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  • 增材制造: 颠覆还是改良?

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3D打印(也被称为增材制造)“将改变我们生活的各个方面”, 康奈尔大学副教授Hod Lipson表示。 3D打印技术可以使用不锈钢和钛、塑料(3D打印最初采用的材料)、纸和其他材料来制造产品,包括活体组织(仍在开发中),比如打印一个新的心脏瓣膜、椎间盘或为事故受害者制作一块定制组织,用于更换旧组织。

虽然3D打印机可以集成更多功能,但主要使用自动化和控制功能。 许多机器未安装反馈设备,因此无法提供闭环控制。 提升自动化水平将有助于提高未来几代机器的速度和准确性。

最近出版的《从想象到现实: 3D打印的新世界》(John Wiley出版)一书的作者Lipson主持了在芝加哥举行的3D打印透视大会和展览会,这是2013年针对同一主题所举行的系列大会(分三次)中的第二次会议。 增材制造(2013年10月控制工程杂志上发表的一篇文章的标题)也将使制造业和装配行业发生巨变。 这一主题深深吸引着来自16个国家的参会者和来自美国35个州的各行业注册者。

3D打印技术将改变一切

Lipson表示,不管3D打印是一种扰乱性技术还是一种技术进步,它都将产生极为深远的经济和社会影响,使各种商业模式发生巨大改变。 举例来说,该技术改变供应链的一个例子可能是,(也许20年之内)客户选择了一种智能电话设计之后,可以下载,然后在一家当地商店打印出来,完全无需经过传统的制造、组装和运输流程。

如今在某些应用中使用的叠加式制造3D打印机已取代了无需材料即可实现部件成形的CNC机床。 计算机数字控制机床 (CNC) 大量使用了自动化和控制功能,而为了提高准确度和速度,3D打印机在这方面将更上一层楼。 目前,3D打印在产品的设计和原型阶段特别有用,但以后将越来越多地用于制作定制的最终产品和小型生产线(从一个到上千个)。 使用这种技术的结果是将节省大量的材料。 我们可以想象一块巨大的用于制作飞机部件的钛:采用3D技术后,可能材料的85%会被切除, 只需15%,而这将节省大量时间和材料。

Stratasys Ltd.是全球最大的3D打印机公司之一,公司主席兼首席创新官S. Scott Crump在25年前与妻子Linda在自家的车库中成立了该公司。 “现在,某些产品可以在计算机辅助设计(CAD)软件中进行设计,然后我们只需按一下打印按钮,就能出来成品。” 另外,数字部件制造技术可生产出最终用户装配件的成品。

Crump回忆道:“1988年,3D打印机尚未出现于世, 我们以1.2万美元的相对低成本制造了世界上第一台3D打印机。 利用这台机器,我用喷胶枪为两岁的女儿制作了一个玩具青蛙。 1992年,我们使用的是自动喷胶枪。 在为首件商用产品完成了正式的工程设计之后,在1994年,我们制作了第一台3D打印机。”

如今,3D打印已开始改变人们的生活。 借助一副3D打印的外骨骼,一个残疾女孩可以利用橡胶带实现反重力平衡,从而自由玩耍。

Stratasys用120多种输出材料制作了22种型号的3D打印机。 根据Wohlers Associates的统计数字,目前已有3万台机器安装到位,包括55%的商业3D打印机。

3D打印的市场影响力上升

Crump指出,麦肯锡全球研究所五月份的一份报告称,到2025年之前,3D打印在某些应用领域可能每年将产生2300亿到5500亿美元的经济收益,其中最大的一部分将来自消费者领域,其次是直接制造以及利用3D打印制作工具和模具。 该报告虽未指出该技术在当今产生的经济影响, 但它指出,家庭3D打印机的价格在短短四年内就降低了90%,而且在过去十年,叠加式制造业的收入翻了四倍,并称到2025年,该行业的收入将增长到2000到6000亿美元。

Crump表示,Stratasys随行业的增长快速发展壮大,目前已有1200多名员工和8000多家客户,拥有550项专利。 2012年,公司的运营收入约为3.5亿美元,利润接近6000万美元,在全球拥有12个办事处,260家经销商和大约1000名直销人员。 公司提供两种3D技术和三个打印机产品系列。

Crump说道:“3D技术是一个推动新思想产生的动力源,推进了原型制作技术的设计能力,并且无需生产线即可投入生产。” 公司总裁Obama宣称3D制造是一种促进制造业增长的途径,而美国通用电气公司曾谈到将利用3D技术制造喷气式发动机。 三角洲航空公司目前正在使用3D打印技术生产零部件。 Crump说: “想制造任何产品的任何人都可以使用3D打印。” 该技术的其他应用领域还包括汽车制造、夹具制造、医疗、消费品、建筑、工业和教育。 由于无需工具或设置,大规模定制的成本将大幅降低。 制造业将发生急速变化;3D打印将彻底颠覆我们对制造业和工业的传统看法。

叠加式制造将成为未来的自动化工厂,Crump说: “我们仅用几名工作人员每天就可以生产几千个部件和装配件。 整个过程非常清洁、高效而且灵活。 我们可以早上制作玩具,下午则转而制作飞机部件。 我们全天候工作,三班轮换,可以即刻在网上报价并快速回复。”

在熔融沉积成型(FDM)技术中,“唯一的限制因素是您的想象力。 这些机器将制造流程搬到了桌面。 整个流程洁净无尘,简便易用,而且价格多种多样,可使用各种树脂、塑料和金属材料。 ”甚至艺术家和时尚设计师都在使用这些技术。 “欢迎来到3D世界。 我们对于其光辉前景信心百倍。”

