未來通過3D打印,人人都可以擁有這樣個性化、設計精細的戒指

　　文/盧秉恒

　　3D打印是萬能的嗎?3D打印是多快好省、還是少慢粗貴?3D打印是“餡餅”還是“陷阱”?3D打印是炒得過熱、還是認識不足?

　　人類制造技術的發展已有幾千年歷史了,三星堆文化遺址中的青銅器、秦陵兵馬俑中的銅車馬都展現了高超的鑄造技術。鑄、鍛、焊技術沒有改變材料的質量,被稱為“等材制造”。而車、銑、磨技術則使材料在制造中減少,因此被稱為“減材制造”。近三十年來,一種新的增材制造技術取得了飛速發展,也就是我們俗稱的“3D打印”。

　　或許有一天,3D打印技術能打印出種子和細胞

　　2012年3月,為振興美國的制造業,美國總統奧巴馬向美國國會提出“制造創新國家網絡”(NNMI),其目的在于奪回制造業霸主地位,宣稱要用一半的時間和費用完成產品開發,實現“在美國設計、在美國制造”,使更多的美國人返回工作崗位。增材制造項目作為NNMI第一個項目,獲得啟動資金7500萬美元。顯然,美國政府已經將增材制造技術作為國家制造業發展的首要戰略任務給予支持。

　　增材制造何以具有如此大的魅力和如此重要的戰略地位?這還要從它的概念說起。增材制造技術是信息化和工業化融合的典型代表,通過CAD設計數據,采用材料逐層累加的方法制造實體零件。在材料累加時把哪種材料放到哪個點上都是由計算機來控制的,正因為每個點都能控制到,所以可以利用三維設計數據在一臺設備上快速而精確地制造出任意復雜形狀的零件,從而實現“自由制造”。這種技術不需要傳統的刀具、夾具及多道加工工序,大大減少了加工工序,縮短了加工周期。而且越是復雜結構的產品,其制造的速度作用越顯著。回想以往,制造零件先得考慮有沒有模具,沒有模具零件就做不出來；或者刀具能否進行加工,因為如果零件內部要求很高的精度,刀具完成不了,那么零件也難以制造。

　　增材制造的特點是單件或小批量的快速制造,這一技術特點決定了增材制造在產品創新中具有顯著的作用,美國《時代》周刊就將增材制造列為“美國十大增長最快的工業”。美國專門從事增材制造技術咨詢服務的沃勒斯(Wohlers)協會的分析數據顯示,2012年增材制造設備與服務全球直接產值22.04億美元,增長率為28.6%,其中,服務業產值的增長率為36.6%,高于設備材料20.3%的增長率。在增材制造應用方面,消費商品和電子領域仍占主導地位,約占20.3%；航空航天領域近年來逐漸增加至12.1%,醫學和牙科領域從13.6%增加到15.9%。我們知道,骨頭斷了要修補,牙齒需要矯正、補牙,增材制造什么形狀都能做,不需要模具,最合適個性化的醫療產品,因此在醫學上有很大用處,這也是制造業增值的一個很大的亮點。

　　目前美國在設備的擁有量上占全球的38%,中國繼日本和德國之后,以約9%的數量占第四位。在設備產量方面,美國3D打印設備產量最高,占世界的72.9%,歐洲以10.2%、以色列以9.3%位居第二和第三,中國設備產量占3.6%。一方面中國在這方面的差距不是很大,另一方面與我們的制造業大國的地位還不是很相配。增材制造首先是產品開發的技術,這一技術用得多少也說明了一個國家在創新或者在經濟上的活力。我們國家應用該技術最多、最早的地區是珠三角地區、長三角地區,也正是因為這些地方制造業相對發達、對創新也比較敏感。

　　曾經有一個增材制造方面的教授去小學給孩子們講3D打印,有個孩子就很興奮地提問到:“3D打印能不能打印出種子來?”老教授深為小孩子的“奇思妙想”所折服。那么,增材制造技術是不是什么都可以制造呢?事實上,包括塑料、木材、玻璃、水泥建筑、金屬、陶瓷、彩色石膏等材料都可以打印,目前人體器官再造的前沿研究也正在進行中。一位生物學領域的老院士也非常看好增材制造技術的前景,他曾經激動地說:“以后說不定我們還能打印細胞,用打印細胞的辦法來嘗試改善人類的基因。”老院士和小孩子的思維竟有異曲同工之妙！我們足可期待,增材制造技術是萬能的。然而值得注意的是,增材制造技術相比其他制造技術而言尚處于萌芽期、成長期(這從增材制造技術的全球產值或可見一二),沒有科研創新,沒有艱苦長期的探索,則萬萬不能。總之,萬能還是萬不能,事在人為。

