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【OFweek视点】2013年度3D打印不得不说的那些事儿

2019-10-15 15:13编辑:admin人气:


  看过电影《十二生肖》的人,一定对成龙盗宝场景印象深刻:成龙戴着一副白手套,摸了一下国宝十二生肖的头像,就把头像的数据扫描进了电脑。几乎与此同时,相隔几公里之外,他的伙伴在一台柜状机器里,瞬间就把一模一样的兽首制造了出来。

  全球3D打印行业从产值从0到10亿花了20年的时间,从10亿到20亿花了5年时间。其中,工业级3D打印机从1993年到2011年总共只卖出了4.9万台,桌面级3D打印机在2011年一年就卖了2.3万台,在全球的桌面3D打印市场中,美国市场份额占了81.46%,中国现在占到22%。正是对产业市场前景普遍看好,不少企业蜂拥进入3D打印产业。

  3D打印挑战中国制造

  3D打印成为热门概念,源于2012年美国总统奥巴马将其列为全美制造业创新网络计划的重要方向。所以在科技行业中确实存在这样一种观点,认为3D打印不过是基于美国的政治经济诉求所营造的噱头。无论这种观点是否靠谱,一个不争的事实是,在中国3D打印只是一种可供选择的设计制造工艺。它能够提供一些便利,但与中国良好的工业生态基础相比,优势也不明显。

3D打印挑战中国制造

  如今,3D打印对于越来越多的人来说,已经不再陌生。在金融危机复苏以来所提倡的制造业复兴过程中,美国人以及越来越多的中国人都已经慢慢接触到了这个仿佛在一夜之间兴起的技术名词。许多媒体甚至将3D打印技术看作是终结以中国制造为代表的传统制造业的最新技术。

  3D打印术的使用意味着一场变革,这场变革让像美国达特茅斯学院教授理查德?达韦尼这样头脑清醒的经济学家相信,富士康等公司会成为明日黄花。

  达韦尼在《哈佛商业评论》上主张:中国不会成为新世纪的输家。它有国内市场可以服务而其国内市场很庞大。但中国将不得不放弃世界大规模生产强国的地位。

  这一理念分歧导致中国某些地区出现了自鸣得意的声调。管理研究员贾晋京说:西方一些媒体说3D技术有利于西方,可以帮助美国工业复兴,冲击中国世界工厂的地位。他随后说:我不支持这种观点。

  就像互联网对于华尔街和华盛顿来说绝不仅仅是一项技术一样,3D打印同样也绝不仅仅是一项技术革新。如果说互联网的核心市场价值就是信息的价值和信息分享的价值,那么3D打印的价值,就是定制化的价值。

  个性化的定制服务,这个在传统大工业生产中被认为与大批量生产背道而驰的理念,在未来3D打印产业中有望得到实现,使得批量生产与个性定制在未来的3D打印车间里得到完美结合。其对于制造业的革新程度,堪比互联网技术对于计算机领域的革新。

  当然中国也没有坐以待毙。它正在积极购买西方的3D打印技术,自己制造轻型机器卖给消费者。工业和信息化部已拨款2000万英镑资助10家研究中心,并成立了40家公司。

  目前,国内3D打印主要有清华大学、华中科技大学、西安交通大学、华南理工大学、北京航空航天大学等高校教授带领的科研团队。在他们的引领下,中国3D打印取得了一定的成效,不少3D打印联盟相继成立,3D打印企业也层出不穷,3D打印也能打印出无人驾驶小型飞机、文物、小零件、食物、自行车、小建筑等,令人耳目一新。

3D打印挑战中国制造

  随着3D打印概念股在资本市场上演火爆行情,这一产业逐渐吸引了人们关注的目光,一些企业则已经成功将概念产业化。

  以3D打印技术为基础的智能制造为我国追赶先发国家打开了一扇机会窗口。目前,各国3D打印产业基本处于同一起跑线,发达国家在3D打印产业有优势,但我国的差距并不很大,为此,我国应当实施先发战略,着力以3D打印引领智能制造,实现赶超。

  3D打印颠覆传统制造业?

  最近几年,欧美发达国家通过3D打印技术,成功地打印出了手枪、自行车、汽车、电控飞行器等实物,虽然其质地和耐久程度与传统工艺还有差距,但确实正在开启制造业的新空间。

  从大众级的应用入手,本来就是互联网时代的特性决定的,3D打印满足了崇尚个性的新一代消费者DIY(自主制造)的乐趣。当人们开始想象在自己的后院就能打印出极具个性化的盘子、碗和茶杯,以这种特殊方式款待客人时,一个全新的产业就此诞生。

  去年10月,中国3D打印技术产业联盟成立,与会专家一致认为,3D打印技术作为制造业领域的一次重大技术革命,已经广泛应用到航空、航天等军事领域和大型复杂构件的一次成型制造,是传统制造技术与新材料的完美结合。

