未来通过3D打印,人人都可以拥有这样个性化、设计精细的戒指
文/卢秉恒
3D打印是万能的吗?3D打印是多快好省、还是少慢粗贵?3D打印是“馅饼”还是“陷阱”?3D打印是炒得过热、还是认识不足?
人类制造技术的发展已有几千年历史了,三星堆文化遗址中的青铜器、秦陵兵马俑中的铜车马都展现了高超的铸造技术。铸、锻、焊技术没有改变材料的质量,被称为“等材制造”。而车、铣、磨技术则使材料在制造中减少,因此被称为“减材制造”。近三十年来,一种新的增材制造技术取得了飞速发展,也就是我们俗称的“3D打印”。
或许有一天,3D打印技术能打印出种子和细胞
2012年3月,为振兴美国的
制造业,美国总统奥巴马向美国国会提出“制造创新国家网络”(NNMI),其目的在于夺回制造业霸主地位,宣称要用一半的时间和费用完成产品开发,实现“在美国设计、在美国制造”,使更多的美国人返回工作岗位。增材制造项目作为NNMI第一个项目,获得启动资金7500万美元。显然,美国政府已经将增材制造技术作为国家制造业发展的首要战略任务给予支持。
增材制造何以具有如此大的魅力和如此重要的战略地位?这还要从它的概念说起。增材制造技术是信息化和工业化融合的典型代表,通过CAD设计数据,采用材料逐层累加的方法制造实体零件。在材料累加时把哪种材料放到哪个点上都是由计算机来控制的,正因为每个点都能控制到,所以可以利用三维设计数据在一台设备上快速而精确地制造出任意复杂形状的零件,从而实现“自由制造”。这种技术不需要传统的刀具、夹具及多道加工工序,大大减少了加工工序,缩短了加工周期。而且越是复杂结构的产品,其制造的速度作用越显著。回想以往,制造零件先得考虑有没有模具,没有模具零件就做不出来；或者刀具能否进行加工,因为如果零件内部要求很高的精度,刀具完成不了,那么零件也难以制造。
增材制造的特点是单件或小批量的快速制造,这一技术特点决定了增材制造在产品创新中具有显著的作用,美国《时代》周刊就将增材制造列为“美国十大增长最快的工业”。美国专门从事增材制造技术咨询服务的沃勒斯(Wohlers)协会的分析数据显示,2012年增材制造设备与服务全球直接产值22.04亿美元,增长率为28.6%,其中,服务业产值的增长率为36.6%,高于设备材料20.3%的增长率。在增材制造应用方面,消费商品和电子领域仍占主导地位,约占20.3%；航空航天领域近年来逐渐增加至12.1%,医学和牙科领域从13.6%增加到15.9%。我们知道,骨头断了要修补,牙齿需要矫正、补牙,增材制造什么形状都能做,不需要模具,最合适个性化的医疗产品,因此在医学上有很大用处,这也是制造业增值的一个很大的亮点。
目前美国在设备的拥有量上占全球的38%,中国继日本和德国之后,以约9%的数量占第四位。在设备产量方面,美国3D打印设备产量最高,占世界的72.9%,欧洲以10.2%、以色列以9.3%位居第二和第三,中国设备产量占3.6%。一方面中国在这方面的差距不是很大,另一方面与我们的制造业大国的地位还不是很相配。增材制造首先是产品开发的技术,这一技术用得多少也说明了一个国家在创新或者在经济上的活力。我们国家应用该技术最多、最早的地区是珠三角地区、长三角地区,也正是因为这些地方制造业相对发达、对创新也比较敏感。
曾经有一个增材制造方面的教授去小学给孩子们讲3D打印,有个孩子就很兴奋地提问到:“3D打印能不能打印出种子来?”老教授深为小孩子的“奇思妙想”所折服。那么,增材制造技术是不是什么都可以制造呢?事实上,包括塑料、木材、玻璃、水泥建筑、金属、陶瓷、彩色石膏等材料都可以打印,目前人体器官再造的前沿研究也正在进行中。一位生物学领域的老院士也非常看好增材制造技术的前景,他曾经激动地说:“以后说不定我们还能打印细胞,用打印细胞的办法来尝试改善人类的基因。”老院士和小孩子的思维竟有异曲同工之妙！我们足可期待,增材制造技术是万能的。然而值得注意的是,增材制造技术相比其他制造技术而言尚处于萌芽期、成长期(这从增材制造技术的全球产值或可见一二),没有科研创新,没有艰苦长期的探索,则万万不能。总之,万能还是万不能,事在人为。
从创新的角度看,3D打印技术是多、快、好、省的
有数据显示,“龙”飞船2号的推进器功率是“龙”飞船1号的200倍！这个200倍很不容易,上天的飞船要实现推力大200倍,发动机不可能随之增大200倍,这个重量不得了！而这主要得益于增材制造技术制造的发动机耐高温零件。美国宇航局(NASA)去年八月份发布消息称,使用3D打印技术可以打印出一个可以耐温到3300摄氏度的零件,这使得不增加重量的前提下增大发动机的推力成为可能。
为什么制造3300摄氏度耐高温的零件必须用增材制造技术?事实上,传统的制造金属零件的方法均无法满足如此的高温,铸造到3300摄氏度连沙子都将融化。而增材制造技术则可以使用激光在一个点上烧制,那么这个点的温度就能够达到非常高。由此可知,增材制造技术是一项颠覆性技术,原来我们不可想象发动机零件耐温度这么高！
那么这样一项技术,是少慢差费、还是多快好省呢?有观点认为,使用传统制造方法制造零件,一个接一个制作,成本很低,使用增材制造技术可能需要几个礼拜才能做出一个零件来。事实果真如此吗?
