未來通過3D打印,人人都可以擁有這樣個性化、設(shè)計精細(xì)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(rèn)識不足?

　　人類制造技術(shù)的發(fā)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(xiàn)了高超的鑄造技術(shù)。鑄、鍛、焊技術(shù)沒有改變材料的質(zhì)量,被稱為“等材制造”。而車、銑、磨技術(shù)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(shù)取得了飛速發(fā)展,也就是我們俗稱的“3D打印”。

　　或許有一天,3D打印技術(shù)能打印出種子和細(xì)胞

　　2012年3月,為振興美國的制造業(yè),美國總統(tǒng)奧巴馬向美國國會提出“制造創(chuàng)新國家網(wǎng)絡(luò)”(NNMI),其目的在于奪回制造業(yè)霸主地位,宣稱要用一半的時間和費用完成產(chǎn)品開發(fā),實現(xiàn)“在美國設(shè)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(jīng)將增材制造技術(shù)作為國家制造業(yè)發(fā)展的首要戰(zhàn)略任務(wù)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(zhàn)略地位?這還要從它的概念說起。增材制造技術(shù)是信息化和工業(yè)化融合的典型代表,通過CAD設(shè)計數(shù)據(jù),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(shè)計數(shù)據(jù)在一臺設(shè)備上快速而精確地制造出任意復(fù)雜形狀的零件,從而實現(xiàn)“自由制造”。這種技術(shù)不需要傳統(tǒng)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(fù)雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)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(jìn)行加工,因為如果零件內(nèi)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(shù)特點決定了增材制造在產(chǎn)品創(chuàng)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(yè)”。美國專門從事增材制造技術(shù)咨詢服務(wù)的沃勒斯(Wohlers)協(xié)會的分析數(shù)據(jù)顯示,2012年增材制造設(shè)備與服務(wù)全球直接產(chǎn)值22.04億美元,增長率為28.6%,其中,服務(wù)業(yè)產(chǎn)值的增長率為36.6%,高于設(shè)備材料20.3%的增長率。在增材制造應(yīng)用方面,消費商品和電子領(lǐng)域仍占主導(dǎo)地位,約占20.3%；航空航天領(lǐng)域近年來逐漸增加至12.1%,醫(yī)學(xué)和牙科領(lǐng)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(yī)療產(chǎn)品,因此在醫(yī)學(xué)上有很大用處,這也是制造業(yè)增值的一個很大的亮點。

　　目前美國在設(shè)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(shù)量占第四位。在設(shè)備產(chǎn)量方面,美國3D打印設(shè)備產(chǎn)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(shè)備產(chǎn)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(yè)大國的地位還不是很相配。增材制造首先是產(chǎn)品開發(fā)的技術(shù),這一技術(shù)用得多少也說明了一個國家在創(chuàng)新或者在經(jīng)濟上的活力。我們國家應(yīng)用該技術(shù)最多、最早的地區(qū)是珠三角地區(qū)、長三角地區(qū),也正是因為這些地方制造業(yè)相對發(fā)達(dá)、對創(chuàng)新也比較敏感。

　　曾經(jīng)有一個增材制造方面的教授去小學(xué)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(shù)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(jìn)行中。一位生物學(xué)領(lǐng)域的老院士也非常看好增材制造技術(shù)的前景,他曾經(jīng)激動地說:“以后說不定我們還能打印細(xì)胞,用打印細(xì)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(shù)是萬能的。然而值得注意的是,增材制造技術(shù)相比其他制造技術(shù)而言尚處于萌芽期、成長期(這從增材制造技術(shù)的全球產(chǎn)值或可見一二),沒有科研創(chuàng)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(chuàng)新的角度看,3D打印技術(shù)是多、快、好、省的

　　有數(shù)據(jù)顯示,“龍”飛船2號的推進(jìn)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(xiàn)推力大200倍,發(fā)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(shù)制造的發(fā)動機耐高溫零件。美國宇航局(NASA)去年八月份發(fā)布消息稱,使用3D打印技術(shù)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(fā)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(shù)?事實上,傳統(tǒng)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(shù)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(dá)到非常高。由此可知,增材制造技術(shù)是一項顛覆性技術(shù),原來我們不可想象發(fā)動機零件耐溫度這么高！