  通常,制造业特别是金属制造业采用的是减法工艺,即通过车、铣、刨、磨、钻等金属切削工艺对被加工件进行减材制造。而3D打印反其道而行之,采用的是加法工艺,即通过不断地进行材料的有序堆积,最终加工出成品。因此,3D打印也被称为增材制造。

  而3D打印与传统加工工艺的差别也就体现在这增减上。而3D打印的特有优势也体现在这加法工艺上。比如说几乎可以百分之百地利用原材料,制造传统工艺无法实现的特殊结构的产品,因节省开模费用而在小批量生产上具有成本优势,在产品研发过程中可以快速制造样机,可以实现分布式制造等。

  的确,3D打印这些优异的加工特点无疑是传统制造工艺难以实现的。如果一台3D打印机具备这些特点,无疑将会对传统的制造工艺带来强劲的冲击,甚至颠覆性的变化。

3D打印的汽车

  但是,至今为止,人们常常规避3D打印在规模制造中的经济性这一关键指标。比如说,飞机舷窗样机制作中3D打印的成本是传统开模成本的十分之一,同时省去很长的开模具的时间。但是飞机高昂的研发成本是靠批量摊薄的,这个数字应该远远不止十架,传统加工方式的优势就显现出来。再如饮誉二战的远洋货轮自由轮,战时共制造了2751艘。

  随着工艺和管理水平的提升,自由轮的建造时间从最初的244天,缩短到平均42天,最快记录是4天15小时30分钟,这是大规模工业化制造的经典之作。

  我们还应从整个制造过程看3D打印。当人们从使用的角度看,光伏产品确实是绿色、节能产品,但光伏产品的核心材料多晶硅的西门子生产法却是高耗能、高污染。

  同样道理,3D打印只是产品制造中最后的加工环节,前面原材料的生产是否也具有同样节能减排效果呢?还应注意的是3D打印设备与工艺的紧耦合现象,即3D打印设备很难做成通用设备,这在非金属熔融固化工艺中比较突出,要根据不同的打印原料更换相应的打印头,甚至打印机。

  这种非通用的特点削弱了3D打印的分布式制造色彩,毕竟,并不是所有3D打印的支持者,都有经济实力来购置多台3D打印设备的。如果3D打印不能在足够多的制造领域替代传统的工艺,那么,就要慎言3D打印将颠覆整个传统制造业了。

  事实上,既然3D打印无法完全替代传统制造工艺,那么,从产业高度看,传统制造技术和3D打印技术就应该是互补技术,只不过在不同的制造领域或者不同的产品制造上,两者在产品制造过程中工艺占比不同罢了。

  桌面3D打印机只是玩具?

  3D打印技术事实上已经发展了40年,这种通过逐层堆积材料来叠加成为产品机构的制造方式,与传统制造业通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削等完全不同。3D打印将三维实体变为若干个二维平面,通过数字化的管理,大大降低了制造的复杂度不需要复杂的工艺、不需要庞大的机床、不需要众多的人力,直接从计算机图形数据中便可生成任何形状的零件,使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸。

  3D打印的概念被追捧的原因之一,就是因为它可以让小批量的生产更加容易和廉价。但这些来自国外的前沿技术思想,并没有考虑到中国市场的实际情况。

3D影像馆市场火爆

  鲜为消费者所知的事实是,得益于中国的世界制造业中心地位,许多廉价的快速成型技术在中国被改良优化,并形成了充分竞争的行业。再小批量的生产,都会有合适的代工厂愿意承接。而另一方面,虽然如中科院先进技术所等科研机构已经自主研发出了工业级3D打印机,但能够量产应用在商业中的,还都是进口产品。连设备带打印耗材都进口的结果,就是在国内的商用3D打印成本居高不下。

  于是,3D打印没有成为主流工业设计和制造企业的优先选择。即便是对于复杂结构或者特殊材质的产品,聪明的中国人也有自己的办法比如,有制造业人士告诉记者,经验丰富的技师可以使用整块的铝合金在机床上快速制作一个模具,虽然这种快速模具拿来生产三四个产品就会报废,但同样可以花很少的时间和很低的成本来制作一些复杂结构和特殊材质的产品。

  这种基于开源硬件解决方案开发生产出来的3D打印机,实际上是对于大型工业3D打印机的简化和廉价化。深圳拥有多家桌面3D打印机的生产商,但其产品仍处于起步阶段。以技术研发进展较快的深圳维示泰克公司为例,他们生产的桌面3D打印机售价不到一万元,可以使用几种塑料线材作为原料打印制造小型物品,虽然其官方称他们生产的3D打印机精度可以达到0.2毫米,但实际精度往往达不到。而且之前与维示泰克公司负责人交流时,对方也表示桌面3D打印机制作的物品比较适合作为展示使用言下之意是,还不能用于功能性零件或产品的制作。

  事实上国内所有的桌面3D打印机生产商都面临这样的问题。而国外较为热门的桌面3D打印机,也未必比国内更先进多少。将3D打印机小型化廉价化之后,包括自动化控制、材料科学和温度控制等等几个核心技术难点是全世界3D打印机研发行业正在试图突破的。在现阶段,如源创尚品总经理廖天佑所直言不讳的,桌面3D打印机只是玩具。

  3D打印哭了 因为4D打印出现了!

