特克(Autodesk)，一家总部设在美国加利福尼亚州圣拉斐尔（San Rafael, California）的跨国软件公司，致力于开发从汽车制造业巨头到好莱坞制片厂的每个人都会使用的3-D设计软件。现在它断言，这些数码工具将在工厂车间里扮演日益重要的角色，使制造商能够采用更加灵活的策略以提供更加个性化的产品。
该公司制造业团队的领导巴斯·克罗斯（Buzz Kross）说，成本增长正伴随着中国经济的日渐成熟和与外包部分的那些广为人知的问题，就像那些困扰波音787的问题一样，导致高产量、低成本的外包生产模式的经济吸引力降低。其结果就是，大量企业正在考虑采取更灵活、优质的制造方法，尽管这些方法以前由于受限而相对小众。克罗斯正试图用软件帮助推动这一趋势。
“你不需要再将中心放在用绝对最便宜的价格生产数以百万计的相同产品上。”克罗斯说。他提到了日益普及的一种被称为“ETO”(engineer to order)的模式，使企业通过参考一个一般规则的列表，而不是一个目录和价格列表，来向制造商下订单。对于每一个订单，制造商根据非常具体的客户需求来生产和组装产品。这种方法还降低了成本，因为原材料和零部件都无需储存，而是可以根据最新订单采购。而定制的产品可以制定一个比传统制法更高的价格，克罗斯说：“这样企业们就能够抓住顾客钱包里的大头。”
1 x) e+ n0 u, A. m这种制造风格使得设计过程-和设计软件更为重要。克罗斯说，3D 打印技术将进一步模糊设计和制造之间的界线。克罗斯说：“每个人都已经采用它来进行样品制作。你已经可以打印可移动的组件，以及不需要任何装配的子组件。无论你是要制造泵、发动机还是椅子，这一点都是非常有用的。”耐克是欧特克的客户，他们根据鞋底的每个部分所需的弹性和柔软度使用打印机打出或多或少具有可压缩性的材料来制作样鞋。
克罗斯说，下一步是将3-D打印作为制造方法，而不是单纯的样品制作工具。小型公司已经开始尝试，但相信要不了多久大型制造商便会开始纷纷效仿。克罗斯说：“想想看，当你购买戴尔电脑时，他们让你选择所有不同的组件。3-D打印生产将允许你拥有这一切，而且提供几乎无限的选择。”
这个生产过程可能使制造商的成本高于用传统方法或离岸工厂进行生产的成本。克罗斯说，正如ETO方法一般，更加个性化的产品能够得到更高的价格。他认为，珠宝、家具和电子消费品都是能够受益于新技术的领域。他说：“人们不喜欢拥有同样的东西，因而会付更高的价钱来得到他们精确选择的物品。”

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三维立体打印技术（3-D printing）的爱好者可能是其最早的使用者，然而当DIY狂热者创建网络社区展示他们自己制作的塑料小玩意儿和玩偶时，工业制造商从三维立体印刷的新材料和新技术中找到了转变他们生产商业产品方式的方法。
三维立体打印机（3-D printer ）在工作时会按形状要求在每一层上堆积热塑性塑料，材料冷却后再移到下一层，层层累积叠加直至完成一个三维物体。根据同样的分层原理，快速成型制造技术（ additive manufacturing ）利用金属、塑料以及陶瓷等材料能够构建出其他制造技术无法实现的几何形状零件。由于采用数字化设计方式，企业可以在任何可用的三维立体打印机上定制出想要的产品。
2011年5月，通用电气公司（ General Electric ）宣布，将“着重加强” 快速成型制造技术，用来开发从飞机发动机部件到超声仪器的零件等多种产品。而其他大型制造商也已使用该项技术制造工业扫描仪、家具以及医疗器械。
巴特·范·德·索尔伦 （ Bart Van der Schueren ）是比利时一家快速成型制造公司材料实现 (Materialise)的执行副总裁， 他认为快速成型制造技术所开拓的化学和印刷工艺的进步超越了快速成型设备原型机本身。例如，在立体光刻技术中，液态聚合物经过激光逐层扫描照射后会烧结硬化。利用这种技术可以使三维立体打印机创建出光滑细致的表面。
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  p3 H& k0 n( y: b  J( U然而，由于快速成型制造技术不需要工厂生产线，能够将一个单纯的计算机文件转换成为确切规格的产品，因此，它为企业提供了商机。 云工厂（CloudFab）是一家2009年成立于旧金山的公司，它主要向顾客和企业提供设计软件和利用三维打印机制作产品的网络服务。用户通过网络把设计文件上传给云工厂，并授权，然后云工厂将订单委托给其三维立体打印合作商。
根据行业分析公司沃勒斯协会（ Wohlers  Associates）的估计，世界各地有100多家公司从事多种类型的三维快速成型制造行业。然而，许多公司仍然只提供原型服务。并且，快速成型制造技术也存在缺陷：不能制作超过一定大小的产品，不能加工所有的材料，很难使用多种材料生产一件产品。
云工厂的创始人尼克·平克斯顿 （Nick Pinkston）提到，公司自成立以来，每月的订单量都会增加10％，迄今已完成了2万份订单。 “数字化制造潮流、单独制作产品的能力以及将其引入市场是一件大事。”平克斯顿说，“我们的目标是使产品设计师和工业设计师成为新的网络设计师。
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xiaoyetongxu

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