　　從創新的角度看,3D打印技術是多、快、好、省的

　　有數據顯示,“龍”飛船2號的推進器功率是“龍”飛船1號的200倍！這個200倍很不容易,上天的飛船要實現推力大200倍,發動機不可能隨之增大200倍,這個重量不得了！而這主要得益于增材制造技術制造的發動機耐高溫零件。美國宇航局(NASA)去年八月份發布消息稱,使用3D打印技術可以打印出一個可以耐溫到3300攝氏度的零件,這使得不增加重量的前提下增大發動機的推力成為可能。

　　為什么制造3300攝氏度耐高溫的零件必須用增材制造技術?事實上,傳統的制造金屬零件的方法均無法滿足如此的高溫,鑄造到3300攝氏度連沙子都將融化。而增材制造技術則可以使用激光在一個點上燒制,那么這個點的溫度就能夠達到非常高。由此可知,增材制造技術是一項顛覆性技術,原來我們不可想象發動機零件耐溫度這么高！

　　那么這樣一項技術,是少慢差費、還是多快好省呢?有觀點認為,使用傳統制造方法制造零件,一個接一個制作,成本很低,使用增材制造技術可能需要幾個禮拜才能做出一個零件來。事實果真如此嗎?

　　首先我們聚焦于增材制造技術應用的戰略性領域——航空航天技術方面。我們發現,美國從上世紀80年代就開始飛機關鍵件的增材制造技術研究,最近美國相關部門評估了將其應用于美國F35戰機的可行性,評估認為這不僅可以將制造周期大大縮短,并且可以比傳統制造技術成倍地節約制造費用。此外,美國制造某發動機上的2500個零件的案例表明,傳統制造方法的費用為$60,000,時間為12個月,而是用增材制造技術,費用為$20,000,時間僅需1.5個月,節約了約66%的成本和87.5%的時間。再比如,使用傳統制造方式需要做模具等一系列配套服務工作,比如制造飛機需要用各種設備、通過一道接一道的工序來完成,要將框架一個一個鉚接起來,對精度配合的要求很高,這樣一來成本就很高。但是使用增材制造技術制造飛機,將蒙皮、梁、衍、檁條等復合為一體制造,省略了配合面的制造精度要求及連接件的工作,只要設備足夠大,我們可以直接打印出一架飛機機身來。

　　在競爭激烈的商戰中,增材制造技術多快好省的優勢更為突出。目前,增材制造已成為歐美等國新產品開發的必由之路,2011年9月,世界上第一輛“打印汽車”在加拿大亮相,8馬力,最高時速可達112公里。最令人吃驚的是這輛“打印汽車”百公里耗油量1.17升——這個數據我們現在都做不到。美國汽車開發大量使用增材制造技術,助力新車型快速上市、及汽車工業的回暖。福特公司就表示,3D打印技術讓福特汽車走在數字革命的前沿。據悉,福特商用車搭載的3.5升EcoBoost發動機中的許多部件都是通過3D快速成型生產技術開發而成的,這提高了整個開發效率,縮短了上市周期,并降低了時間和成本。另外,美國GE公司通過增材制造技術將原來20個零件的發動機噴嘴集成為一個件,減重25%,增效15%。此一項技術就為GE公司爭取到85000個零件訂單。

　　所以,從創新和研發的角度來看,增材制造技術其實是多、快、好、省的。

　　如能創新技術、創新商業模式,3D打印技術將是一塊“大餡餅”,否則有可能成為“陷阱”

　　美國GE公司曾經在網上發布了一個“挑戰3D打印”計劃,他們提出一個飛機零件,邀請眾多設計師進行設計,最后由GE公司評選出最優設計方案,并用增材制造技術去做。后來,GE公司征集到700多個設計方案,最后做成了8個。值得一提的是,第一個方案只用了原來零件重量的六分之一就解決問題了,節約了這么多重量,可以有效降低燃料成本、運營成本,這在飛機制造上意義重大。這是增材制造技術實現集散制造的一個經典案例,同時也強有力的證明:社會創新(創客)具有無限的潛力。

　　英國《經濟學人》雜志認為增材制造技術將“與其他數字化生產模式一起推動實現第三次工業革命”,認為該技術改變未來生產與生活模式,實現社會化制造,每個人都可以成為一個工廠,它將改變制造商品的方式,并改變世界的經濟格局,進而改變人類的生活方式。