　　那么這樣一項技術(shù),是少慢差費、還是多快好省呢?有觀點認(rèn)為,使用傳統(tǒng)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(shù)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(shù)應(yīng)用的戰(zhàn)略性領(lǐng)域——航空航天技術(shù)方面。我們發(fā)現(xiàn),美國從上世紀(jì)80年代就開始飛機關(guān)鍵件的增材制造技術(shù)研究,最近美國相關(guān)部門評估了將其應(yīng)用于美國F35戰(zhàn)機的可行性,評估認(rèn)為這不僅可以將制造周期大大縮短,并且可以比傳統(tǒng)制造技術(shù)成倍地節(jié)約制造費用。此外,美國制造某發(fā)動機上的2500個零件的案例表明,傳統(tǒng)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(shù),費用為$20,000,時間僅需1.5個月,節(jié)約了約66%的成本和87.5%的時間。再比如,使用傳統(tǒng)制造方式需要做模具等一系列配套服務(wù)工作,比如制造飛機需要用各種設(shè)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(shù)制造飛機,將蒙皮、梁、衍、檁條等復(fù)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(shè)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(zhàn)中,增材制造技術(shù)多快好省的優(yōu)勢更為突出。目前,增材制造已成為歐美等國新產(chǎn)品開發(fā)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(dá)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(shù)據(jù)我們現(xiàn)在都做不到。美國汽車開發(fā)大量使用增材制造技術(shù),助力新車型快速上市、及汽車工業(yè)的回暖。福特公司就表示,3D打印技術(shù)讓福特汽車走在數(shù)字革命的前沿。據(jù)悉,福特商用車搭載的3.5升EcoBoost發(fā)動機中的許多部件都是通過3D快速成型生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)而成的,這提高了整個開發(fā)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(shù)將原來20個零件的發(fā)動機噴嘴集成為一個件,減重25%,增效15%。此一項技術(shù)就為GE公司爭取到85000個零件訂單。

　　所以,從創(chuàng)新和研發(fā)的角度來看,增材制造技術(shù)其實是多、快、好、省的。

　　如能創(chuàng)新技術(shù)、創(chuàng)新商業(yè)模式,3D打印技術(shù)將是一塊“大餡餅”,否則有可能成為“陷阱”

　　美國GE公司曾經(jīng)在網(wǎng)上發(fā)布了一個“挑戰(zhàn)3D打印”計劃,他們提出一個飛機零件,邀請眾多設(shè)計師進(jìn)行設(shè)計,最后由GE公司評選出最優(yōu)設(shè)計方案,并用增材制造技術(shù)去做。后來,GE公司征集到700多個設(shè)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(jié)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(shù)實現(xiàn)集散制造的一個經(jīng)典案例,同時也強有力的證明:社會創(chuàng)新(創(chuàng)客)具有無限的潛力。

　　英國《經(jīng)濟學(xué)人》雜志認(rèn)為增材制造技術(shù)將“與其他數(shù)字化生產(chǎn)模式一起推動實現(xiàn)第三次工業(yè)革命”,認(rèn)為該技術(shù)改變未來生產(chǎn)與生活模式,實現(xiàn)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(jīng)濟格局,進(jìn)而改變?nèi)祟惖纳罘绞健?br>
　　事實上,增材制造技術(shù)改變了工藝設(shè)計流程,在美國已成為產(chǎn)品開發(fā)的必須程序,對于中國制造業(yè)而言,現(xiàn)在我們是制造業(yè)大國,但還不是制造業(yè)強國,制造業(yè)新產(chǎn)品的開發(fā)能力比較弱,一些生產(chǎn)型企業(yè)生產(chǎn)能力過剩,開發(fā)能力嚴(yán)重不足,增材制造技術(shù)可以彌補這方面的不足。同時有助于培養(yǎng)全民尤其是青少年的創(chuàng)新精神與設(shè)計熱情。最為重要的是,未來的生產(chǎn)模式和商業(yè)模式將隨之改變。

　　日后的制造業(yè),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(yè)可能只生產(chǎn)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(jié)約了售價,另外也能滿足個性化的需求。設(shè)計師也有可能不再隸屬于某個企業(yè),而是成為一個“創(chuàng)客”,他們的設(shè)計直接放在云計算平臺,顧客看到漂亮的設(shè)計圖可以直接購買、下載、打印。

