3D打印機增材制造簡介

3D打印機增材制造簡介3D打印機增材制造簡介3D打印機增材制造簡介3D打印機增材制造簡介編制僅供參考審核批準(zhǔn)生效日期地址：電話：傳真:郵編:Additivemanufacturing添加制造業(yè)2012年04月27日19:28:56Specialreport:Manufacturingandinnovation

特別報道：制造業(yè)與創(chuàng)新

Additivemanufacturing

添加制造業(yè)

Solidprint

實體制造

Makingthingswitha3Dprinterchangestherulesofmanufacturing

3D印制方式?jīng)_擊了制造業(yè)規(guī)則

Apr21st2012|fromtheprintedition

INSIDEALOW-RISEbuildinginabusinessparkatRockHill,SouthCarolina,isavisionofthefactoryofthefuture.Severaldozenmachinesarehummingaway,monitoredfromaglass-frontedcontrolroombytwopeoplelookingatcomputerscreens.Someofthemachinesarethesizeofacar,othersthatofamicrowaveoven,buttheyallhavewindowsthatyoucanpeerinto.Oneismakingjewellery,othersareproducingtheplasticgripforanelectricdrill,thedashboardofacar,anintricatelampshadeandabespokeartificialleg.Oneisevenmakingpartstobuildmoremachineslikeitself.

南卡羅來納州石山里的工業(yè)園的一座小建筑，是未來工廠的前景。房子里的玻璃前臺控制中心，電腦前的兩個人正在操控幾十臺機器運轉(zhuǎn)。這些機器有的像汽車那么大，有的只有微波爐大小，但是它們都有窗，能讓你看到它的里面。有一個機器正在制作珠寶首飾，有一個在生產(chǎn)電鉆的塑料把手，還有的在生產(chǎn)汽車儀表板，復(fù)雜的燈罩以及定制的假肢。有一個機器甚至在制造類似它這樣的機器的零件。

Thisistheheadquartersof3DSystems,afirmfoundedbyChuckHull,whoina1986patentdescribedasystemhehadinventedformakingthree-dimensionalobjectsas“stereolithography”.Itworkedbyusingabeamofultravioletlighttosolidifyathinlayerofliquidplastic,abitlikeink,andrepeatingtheprocessbyaddingmoreliquidplastic.Otherformsof3Dprintinghavesinceemerged(seearticle),buttheyallworkasanadditiveprocess,buildingobjectsuplayerbylayer.

這個小房子是3DSystems公司的總部，該公司創(chuàng)始人ChuckHull發(fā)明了用立體方式制作三維物體的方法，并于1986年申請專利。該方法是用紫外線固化塑料液體（有點像油墨那樣）成薄薄的一層，然后繼續(xù)添加塑料液體，重復(fù)流程。多種3D印制形式陸續(xù)出現(xiàn)，但他們都應(yīng)用了這種添加制作流程，從下到上一層接一層的把實物制作出來。

3Dprintingwasoriginallyconceivedasawaytomakeone-offprototypes,butasthetechnologyisgettingbettermorethingsarebeingprintedasfinishedgoods(aprocessknownasadditivemanufacturing).Currentlyaround28%ofthemoneyspentonprintingthingsisforfinalproducts,accordingtoTerryWohlers,whorunsaresearchfirmspecialisinginthefield.Hepredictsthatthiswillrisetojustover50%by2016andtomorethan80%by2020.Butitwillneverreach100%,hethinks,becausetheabilitytomakeprototypesquicklyandcheaplywillremainanimportantpartofthemix.

起初，3D印制被認(rèn)為主要用于制作一次性原型，不過，隨著技術(shù)的進步，成品制作也進一步增多。TerryWohlers成立了一家專注于三維制作領(lǐng)域的研究公司，他表示，目前3D印制中約28%的資金用于制作成品（一個被稱為添加制造的流程），這個比例預(yù)計到2016年將提高到50%，2020年將超過80%。但是永遠(yuǎn)不會達到100%。因為他認(rèn)為，原型的制作既快速又經(jīng)濟，始終會作為一個重要的組成部分。

Oneofakind

一種可能

One-offprototypescanbehideouslyexpensivetoproduce,buta3Dprintercanbringdownthecostbyahugemargin.Lotsofconsumergoods,mechanicalparts,shoesandarchitects’modelsnowappearina3D-printedformforappraisalbyengineers,stylistsandclientsbeforegettingthego-ahead.Anychangescanbeswiftlyreprintedinafewhoursorovernight,whereaswaitingforanewprototypetoemergefromamachineshopcouldtakeweeks.Somedesignersarealreadyprintingready-to-wearshoesanddressesfromplasticandnylonmaterials.IrisvanHerpen,aDutchfashiondesigner,hasproducedstriking3D-printedcollectionsforthecatwalks.Noonecanyetprintleather,buttheyareworkingonit.