　　事實上,增材制造技術改變了工藝設計流程,在美國已成為產品開發的必須程序,對于中國制造業而言,現在我們是制造業大國,但還不是制造業強國,制造業新產品的開發能力比較弱,一些生產型企業生產能力過剩,開發能力嚴重不足,增材制造技術可以彌補這方面的不足。同時有助于培養全民尤其是青少年的創新精神與設計熱情。最為重要的是,未來的生產模式和商業模式將隨之改變。

　　日后的制造業,原材料的形式有可能是粉體材料,每個家庭都可以成為一個工廠,企業可能只生產一些控制部分,外殼之類的部件完全可以自己打印。這一方面節約了售價,另外也能滿足個性化的需求。設計師也有可能不再隸屬于某個企業,而是成為一個“創客”,他們的設計直接放在云計算平臺,顧客看到漂亮的設計圖可以直接購買、下載、打印。

　　信息化時代的商業模式正在發生變化,個性化消費越來越多,我們應該考慮的是如何實現以批量制造的成本與周期滿足個性化消費的需求。現在的年輕人喜歡在電腦前選購商品,那么,未來的商業模式很有可能是這樣的:將“網購一族”們的個性化需求集中為批量訂單,將創客的設計理念集中為眾創設計,將眾需分包生產,比如一件產品很有可能是在某個家庭里生產制造的。這樣,通過計算機計算制造,把分散的訂單資源整合成一個統一的訂單設計資源,再把訂單分包制造。因此,增材制造技術是支撐集散制造的最適合的制造技術。其根本原因就在于其工藝的一致性、材料形態的一致性、數據的一致性,另外報價也非常簡單,只需重量乘以單價即可。

　　增材制造到底會不會引發第三次工業革命?這是有可能的,但該技術將不能獨行,而是需要和云平臺、大數據技術等信息化手段一起,以滿足個性化的需求。

　　德國曾提出工業4.0計劃,即將物聯網與互聯網結合,實現智能制造、節約型制造和近家庭工廠。事實上,增材制造技術最符合德國工業4.0的目標——敏捷生產、綠色制造、泛在制造。

　　增材制造為產品、裝備的創新設計開辟了巨大的空間,對提升產品開發水平,改變生產能力過剩、高端產品嚴重不足而言,是制造業轉型升級的抓手,不僅在各制造領域有重要的應用前景,而且對社會生活模式將帶來重大影響。

　　但這并不意味著增材制造技術就是一塊大餡餅,選準切入點和切入時機是重要的。如果能創新核心技術、創新商業模式,敢為人先,那將會有豐厚的利潤。2014年被認為是3D打印之年。據《沃勒斯報告2013》預測,預計2015年,3D打印產業規模有望達到40億美元,至2017年該產業市場規模將達60億美元。到2021年,市場規模將達到108億美元。但是,如果盲目殺入增材制造市場,則很有可能掉入陷阱。

　　國內對3D打印技術不是炒得過熱,而是認識不足

　　我了解到,近一兩年內,國內做FDM設備(一種快速成型設備)的公司出現了將近兩百個,我覺得這個就有點過熱了。FDM機器的技術門檻很低,很多人都能做,可以預見的是,市面上最后只能靠價格競爭,大家都將沒有利潤。因為沒有研發能力,產品不可能提高。現在的FDM設備,有時候打印頭堵住了就不好用了,有的很便宜的機器還都沒有清洗的功能,另外工藝溫度也無法很好地控制,因此產品制作出來很粗糙。總之,缺乏核心技術研究,工藝簡單的FDM機器必須向智能提高。增材制造市場有可能是“餡餅”,也有可能是“陷阱”。避免盲目殺入、防止惡性競爭的辦法,還是要靠核心競爭力,要靠創新,我們必須有自己的“一招鮮”。

　　現在我們國家有一些汽車企業部分地使用了增材制造技術,但是用得不夠深、不夠廣,一些技術使用起來還不夠流暢。相比較而言,美國的三大汽車公司已經基本做到了用先進制造技術改變傳統制造業、調整產品結構。

　　總體而言,我國目前的研究工作以開發為主,缺乏基礎研究,工藝研究不深不透,對金屬增材制造件的組織結構、強度標準等缺乏系統深入研究,對材料、關鍵元器件如激光器等的研究也不夠深入。從產業現狀來看,增材制造技術應用總量太少,不能支撐我國制造業從制造大國走向創新強國,裝備制造及應用服務的企業規模均太小。美國一家牙齒矯形器企業,去年一次購進了150臺增材制造設備,用以制作矯形牙套,而我國北京一家企業的采購量僅為6臺。

　　(作者系中國工程院院士、西安交通大學機械工程學院院長)

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