　　信息化時代的商業(yè)模式正在發(fā)生變化,個性化消費越來越多,我們應(yīng)該考慮的是如何實現(xiàn)以批量制造的成本與周期滿足個性化消費的需求。現(xiàn)在的年輕人喜歡在電腦前選購商品,那么,未來的商業(yè)模式很有可能是這樣的:將“網(wǎng)購一族”們的個性化需求集中為批量訂單,將創(chuàng)客的設(shè)計理念集中為眾創(chuàng)設(shè)計,將眾需分包生產(chǎn),比如一件產(chǎn)品很有可能是在某個家庭里生產(chǎn)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(tǒng)一的訂單設(shè)計資源,再把訂單分包制造。因此,增材制造技術(shù)是支撐集散制造的最適合的制造技術(shù)。其根本原因就在于其工藝的一致性、材料形態(tài)的一致性、數(shù)據(jù)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(fā)第三次工業(yè)革命?這是有可能的,但該技術(shù)將不能獨行,而是需要和云平臺、大數(shù)據(jù)技術(shù)等信息化手段一起,以滿足個性化的需求。

　　德國曾提出工業(yè)4.0計劃,即將物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合,實現(xiàn)智能制造、節(jié)約型制造和近家庭工廠。事實上,增材制造技術(shù)最符合德國工業(yè)4.0的目標(biāo)——敏捷生產(chǎn)、綠色制造、泛在制造。

　　增材制造為產(chǎn)品、裝備的創(chuàng)新設(shè)計開辟了巨大的空間,對提升產(chǎn)品開發(fā)水平,改變生產(chǎn)能力過剩、高端產(chǎn)品嚴(yán)重不足而言,是制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的抓手,不僅在各制造領(lǐng)域有重要的應(yīng)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(shù)就是一塊大餡餅,選準(zhǔn)切入點和切入時機是重要的。如果能創(chuàng)新核心技術(shù)、創(chuàng)新商業(yè)模式,敢為人先,那將會有豐厚的利潤。2014年被認(rèn)為是3D打印之年。據(jù)《沃勒斯報告2013》預(yù)測,預(yù)計2015年,3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模有望達(dá)到40億美元,至2017年該產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模將達(dá)60億美元。到2021年,市場規(guī)模將達(dá)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(nèi)對3D打印技術(shù)不是炒得過熱,而是認(rèn)識不足

　　我了解到,近一兩年內(nèi),國內(nèi)做FDM設(shè)備(一種快速成型設(shè)備)的公司出現(xiàn)了將近兩百個,我覺得這個就有點過熱了。FDM機器的技術(shù)門檻很低,很多人都能做,可以預(yù)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(fā)能力,產(chǎn)品不可能提高。現(xiàn)在的FDM設(shè)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(chǎn)品制作出來很粗糙。總之,缺乏核心技術(shù)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(chuàng)新,我們必須有自己的“一招鮮”。

　　現(xiàn)在我們國家有一些汽車企業(yè)部分地使用了增材制造技術(shù),但是用得不夠深、不夠廣,一些技術(shù)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(jīng)基本做到了用先進(jìn)制造技術(shù)改變傳統(tǒng)制造業(yè)、調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

　　總體而言,我國目前的研究工作以開發(fā)為主,缺乏基礎(chǔ)研究,工藝研究不深不透,對金屬增材制造件的組織結(jié)構(gòu)、強度標(biāo)準(zhǔn)等缺乏系統(tǒng)深入研究,對材料、關(guān)鍵元器件如激光器等的研究也不夠深入。從產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀來看,增材制造技術(shù)應(yīng)用總量太少,不能支撐我國制造業(yè)從制造大國走向創(chuàng)新強國,裝備制造及應(yīng)用服務(wù)的企業(yè)規(guī)模均太小。美國一家牙齒矯形器企業(yè),去年一次購進(jìn)了150臺增材制造設(shè)備,用以制作矯形牙套,而我國北京一家企業(yè)的采購量僅為6臺。

　　(作者系中國工程院院士、西安交通大學(xué)機械工程學(xué)院院長)

　　[編輯: 孫偉]