3D打印与制造业的未来（二）

梁嘉琪2013 · 发表于 2013-10-31 09:51

尽管有关3D打印最早的实验可以追溯到20世纪60年代，但是直到20世纪80年代中期才研发出一系列现在被称为3D打印的技术，这批研发先驱包括查尔斯·赫尔（3D Systems公司的创始人）和斯科特·克伦普（Stratasys公司的创始人）。他们的实现原理是叠加式过程，通过层层叠加创造坚固的物品。
随着打印过程的发展，这种生产方式被称为叠加式制造（AM）。因为AM的许多方式来源于喷墨打印技术，所以“3D打印”这一术语（虽然有时会导致误解）已被工业和大众媒体广泛采用，指代AM过程。简单起见，本文使用“3D打印”这个术语来描述从数据传输到3D打印机，然后逐层打印，创建实体物品的过程。（参见图2）。

图2. 3D打印，通过层层打印制造物品。传统制造业使用消减的过程，因此材料被切割、研磨、塑性，直至制造完成。
资料来源：Stratasys
传统制造业和3D打印的区别在于成品的形成过程。传统制造过程通常使用消减的做法，包括对研磨、锻造、弯曲、成型、切割、焊接、粘接和组装过程的组合。以生产看似简单的物体为例，比如生产一个可调节的扳手。其生产工艺涉及锻造部件、磨光、铣削和装配。整个过程中会浪费部分原材料，在金属加热和再加热的过程中产生大量的能源消耗。专业工具和机器配置调整后产生同一尺寸的扳手。几乎所有的日用品都是按如此过程制造出来，而且通常会更复杂。

图3. 3D打印的可调节扳手无需组装资料来源：CSC

相反，3D打印机只需要层层打印就能制造出可调节的扳手。打印出来的扳手已经组装成型，包括可移动部分（参见图3）。经过一些后期制作工序（如根据材料的不同，进行清洁或烘烤）后，扳手就可以使用了（虽然目前它还无法达到落锻金属的强度）。
当然，3D打印是不会接手扳手制造业的 ——至少在可预见的未来里还不可能。3D打印行业尚处于起步阶段，很少有技术能支持大于1,000个部件的打印。然而，随着技术的发展，打印体积将增加。
与此同时，3D打印技术在小批量打印发面已经表现出了显著的价值。由于传统制造的机床安装环节被取消，开发成本和时间降低。3D打印技术可以精确控制所使用的材料，因此设计人员可以重建产品的内部结构以获得最佳效果。例如，用晶格或蜂窝状内部结构取代固体块，可以在减轻产品重量的同时不牺牲强度。3D打印的内部结构成了其中的关键。
与一些传统制作过程相比，废料也有所减少，可以留下90%的原材料5。Thogus生产商发现，通过使用3D打印（熔融沉积成型方法，即FDM）定制注塑模型的某个特别部件，制造成本由10,000美元降至600美元，生产时间从4周减少到24小时，且重量为原来的70-90％6。（参见图4）

而且，如扳手案例所示，物品在打印过程中会进行高度精密的空间控制。这使得可移动部件和复杂的内部结构可以在单次打印中完成。然而，更重要的是，这种控制把设计师从传统制造业的限制中解放出来，实现传统流程无法做到的产品设计和优化。这为创新敞开了一扇大门，也包括精美的艺术品创作，如杰夫·曼的“被光吸引”——作品追踪了飞蛾围绕光源飞行的轨迹7。传统制造技术根本不可能完成这样的作品。
巧克力、细胞、混凝土：普通材料和不那么普通材料的非凡属性
3D打印始于塑料材料，但是如今打印材料品种繁多，不断增加，包括陶瓷、食物、玻璃，甚至人体组织。
市场上销售的机器主要打印塑料或金属类材料。这些打印机工作原理通常为以下两者之一：材料（例如，各种塑料）融化后，通过一个微小的喷嘴挤出到打印区并固化，如此反复，逐层向上构建物品；或者平铺一层粉末材料（如塑料、各类金属），然后层层叠加，并有选择地融合固体。通常需要进行一些后期制作工序，如清洁多余的粉末，或烘烤以增加强度或硬度，或在溶液中溶解支撑结构。
研究人员、组织机构和爱好者对3D打印底层实现方式进行过各种修改，因此大幅扩大了其使用范围。例如，英国埃克塞特大学的研究人员通过改造3D打印机，实现巧克力的打印。8（参见图5）康奈尔大学与位于纽约的法国烹饪协会（FCI）合作，在其思路基础上进一步改进技术，拓展了3D打印食物的范围，如由扇贝碎与芝士做成的微型航天飞机。9
类似的实现方式甚至被应用到生物领域的打印，为医疗健康研究打开了大门：
华盛顿州立大学研发出类骨材料为新骨生长提供支持。10
格拉斯哥大学的研究人员已经开发出能制造有机化合物和无机团簇的系统。他们认为从长远来看，这将有助于实现药物定制。11
Organovo使用人体细胞作为材料，已经制造出部分人体组织，甚至打印出了人体血管。12