一次性原型造價可能驚人的昂貴，但是3D印制法能大幅度降低成本。許多消費品、機械零件、鞋以及建筑模型等，都被先用3D印制法檢驗，建筑師、工程師和客戶可以在幾個小時內(nèi)，最多一個晚上時間，就可以看到修改后的原型，而不必花費數(shù)周去工廠等待。一些設(shè)計師已經(jīng)用塑料和尼龍生產(chǎn)可以直接穿的鞋子。荷蘭設(shè)計師IrisvanHerpen生產(chǎn)了大量3D印制的產(chǎn)品，用于走秀。暫時還沒有人能制作皮毛，但是人們正在研究中。

Astherearebarelyanyeconomiesofscaleinadditivemanufacturing,thetechnologyisideallysuitedtolow-volumeproduction.Italsoallowsthemasscustomisationoffinishedparts.Millionsofdentalcrownsandshellsforhearingaidsarealreadybeingmadeindividuallywith3Dprinters.

由于添加制造業(yè)的規(guī)模效應(yīng)并不顯著，所以該技術(shù)比較適合小規(guī)模生產(chǎn)。它也可用于大量成品零件的分批量定制?，F(xiàn)已有上百萬個牙冠、助聽器的零件被3D印制機逐個生產(chǎn)出來。

Freedoftheconstraintsoftraditionalfactories,additivemanufacturingallowsdesignerstoproducethingsthatwerepreviouslyconsideredfartoocomplextomakeeconomically.Thatcouldbeforaestheticreasons,butengineersarefindingpracticalapplicationstoo.Forexample,fluidsflowmoreefficientlythroughroundedchannelsthantheydoaroundsharpcorners,butitisverydifficulttomakesuchchannelsinsideasolidmetalstructurebyconventionalmeans,whereasa3Dprintercandothiseasily.3TRPD,aBritishfirmthatoffersadditive-manufacturingservices,printedagearboxforaracingcarwithsmoothinternalpathwaysforhydraulicoilinsteadofdrilled-outright-anglebends.Theboxnotonlyallowsfastergearchangesbutissome30%lighter,saysIanHalliday,thefirm’schiefexecutive.ABoeingF-18fightercontainsanumberofprintedpartssuchasairducts,forsimilarreasons.

添加制造業(yè)讓設(shè)計師從傳統(tǒng)工廠的束縛中解脫出來，他們可以設(shè)計從前被認(rèn)為過于復(fù)雜而不經(jīng)濟的東西。設(shè)計復(fù)雜可能是出于審美藝術(shù)的需要，但工程師們也找到一些實用的例子。比如，液體在弧形拐角中的流動效率要比在尖形拐角處高，但是用傳統(tǒng)方法很難在堅固的金屬結(jié)構(gòu)中把尖形拐角做成弧形，而用3D印制方法則很容易做到。3TRPD是一家提供添加制作業(yè)服務(wù)的英國公司，生產(chǎn)一種賽車用的變速箱，就把液壓油的輸送路徑拐角設(shè)計為光滑型的，摒棄了原來的直角拐角設(shè)計。該公司執(zhí)行董事IanHalliday稱，這種變速箱不僅變速更快，而且比傳統(tǒng)變速箱輕30%。類似的原因，波音F-18戰(zhàn)斗機也包含許多3D印制方式生產(chǎn)的零部件。

Weightsavingsarepartoftheattractionof3D-printedparts.Withobjectsbeingbuiltuplayerbylayer,itispossibletousejustenoughmaterialtomakethepartwork.Buildingthingsinatraditionalfactoryrequiresaddingflangesandbracketssothatobjectscanbehandled,milledandmouldedbymachinetools,andtoprovidesurfacesforthepartstobeboltedorweldedtogether.A3Dprinterislikelytoprinttheitemasacompletepartthatrequiresnoassembly.Itcanevenmakemechanicalobjectswithmovingpartsinonego.