成本低廉的3D打印技术

MakerBot Industries的首席执行官Bre Pettis使3D打印的成本大幅降低并广泛普及。 在谈到下一次工业革命时,他表示,MakerBot的用户正在改变整个世界。 他还透露(未谈及细节), “我和Scott刚刚签订了一份合并协议。” 此次合并在2013年6月19日正式公布, 按照该协议,MakerBot将以换股并购的形式成为Stratasys的一家分公司,交易金额高达6.04亿美元(取决于业绩)。预计并购于2013年第三季度全部完成。公司称,“此次交易还需获得监管机构批准并满足其他相关规章制度的要求。” MakerBot在2013年第一季度的运营收入为1150万美元,2012年全年收入则为1570亿美元。

Pettis说:“在你修理和制作产品时,脑中的灵感不断闪现,大脑的化学分泌物增多,会让你无比兴奋和愉悦”,但他同时也谈到个人的另一点体会:“但在制作调制鸡尾酒的机器人时千万不能设置一个随机按钮”。

在MakerBot的Thingiverse.com网站上,创作者们可以分享他们的创意和产品并获得认可。 这里有8万种设计,其中一半是在过去三个月新增加的。

他们取得哪些进展?

MakerBot定制器可以让那些了解 SolidWorks或 AutoCAD的人士设计自己的iPhone外壳。 同样,还有Duplo brick至Brio tracke适配器,这是那些喜欢动手玩具火车体验的人士的明显需求。

MakerBots的用户包括:

  • 美国航空航天局喷气推进实验室(NASA Jet Propulsion Lab)。该实验室在一个宇宙飞船防热罩的原型设计中使用了他们的设计。 一位失去手指的发明者决定自己制作新手指,他开发出了Robohand。 产品历经多次修改,快速发展成熟,它使协作变得更加容易,使受伤的儿童能再次灵活自如地运用手指。 价值2万美元的定制假肢(比如运动鞋)将陪伴残疾儿童快乐成长。 这种设计无需硬件,线缆安装更加简易,而且可以按照需求打印尺寸更大的产品;所需的材料仅为5美元的塑料。
  • 布景设计师以前需要几天时间才能用纸板、胶水和刀子制作出布景, 但现在这些工作一天就能完成。
  • 教师可以让儿童打印出房屋模型,将其放在河流模型旁边,让水流过房屋,为他们演示侵蚀现象。
  • 一位父亲本计划跟女儿去一家收费昂贵的游乐园度假,后来他为女儿的鞋子制作了特制矫正鞋垫, 使她的身高从41.5英寸增加到42英寸,可以到任意一家游乐场玩遍所有游乐设施。
  • 一位音乐爱好者利用MakerBot的设计制作了一台大键琴。
  • 孩子家长现在可以利用3D扫描技术扫描并拷贝孩子们制作的彩泥艺术品。以前这些彩泥艺术创作会很快变硬并裂开。

Pettis和Crump询问彼此关于3D设计的问题,小型企业

Pettis询问Crump关于Stratasys机器的早期版本。

“最初我们很难让人们理解那些早期打印机的功能和作用,” Crump说, “当我走进某个机械工程部门, 向他们说明这种创新技术时,他们表示可以明白我的意思,但这不符合当时普遍采用的计算机设计规范。 人们对此还无法接受,我经常无功而返。”

Crump说,在早期的艰难岁月里,虽然障碍重重,但他热情不减。他每天热衷于制作3D打印机,而不是发展公司。 后来我妻子忍不住提醒我,“我们需要赚钱。”

Scott-Crump-Bre-Pettis-2013-7-10-Inside-3D-Printing-mHoske-w.jpgCrump对Pettis说:“你们的早期设备使用了木制框架。 这是一种非常聪明的做法, 我们的第一台设备也与此类似, 使用的是富美家板, 后来这台机器以25万美元售出。 但很有意思的是,木材容易着火, 而设备的机箱内部有一个加热元件。 ABS塑料正好充当了燃料。 最初的几款产品确实曾经造成几个房间烟雾腾腾, 但没有造成人身伤亡, 我们也未遭到法律处罚。虽然后果没有那么严重,但我们确实经历了一个很长的学习过程。”

Crump问:“你们的第一批打印机为何采用了套装组件的形式?”

Pettis回答说:“部分原因是因为我们当时并不具备产品制造能力。 我们只有三个人,除了激情澎湃的创业梦想之外,我们拥有的全部装备只是一台激光切割机。如 果我们是工程师,可能还是会制作产品原型。 这个组件套装包含设备机箱、一块板、一袋零部件、银焊料和一本告诉客户如何在烤箱内烤热木板的说明书。 MakerBot产品的前200个买家是第一批敢于尝试新鲜事物的人。 我们想,如果客户能自己组装,那么一旦产品坏了他们就会知道怎么修理。 后来我们开始生产全组装式的打印机,但有些早期客户对我们说他们还是想自己亲手组装。”

Pettis又说,他们经过相当一段时间才适应制造业的现状。 “那时我们想买一种一体化电机, 找到满意的产品之后,我们就下了订单。后来我们又想多买一些,结果卖家告诉我们说他们的存货全部卖给我们了。 我们觉得这有些不可思议。 而且更令人难以接受的是,他们的发货至到货周期长达6周, 而且他们马上还要去度假,时间也长达6周。”

Crump问:“您对新成立的公司有什么建议?” Crump问道。

Pettis说: “如果你经营一个小企业,我建议你尽快走上核心业务轨道。 你应当雇用业内的专业人员,他们必须相当熟悉本行技术,而且具有丰富的实践经验。 这样的话,你可以更轻松地实现每天几百件产品的发货量,而不是一个月20件。”

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