  请想像一下,从宜家买回一把椅子的家具板材,将其放在房间里它们会自动组装;一种汽车涂料可以改变自身的结构,适应潮湿的环境或撒过盐的道路,以便更好地保护汽车免受腐蚀;士兵的制服能改变迷彩或更有效地防止与毒气或弹片的接触。

  有人要问了:有那么神奇吗,不需要连接任何复杂的打印机,就能按照产品设计自动折叠成相应的形状?而科学家告诉我们,这就是悄然而至的4D打印技术。

  谈到4D打印过程,建筑师和电脑科学家斯凯勒蒂比茨解释说:我们提出将4D物体的第四维度定为时间,也就是说使得3D打印出的物体能够随着时间自动变化和调适。刚性材料形成一个架构,其他层则是弯曲和扭转该架构的力量来源。

高薪科技4D打印技术

  如此可见,4D打印比3D打印多的一个D表现在时间纬度上,这种革命性新技术可以通过软件设定模型和时间,变形材料会在设定时间内快速成型。

  在TED大会上展示的4D产品,是经3D打印出的管子。将它放入水中,其会自动组装成一个立方体。原理是,该物体内部的智能材料利用水作为能量来源,带来形状的改变。在构造上,这款可以自动组装的4D物体由数层塑料制成,外加一层能够在吸水时自动变成一种理想形状的智能材料。

  谈到4D打印的潜在应用,蒂比斯透露,麻省理工学院自组装实验室正在与波士顿一家名为Geosyntec的公司开展合作,开发创新的基础设施管路制造方案。他说:这种新型地下水管,可以自由地膨胀或收缩,以此来控制过水的流量和流速,或者还可以像蛇那样通过自身的蠕动来挤压,推动内部的水体流动。水管能够适应不同的容量或水流而自动进行扩张,免去挖掘的麻烦。而具有这种不可思议功能的管路并不昂贵,也不需要那些复杂的阀门控制系统,这就是该管路本身所具备的性质。

  研究人员指出,该技术的下一个发展阶段包括打印4D片材,如果可行的话,还会包括完整的建筑结构,可以彻底改变传统的工业打印甚至建筑行业。

  4D打印目前并不成熟,但研究人员相信,4D打印不但能够创造出有智慧、有适应能力的新事物,而且这项技术终将带来生物科学、材料科学、机器人、交通运输、艺术甚至太空探索领域的革命性变化,未来它的发展前景将十分广阔。

  3D打印引发安全问题

  美国伊利诺伊州理工大学研究称,市面上的3D打印机首先将塑料加热,然后通过喷嘴喷出,造出设计模型。这过程类似工业生产,会释出有毒物质,但一般家用者不会使用防护装备。微粒会在空中飘浮,容易被人吸入肺部甚至脑部,过度积聚可能会引发肺病、血液及神经系统疾病,甚至导致死亡。

  除健康问题,3D打印也引发公众安全隐忧。

  5月6日,美国支持3D打印枪械的非营利团体分布式防御称,世界第一柄3D打印手枪已测试成功。该团体创始人科迪威尔森在得州奥斯汀一处靶场内让它稳定开火。尽管是个塑料枪,但射击对枪体造成的损伤并不大,只有导销处震碎了。

枪支打印引发安全问题

  这引起人们的极度担忧,3D打印机可以轻易的进入任何人家中(目前只是成本问题),倘若有罪犯在家里打印出全塑料枪支,并可无阻碍的通过海、陆、空各种关卡的金属探测仪,那现今社会中一切的安全检查、背景调查和枪支法案都将形同虚设。大量杀伤性武器流入无法管理、无法侦测的局面。而3D打印机的制造速度、规模、以及可兼容的材料正在与日更替,我们可不想未来有一天,发现邻居在他车库里鼓捣出来个你只在战争纪录片里才见过的东西。换句话说,3D打印枪支不过是个开始。

  但我们不能控制的是,随着技术具有更高的精度,以及可在更广的范围内选择材料,3D打印机被直接用作了生产工具,譬如说打印出一整台赛车或者一柄步枪,尤其是后者涉及到了不容忽视的社会问题。

  我们并不认为3D打印技术的双面性已经到了与核相提并论的程度,但需要意识到3D打印作为制造业变革的一部分,有那一天是不可避免的。因此仍抱希望,在可预见的未来规避掉技术失控可能引发的社会危机,以及尽量别去体验双刃剑的另一面。

枪支打印引发安全问题

  在未来的3D打印世界里,无论何时何地,人们需要什么就可以打印什么。3D打印像一股风潮,席卷后,谁去谁留,留待市场检验了。

(来源:未知)

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