重量減輕也是3D印制法誘人的原因之一。3D印制法中，產(chǎn)品是一層層澆筑上去的，就可能使用剛好足夠的材料就能制作產(chǎn)品。在傳統(tǒng)工廠里制作產(chǎn)品需增加鏍絲圈和支架等，這樣機械工具才能提、轉(zhuǎn)、組合產(chǎn)品，還要預(yù)留空間用于產(chǎn)品各零件的螺栓或焊接。而3D印制法則可直接生產(chǎn)單個完整的產(chǎn)品，且無需組裝。它甚至能使帶有可移動零部件的機械物體一次成型。

Thispromisesbigsavingsinmaterialcosts.Intheaerospaceindustrymetalpartsareoftenmachinedfromasolidbilletofcostlyhigh-gradetitanium.Thiscanmeanthat90%ofthematerialiscutaway,andtheswarfisofnouseformakingaircraft.However,titaniumpowdercanbeusedtoprintthingslikeabracketforanaircraftdoororpartofasatellite.Thesecanbeasstrongasamachinedpartbutuseonly10%oftherawmaterial,accordingtoresearchersatEADS,theEuropeanaerospaceconsortiumwhichistheparentofAirbus.

這節(jié)省了一大筆原材料費用。航天制造業(yè)中往往從昂貴的高檔鈦的固態(tài)坯料中加工金屬零件。這意味著90%的材料將被切割掉，而產(chǎn)生的廢料對制作航天飛機一點用處也沒有。然而，應(yīng)用3D印制技術(shù)，鈦粉也可用于生產(chǎn)像飛機艙門把手或衛(wèi)星的零部件?？罩锌蛙嚨哪腹練W洲航空航天集團EADS公司的研究人員指出，這些零部件跟固態(tài)料加工金屬零件一樣，但只需使用10％的原材料。

Theabilitytoproducehighlycomplexdesignswithpowerfulcomputersoftwareandturnthemintorealobjectswith3Dprintingiscreatinganewdesignlanguage.3D-printeditemsoftenhaveanorganic,naturallook.“Naturehascomeupwithsomeveryefficientdesigns,andoftenitisagoodideatomimicthem,”saysWimMichiels,vice-presidentofMaterialise,aBelgianfirmthatusesadditivemanufacturingtomakearangeofproducts,includingmedicaldevices.Byincorporatingthefine,lattice-likeinternalstructureofnaturalboneintoametalimplant,forinstance,itcanbemadelighterthanamachinedonewithoutanylossofstrength,integratemoreeasilywiththepatient’sownbonesandcanbecraftedpreciselytofittheintendedpatient.LastyearsurgeonsintheNetherlandsprintedanewtitaniumjawforawomansufferingfromachronicboneinfection.

運用強大的電腦軟件來制作復(fù)雜的設(shè)計，并將它們轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實的產(chǎn)品催生了一種新的設(shè)計思路。3D印制部件通常看起來很結(jié)構(gòu)化、很自然。比利時公司Materialise是一家運用3D印制法生產(chǎn)大規(guī)模設(shè)備的公司，包括醫(yī)療設(shè)備。該公司副總裁WimMichiels表示：“大自然經(jīng)常產(chǎn)生許多高效的設(shè)計，而合并這些設(shè)計往往是一個好主意。”比如，將良好的、內(nèi)部結(jié)構(gòu)為網(wǎng)格狀的天然骨頭和金屬植入物結(jié)合，既不減少骨頭的強度，還能更容易與病人自身骨頭相結(jié)合，并且能精確的磨改以適應(yīng)特定的病人。去年，荷蘭的外科醫(yī)生為一位飽受慢性骨頭感染的女姓植入一個新的鈦下巴，使她免受其苦。

Manycompaniesarenowwonderingabouttheeffectthatadditivemanufacturingwillhaveontheirbusiness.Somearetakingthetechnologyveryseriously;GE,forone,isexploringhowitmightuse3Dprintinginallitsoperations.Italreadyhasoneproductinthepipeline,intheformofasmallultrasoundscanner.Suchscannersareusedbydoctorstoproduceanimageoffeaturesinsidethebody,suchasunbornbabies.Thesize,weightandcostoftheimagingconsoleshasshrunk,butthetransducerprobewhichisplacedonthebodyhasremainedlargelyunchangedandisnowthemostcostlypartofthesystem.Theprobetransmitspulsesofhigh-frequencysoundandreceivessignalsback,usingthereflectionstoproduceimages.Itcontainstinypiezoelectricstructuresthataremadebypainstakinglymicro-machiningabrittleblockofceramicmaterial.

