3D打印技术前景

3D打印技术前景

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著名的《经济学人》最近描述了3D打印技术的前景——这是一种新型的生产方式,能够促成第三次工业革命。

根据Busines week报道,一家跟踪3D打印行业的咨询公司Wohlers Associates称,如今3D打印机的市场规模在17亿美元左右。随着销售量的迅猛增长,公司预测,到2015年该市场的规模将达37亿美元。

在我们的认知中,工业革命以往发生过两次。第一次工业革命以蒸汽机的发明为标志,认为新的技术革命产生了流水式作业的方式,单一大批量的生产某种产品,这催生了工厂与工人,也让制造业从原始的手工制造转为机械制造。第二次工业革命同样也是一次技术革命,以电力、无线电、钢铁和化学等领域的巨大发展为标志,在各个不同领域进步的影响下,人们的生产方式也发生了变化,这一次工厂不再满足于单一产品的生产,而是转为大规模生产。

那么第三次工业革命与前两次工业革命相比,有何不同之处?《经济学人》指出,在3D打印技术得到广泛运用的情况下,制造业也许不再运用工厂这种将人力、资金、设备等生产要素大规模集中化的生产方式,而转变为一种以3D打印机为基础的,更加灵活、所需要投入更少的生产方式。《经济学人》将这种趋势称之为“社会化制造(Social Manufacturing)”,当这种方式得到广泛的运用,那么每个人都可以是一家工厂。

为什么3D打印机将成为一种生产工具?为什么3D打印技术将改变人类的生产方式?如果是从事着建筑和设计行业的人,他们对3D打印技术其实并不陌生,因为他们经常需要用到一种叫“快速成型”的技术,将设计的原型给制作出来,展示给客户看。在从前,这种原型的制作非常麻烦,因为工厂首先需要制作一个模具,然后把原料浇铸在里面,这样才能把原型制作出来。但当工厂制作完成之后,模具就变得没有用处——这种生产方式浪费原料,生产成本自然比较高,所需要的生产周期自然也比较长。与这种先制作模具,然后才能把设计原型制作出来的生产方式相比,3D打印机拥有相当的优异性,它能够一次性、直接地把客户所需要的设计原型给制作出来。

由于无需经过制作模具这一步骤,客户能够节约时间,工厂能够节约成本,同时所制作出来的物体,也将和设计图纸一样,能够更加精确。原因在于,3D打印机能够直接将物体“打印”出来——首先人们能够通过电脑创建一个三维设计图(通常是SLT或CAD文件),然后打印机对这个立体原型进行“切片”,分成一层一层的,然后打印机开始工作,将原材料按照设计图一层又一层的叠加上去,直到最终成型。当然,3D打印机所使用的材料,自然不是喷墨打印机里面的墨水,而是一些可以发生固化反应的材料,现在可以作为原材料的东西已经多种多样,包括树脂、塑料、陶瓷、金属等等。实际上,发明家CharlesHull生产出第一台3D打印机以来,3D打印技术已经发展了近30个年头。

而从一个为设计书、建筑师、实验室生产原型的工具,到媒体、大众所关注的议题。这种变化体现了3D打印技术在这几十年间取得的突飞猛进的发展,设备的价格从昂贵到便宜,性能从低下到强大,设备体积从大到小,使用范围从窄到广。1986年,Charles Hull离开了原来为之工作的Ultra Violet Products,开始成立一家名为3D Systems的公司,开始专注发展3D打印技术,这是世界上第一家生产3D打印设备的公司,而它所采用的技术被称之为“立体光刻(Stereo lithography)”,利用紫外线照射将树脂凝固成形,以此来制造物体。到1988年,3DSystems开始生产第一台3D打印机SLA-250,体型非常庞大:自1986年之后,涌现了很多不同的3D打印技术:
•1988年,Scott Crump发明了另外一种3D打印技术FusedDepositionModeling,并成立公司Stratasys。这个技术的特点是它能利用腊、ABS、PC、尼龙等热塑性材料来制作物体,具备性能优良的特点;
•1989年,C.R.Dechard发明Selective Laser Sintering,利用高强度激光将材料粉末烤结,直至成型。这种技术的特点在选材范围广泛,比如尼龙、腊、ABS、金属和陶瓷粉末等都可以作为原材料;
•1992年,Helisys发明LaminatedObjectManufacturing,利用薄片材料、激光、热熔胶来制作物体。然而该3D打印技术的原材料一直仅限于纸,性能低下;
•1993年,麻省理工大学教授EmanualSachs发明Three-DimensionalPrinting技术(非本文泛指的3D打印技术),利用金属、陶瓷等粉末,通过粘接剂在一起成型。这种技术的有点在于制作速度快,价格低廉,然而成品的强度较低。1995年,ZCorporation获得麻省理工大学的许可,利用技术来生产3D打印机。
•1996年,3D Systems、Stratasys、ZCorporation分别推出Actua 2100、Genisys、Z402,第一次使用了“3D打印机”的称谓。
•2005年,ZCroporation发布SpectrumZ510,这是世界上第一台高精度彩色3D打印机;同一年,英国巴恩大学的AdrianBowyer发起开源3D打印机项目RepRap,它的目标是作出“自我复制机”,通过3D打印机本身,能够制造出另一台3D打印机。
•2008年,第一版RepRap发布,代号“Darwin”,能够打印自身50%的元件,它的体积仅一个箱子大小。