首先我们聚焦于增材制造技术应用的战略性领域——航空航天技术方面。我们发现,美国从上世纪80年代就开始飞机关键件的增材制造技术研究,最近美国相关部门评估了将其应用于美国F35战机的可行性,评估认为这不仅可以将制造周期大大缩短,并且可以比传统制造技术成倍地节约制造费用。此外,美国制造某发动机上的2500个零件的案例表明,传统制造方法的费用为$60,000,时间为12个月,而是用增材制造技术,费用为$20,000,时间仅需1.5个月,节约了约66%的成本和87.5%的时间。再比如,使用传统制造方式需要做模具等一系列配套服务工作,比如制造飞机需要用各种设备、通过一道接一道的工序来完成,要将框架一个一个铆接起来,对精度配合的要求很高,这样一来成本就很高。但是使用增材制造技术制造飞机,将蒙皮、梁、衍、檩条等复合为一体制造,省略了配合面的制造精度要求及连接件的工作,只要设备足够大,我们可以直接打印出一架飞机机身来。
在竞争激烈的商战中,增材制造技术多快好省的优势更为突出。目前,增材制造已成为欧美等国新产品开发的必由之路,2011年9月,世界上第一辆“打印汽车”在加拿大亮相,8马力,最高时速可达112公里。最令人吃惊的是这辆“打印汽车”百公里耗油量1.17升——这个数据我们现在都做不到。美国汽车开发大量使用增材制造技术,助力新车型快速上市、及汽车工业的回暖。福特公司就表示,3D打印技术让福特汽车走在数字
革命的前沿。据悉,福特商用车搭载的3.5升EcoBoost发动机中的许多部件都是通过3D快速成型生产技术开发而成的,这提高了整个开发效率,缩短了上市周期,并降低了时间和成本。另外,美国GE公司通过增材制造技术将原来20个零件的发动机喷嘴集成为一个件,减重25%,增效15%。此一项技术就为GE公司争取到85000个零件订单。
所以,从创新和研发的角度来看,增材制造技术其实是多、快、好、省的。
如能创新技术、创新商业模式,3D打印技术将是一块“大馅饼”,否则有可能成为“陷阱”
美国GE公司曾经在网上发布了一个“挑战3D打印”计划,他们提出一个飞机零件,邀请众多设计师进行设计,最后由GE公司评选出最优设计方案,并用增材制造技术去做。后来,GE公司征集到700多个设计方案,最后做成了8个。值得一提的是,第一个方案只用了原来零件重量的六分之一就解决问题了,节约了这么多重量,可以有效降低燃料成本、运营成本,这在飞机制造上意义重大。这是增材制造技术实现集散制造的一个经典案例,同时也强有力的证明:社会创新(创客)具有无限的潜力。
英国《经济学人》杂志认为增材制造技术将“与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业革命”,认为该技术改变未来生产与生活模式,实现社会化制造,每个人都可以成为一个工厂,它将改变制造商品的方式,并改变世界的经济格局,进而改变人类的生活方式。
事实上,增材制造技术改变了工艺设计流程,在美国已成为产品开发的必须程序,对于中国制造业而言,现在我们是制造业大国,但还不是制造业强国,制造业新产品的开发能力比较弱,一些生产型企业生产能力过剩,开发能力严重不足,增材制造技术可以弥补这方面的不足。同时有助于培养全民尤其是青少年的创新精神与设计热情。最为重要的是,未来的生产模式和商业模式将随之改变。