很多公司正在考慮添加制造業(yè)將對他們的生意造成的影響。一部分人以嚴(yán)肅的態(tài)度對待這門技術(shù)。通用公司正在探索怎么將其應(yīng)用在所有的流程上。有個產(chǎn)品已經(jīng)在流水線上。它是一個小型的超聲波掃描儀，用于獲取人體內(nèi)部的圖像，如探測未出生的寶寶。用于生成圖像的掃描儀的尺寸、重量和造價與過去相比已大大降低，但是放置在身體上的傳感器探頭大致沒有變化，并且現(xiàn)在它是整套系統(tǒng)中最貴的部分。它包括一塊精心加工過的脆性陶瓷材料，作為微型的電壓產(chǎn)生器。這個探頭發(fā)出高頻率的聲波脈沖，并接收返回的信號，根據(jù)這個反射信號產(chǎn)生圖像。

NowGEhasdevelopedanadditivesystemtoprintthetransducer.Thiswillgreatlyreduceproductioncostsandallownew,inexpensiveportablescannerstobedeveloped,notonlyformedicalusebutalsotoinspectcriticalaerospaceandindustrialstructuresforcracks.

現(xiàn)在通用公司已開發(fā)一個添加制造系統(tǒng)來生產(chǎn)這種傳感器。這將大大降低生產(chǎn)成本，并有助于醫(yī)療領(lǐng)域和航天飛機、工業(yè)材料縫隙檢測領(lǐng)域開發(fā)出全新的、便宜的超聲波掃描儀。

Repeatafterme

潮流

Howfarcouldthistechnologygo

MrIdelchik,ofGEGlobalResearch,hashissightssethigh:“Onedaywewillprintanengine.”Butanumberofmanufacturers,suchasGEandRolls-Royce,believethatsomeformofhybridprintingsystemwillemerge.Thiswouldproducetheoutlineofashape,thussavingonmaterial,whichcanthenbemachinedforprecision.

這種技術(shù)還能走多遠(yuǎn)？通用全球研究中心的Idelchik高度評價：“有一天，我們將用它生產(chǎn)發(fā)動機。”但許多工業(yè)制造商，如通用公司和勞斯萊斯公司，相信會出現(xiàn)一種混合型的3D印制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)將生產(chǎn)流水線的外型，以便節(jié)省材料，并且準(zhǔn)確地安裝在其他裝置上。

TheReplicator,aroboticrapid-manufacturingsystemmadebyCybamanTechnologies,aBritishfirm,alreadygetsclose.Thesizeofalargerefrigerator,itiscapableofbothsubtractiveandadditivemanufacturing.Itusesalaser-baseddepositionsystemtobuildabasicshapewhichisfinishedbymachining.TheReplicator,asbefitsitsname,isalsocapableofreverseengineeringbydigitallyscanninganobjectplacedinsideittoproducethedataneededtobuildanexactreplica.

英國公司CybamanTechnologies生產(chǎn)的自動化快速生產(chǎn)系統(tǒng)“復(fù)制者”已經(jīng)十分接近這個目標(biāo)。大型的“復(fù)制者”已經(jīng)包括復(fù)制型生產(chǎn)系統(tǒng)和添加型生產(chǎn)系統(tǒng)。它使用一個基于激光的系統(tǒng)，通過機械制造基本的外型?！皬?fù)制者”，機如其名，它同時包括一個反向制作系統(tǒng)，通過將放置到它里面的物體進行數(shù)據(jù)化掃描，能產(chǎn)生可用于復(fù)制生產(chǎn)的三維數(shù)據(jù)。

TheReplicatorisasnearascurrenttechnologycangettotheteleporterofsciencefiction.Itcouldscananobjectinoneplaceandtellanothermachineontheothersideoftheworldhowtobuildacopy.Thatmeans,forinstance,thaturgentlyneededsparescouldbeproducedinremoteplaceswithouthavingtoshipanything.Evenpartsthatarenolongeravailablecouldbereplicated,byscanningabrokenitem,repairingitvirtuallyandthenprintinganewone.Thechancesare,though,thatdigitallibrarieswillappearonlineforpartsandproductsthatarenolongeravailable.Justastheemergenceofe-booksmeansbooksmaynevergooutofprint,componentscouldalwaysremainavailable.Servicemechanicscouldhaveportable3Dprintersintheirvans,orhardwarestorescouldofferpart-printingservices.