最引人注目的是：研究表明3D打印可以给产品属性带来革命性的变化。就如与实木相比，胶合板一直被认为是更轻盈、更坚固、更灵活的选择。即使是使用相同的生产材料，3D打印零件的属性也优于传统制造业。此处仅举两个例子：3D打印的木材不会翘曲13；正在研究中的3D器官打印——使用活体细胞作为材料，打印出用于移植的器官。（后续还有更多案例）
研究人员正在研究一系列技术，用于控制打印部件的属性，甚至能控制到金属的微观晶体结构14 ——从本质上改变材料的底层原子和分子排列。例如，传统的金属铸锻技术需要金属从外至内冷却，而金属的3D打印采用快速凝固，从而导致更均匀的微观结构15。因此，工程师可以控制成品的强度、硬度、弹性、灵活性和耐压力。目前的研究结果表明，尚无法实现物理、电气和机械性能的组合。
伊利诺大学的刘易斯研究团队创造了一些极微小的定制“墨水”（打印材料）。（参见图6）研究人员展示了许多功能性材料，可用于提高导电能力、打印重量更轻的结构，甚至可自我修复的聚合物。比如，该小组已为高性能电子产品创建了一款活性银“墨水”——可以实现更快速的产品制造（数分钟即可完成混合，而使用粒子“墨水”需要数小时），并且可以小批量打印。这种“墨水”比传统“墨水”的保存期要长，对处理温度的要求也较低，这使得电子产品可以使用低成本材料（如，柔性塑料、纸或织物基底）进行打印。16另外，活性银“墨水”还被用于小型电器天线的立体表面，其性能在数量级上优于传统的天线设计。该技术将来可用于植入式或穿戴式天线、传感器和电子设备。17

麻省理工学院（MIT）媒体实验室也正在进行3D打印技术和材料的研究，尝试用喷涂聚氨酯泡沫打印混凝土结构的大型模具。（参见图7）与混凝土相比，聚氨酯材料在重量、固化时间、易控性和稳定性方面具有优势。它还可用于隔热保温。模具打印时，可用混凝土或其他可浇铸建筑材料。MIT打印过一些原型墙——5-6英尺高的模具，用于发掘大型3D打印模具的优势，包括设计、成本、效率和安全性。
Contour Crafting（轮廓工艺）公司提出3D打印整所房子，用于提供低价房和紧急居所（如自然灾害后）。18该公司声称，使用超大型3D打印机和特别定制的混凝土，可在20小时内建完2500平方英尺的房子（门窗需要另加）。19用自动化施工建成的建筑物取代破旧或被破坏的住所，其社会影响显而易见。
尽管如此，材料价格仍是3D打印技术的一大阻碍。例如，3D打印使用的塑料原料成本为$60 – $425/千克（2.2磅），而传统注塑工艺使用相同量的材料只需$2.40-$3.30。20虽然对原型或小批量生产来说，较高的成本不是什么问题，但是对于大批量生产来说就显得很不经济。
就某些材料而言，3D打印不只是较好的选择，更是理想的生产方式。钛就是一个例子——重量轻，强度（密度）比钢强，比不锈钢更耐腐蚀。事实上，在许多应用场合，钛都是近乎完美的金属选择。除了成本较高外，钛的主要缺点（以及为什么其应用局限于专业领域，如航空航天、医疗移植、珠宝和高性能汽车）是：不容易与人“合作”。在切割过程中，钛容易硬化——这导致刀具磨损严重。在焊接过程中，钛容易受到污染——这导致如果不严格遵守预防措施，焊接点就会容易脱落。
这就是3D打印技术的用武之地。直接打印钛材料显得很诱人，因为这就不存在任何加工的问题。此外，随着打印机体积增大，整个组件都可以被直接打印出来，无需焊接。
为了解决目前钛金属成本高的问题（其价格比钢贵50倍以上），研究人员正在研究制造钛粉末，以降低成本。目前，打印用的粉末材料是通过高度能源密集型工序，将钛锭制造成细而均匀的粉末。但正如19世纪末的拜耳法将铝的成本从1200美元/千克降至0.60美元/千克，今天的研究是为了找到一种工艺，能使钛粉末打印成本降到现在的几千甚至几万分之一。21

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