日后的制造业,原材料的形式有可能是粉体材料,每个家庭都可以成为一个工厂,企业可能只生产一些控制部分,外壳之类的部件完全可以自己打印。这一方面节约了售价,另外也能满足个性化的需求。设计师也有可能不再隶属于某个企业,而是成为一个“创客”,他们的设计直接放在云计算平台,顾客看到漂亮的设计图可以直接购买、下载、打印。
信息化时代的商业模式正在发生变化,个性化消费越来越多,我们应该考虑的是如何实现以批量制造的成本与周期满足个性化消费的需求。现在的年轻人喜欢在电脑前选购商品,那么,未来的商业模式很有可能是这样的:将“网购一族”们的个性化需求集中为批量订单,将创客的设计理念集中为众创设计,将众需分包生产,比如一件产品很有可能是在某个家庭里生产制造的。这样,通过计算机计算制造,把分散的订单资源整合成一个统一的订单设计资源,再把订单分包制造。因此,增材制造技术是支撑集散制造的最适合的制造技术。其根本原因就在于其工艺的一致性、材料形态的一致性、数据的一致性,另外报价也非常简单,只需重量乘以单价即可。
增材制造到底会不会引发第三次工业革命?这是有可能的,但该技术将不能独行,而是需要和云平台、大数据技术等信息化手段一起,以满足个性化的需求。
德国曾提出工业4.0计划,即将物联网与互联网结合,实现智能制造、节约型制造和近家庭工厂。事实上,增材制造技术最符合德国工业4.0的目标——敏捷生产、绿色制造、泛在制造。
增材制造为产品、装备的创新设计开辟了巨大的空间,对提升产品开发水平,改变生产能力过剩、高端产品严重不足而言,是制造业转型升级的抓手,不仅在各制造领域有重要的应用前景,而且对社会生活模式将带来重大影响。
但这并不意味着增材制造技术就是一块大馅饼,选准切入点和切入时机是重要的。如果能创新核心技术、创新商业模式,敢为人先,那将会有丰厚的利润。2014年被认为是3D打印之年。据《沃勒斯报告2013》预测,预计2015年,3D打印产业规模有望达到40亿美元,至2017年该产业市场规模将达60亿美元。到2021年,市场规模将达到108亿美元。但是,如果盲目杀入增材制造市场,则很有可能掉入陷阱。
国内对3D打印技术不是炒得过热,而是认识不足
我了解到,近一两年内,国内做FDM设备(一种快速成型设备)的公司出现了将近两百个,我觉得这个就有点过热了。FDM机器的技术门槛很低,很多人都能做,可以预见的是,市面上最后只能靠价格竞争,大家都将没有利润。因为没有研发能力,产品不可能提高。现在的FDM设备,有时候打印头堵住了就不好用了,有的很便宜的机器还都没有清洗的功能,另外工艺温度也无法很好地控制,因此产品制作出来很粗糙。总之,缺乏核心技术研究,工艺简单的FDM机器必须向智能提高。增材制造市场有可能是“馅饼”,也有可能是“陷阱”。避免盲目杀入、防止恶性竞争的办法,还是要靠核心竞争力,要靠创新,我们必须有自己的“一招鲜”。
现在我们国家有一些汽车企业部分地使用了增材制造技术,但是用得不够深、不够广,一些技术使用起来还不够流畅。相比较而言,美国的三大汽车公司已经基本做到了用先进制造技术改变传统制造业、调整产品结构。
总体而言,我国目前的研究工作以开发为主,缺乏基础研究,工艺研究不深不透,对金属增材制造件的组织结构、强度标准等缺乏系统深入研究,对材料、关键元器件如激光器等的研究也不够深入。从产业现状来看,增材制造技术应用总量太少,不能支撑我国制造业从制造大国走向创新强国,装备制造及应用服务的企业规模均太小。美国一家牙齿矫形器企业,去年一次购进了150台增材制造设备,用以制作矫形牙套,而我国北京一家企业的采购量仅为6台。
(作者系中国工程院院士、西安交通大学机械工程学院院长)
[编辑: 孙伟]