復(fù)制者是最接近現(xiàn)化科幻小說里提到的“傳送機械”的技術(shù)。它能在某個地方掃描物體后，通知另一地點的機器怎么制作一個復(fù)制品。舉個例子，這表示許多緊急的物品不需要再快馬加鞭的長途運送，就可以在遠(yuǎn)處直接生產(chǎn)。通過掃描損壞的零部件，可以直接修復(fù)它并生產(chǎn)一個全新的出來，這樣就可以替換掉那些不能用的零部件。數(shù)據(jù)圖書館將已不能再使用的零部件和產(chǎn)品的數(shù)據(jù)上線，這是一個機會。就像電子書的出現(xiàn)，意味著書籍永遠(yuǎn)不會消失，因為書都可以在網(wǎng)上找到并使用。服務(wù)商會開著面包車裝一臺便攜式3D印制器，或者在實體商店提供書籍部分打印服務(wù)。

3Dprinterswouldalsobeinvaluableinremoteareas.DeondeBeerofVaalUniversityofTechnologynearJohannesburgisworkingonaprojectcalledtheIdea2ProductLabwhichuseslow-cost3Dprintersfortrainingandtosparkaninterestindesignandmanufacturingamongstudents.Whensettingupasimilarlabatoneofthecollege’ssatellitecampusesatUpington,alargelyruralareaintheNorthernCape,histeamfounditselfshortofaparticulartypeofflatspanner.Ratherthanwaitingdaysforthecorrecttooltobedelivered,itprintedoneandcompletedthejob.

3D印制器對偏遠(yuǎn)地區(qū)來說更是無價之寶，約翰內(nèi)斯堡的DeondeBeerofVaal科技大學(xué)正在進行一個稱為“從點子到產(chǎn)品”的項目，就是應(yīng)用低成本的3D印制技術(shù)來訓(xùn)練和開拓學(xué)生們在設(shè)計和工作制造方面的興趣。位于北開普省農(nóng)村地區(qū)的阿平頓的一所大學(xué)的衛(wèi)星學(xué)院里成立了一個類似的實驗室后，他的團隊發(fā)現(xiàn)他們?nèi)鄙僖粋€特定型號的平面板手，他們不是花費好幾天來等合適的工具送過來，而是自己印制了一個，然后完成了工作。

Insteadofaspannerthiscouldhavebeenasmallplasticpart,perhapstofixapieceofequipmentinalocalhospitalortorepairanagriculturalmachine,saysMrdeBeer.Hebelieves3Dprinterscould“produceanewbreedofmechanicalengineers”,especiallyinruralregions.

deBeer先生說：這次是一個板手，下次可能是一小片塑料塊，或許是用于修理當(dāng)?shù)蒯t(yī)院的某個設(shè)備，或許是用于修復(fù)某個農(nóng)業(yè)機械。他深信，3D印制法能“培養(yǎng)新型的機械工程師”，尤其是在偏遠(yuǎn)地區(qū)。

Somepeoplealreadyhave3Dprintersathome.Industrial3D-printingsystemsstartatabout$15,000andgouptomorethan$1m,saysMrWohlers.Butcheaperdesktopmachinesarecreatinganentirelynewmarket(seechart5).Thisismadeupofhobbyists,do-it-yourselfenthusiasts,tinkerers,inventors,researchersandentrepreneurs.Some3D-printingsystemscanbebuiltfromkitsanduseopen-sourcesoftware.Butbigproducersof3Dprintersarealsoenteringthemarket.

一些人已將3D印制器帶回家。Wohlers先生說，工業(yè)化生產(chǎn)的3D印制系統(tǒng)開始是要15000美元，現(xiàn)在上升到超過1百萬。但是便宜的桌