从这段发展历史中,我们可以看出,随着3D打印技术的种类变多,3D打印机可选的原材料范围也在变广,从树脂到塑料到陶瓷到金属。然而,最重要的是,3D打印机的价格在下降,1999年3D Systems的SLA7000要价80万美元,而公司今年年初推出的Cube要价仅1299美元。而且,Cube性能不低,不仅支持彩色打印,还支持无线连接,免费提供设计软件,让平板电脑发挥设计的潜力。除了3D Systems这样老牌的3D打印机生产商以外,一些新兴的3D打印机生产商也把目标放在“低价3D打印机”上,比如2009年成立的Maker Bot,它的产品就只有1749美元。不仅如此,最近创立的Soldoodle所生产的3D打印机仅499美元(Basic版)。

而在Kickstarter上,出现了售价仅为300美元的3D打印机Makibox。个人电脑的普及,也让3D打印机的价格下降。回顾前文中SLA-250的外观,我们会发现它就是一个工作站,不仅包括了负责将物体打印出来的3D打印机部分,还有负责设计的电脑部分。在1988年,电脑的价格不像现在这般便宜,也不如现在这般普遍,将3D打印机连同3D打印机一起卖给客户,是当时合理的选择。然而,时至今日,电脑已经得到了广泛的应用,而且性能有了长足的进步,3D打印机不必连同电脑一起卖给客户,价格自然得到了降低。此外,以往价格高昂3D设计软件也有越来越多的价格低廉的替代品,有些甚至是完全免费的开源软件,比如123D、Open SCAD、Tinker card。这些因素都让3D打印成本得到降低。

随着3D打印机的成本越来越低,围绕着它所提供的服务也越来越多。最典型的,就像参加CES2012的Sculpteo,它允许用户上传或直接在网站设计3D草图,然后公司将物体打印出来之后,再快递到用户的手中(Sculpteo还有商城等其它服务)。最近几年关于3D打印的消息层出不求,它的使用范围越来越广。比如:
•3D打印的原材料扩展到金、银以及强度极高的钛,还有不锈钢;
•德国Voxljet制造了尺寸为4mx2mx1m的3D打印机;
•Cornell大学尝试利用3D打印机直接打印出食物出来;
•Exeter大学的研究人员,制造出以巧克力为原材料的3D打印机;
•哈佛大学的实验室开发可以实现生物细胞打印的设备;
•德国Fraunhofer Institue利用3D打印技术将血管给打印了出来;
•Loughborough大学的一个研究小组正在尝试让混凝土成为3D打印的原材料;
•Organovo开始研究如何利用3D打印机来打印人体器官。

总结以上的趋势,那就是3D打印技术的部署成本越来越低,以现在的价格,几乎每个人都可以拥有一台3D打印机。而随着选材范围越来越广,3D打印机可制作的物品越来越多,从汽车、飞机零件,到食物,到人体器官等等。加之如今网络的发达,每个人都能够成立一个像Sculpteo这样的网站,按客户需求,个性化定制物品,让“社会化制造”成为可能。

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