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“3D打印“让机床原材料更加简易

2013年06月02日 22:02中国机床商务网点击:5148

  JC35导读:你需要一把功能强大的锤子?你需要一双精致无比的鞋子?你需要给孩子准备奇异的玩具?你需要一顿精美的晚餐?只管打印出来就行了。美国康奈尔大学机械工程与计算机科学技术教授胡迪·利普森领衔创作的这本书讲述了3D打印技术的突破性发展,以及3D打印技术将如何应用在学校、厨房、医院等场所的。
  
  作为全球3D打印研究的权威专家,作者经过长期卓有成效的研究,并走访了多位来自各个行业的学者,这部生动而有趣的书带给你的不仅仅是极大的震撼,还有更多的观察与思考——3D打印这个全新的世界将给你带来什么。
  
  哈利·波特的魔杖复活了
  
  如果你有一台可造万物的机器,你会用它做什么?在英国,技术人员通过扫描奥运短跑运动员的脚和脚踝,把数据输入计算机,计算机经过几步简单的计算后,技术人员就能够3D打印出专属每个运动员的新鞋,这双鞋符合运动员的体形、体重、步态和偏好。
  
  在世界的另一端,美国国家航空航天局在亚利桑那州的沙漠中测试了一艘火星飞船,飞船甲板上装有定制的3D打印金属部件。这些部件大多形状复杂,有许多曲线和镂空,除了3D打印机,其他任何设备都生产不出来。
  
  在日本,一位准妈妈想要纪念其首次超声波检测,她的医生编辑她的超声图像,并3D打印出栩栩如生的胎儿模型。结果,一个透明硬塑料块中就出现了一个前卫的3D打印微小胎儿塑料模型。
  
  这些制造奇迹不断发生。在不远的将来,人们将3D打印出活体组织、富含营养的食品及完全组装好的电子元件成品。
  
  如同童话故事里的魔杖,3D打印能让我们掌控物理世界。3D打印赋予了普通人强大新颖的设计和生产工具,人们可以获得专业设计师和制造业大企业所独有的设计和制造能力。
  
  在未来的3D打印世界里,无论何时何地,人们需要什么就可以打印什么。当然,技术虽然好,也要看人们怎样应用。有人可能会用来制造武器或不受监管甚至是有毒的新药。我们的环境也可能很快被满足各种需求的打印塑料产品垃圾所充斥。生物打印带来的伦理挑战将比干细胞引发的争议更复杂。黑市商人则会受到利益驱使,通过制造和销售有故障的机器零件来快速赚取黑心利润,那些豆腐渣工程在关键时刻往往会出问题。
  
  大多数人第一次听到3D打印时,他们就想到了那些老式的、常见的桌面打印机。喷墨打印机和3D打印机最大的区别是维度问题,桌面打印机是二维打印的,在平面纸张上喷涂彩色墨水,而3D打印机可以制造拿在手上的三维物体。
  
  3D打印机依据计算机指令,通过层层堆积原材料制造产品。在人类历史的大部分时间里,我们通过切割原料或通过模具成型制造新的实体物品。
  
  3D打印的技术名称是“增材制造”,这是对实际打印过程比较贴切的描述。3D打印独特的制造技术让我们能够生产前所未有的各种形状的物品。
  
  3D打印不是一种新技术,3D打印机已在制造机加工车间默默地工作了几十年。在过去的几年里,由于受到计算能力、新型设计软件、新材料、创新推动及互联网进步的推动,3D打印技术发展迅速。
  
  计算机在3D打印过程中发挥关键作用,没有计算机发出的指令,3D打印机就会瘫痪。3D打印机正常运作的前提是要输入一个设计好的电子蓝图或设计文件,它们负责告诉3D打印机在哪里放置原材料。事实上,没有连接计算机及设计文件的3D打印机是没有用处的,就像没有存储音乐的iPod。
  
  3D打印过程如下:3D打印机在设计文件指令的导引下,先喷出固体粉末或熔融的液态材料,使其固化为一个特殊的平面薄层。第一层固化后,3D打印机打印头返回,在第一层外部形成另一薄层。第二层固化后,打印头再次返回,并在第二层外部形成另一薄层。如此往复,最终薄层累积成为三维物体。
  
  3D打印机不像传统制造机器那样通过切割或模具塑造制造物品。通过层层堆积形成实体物品的方法从物理的角度扩大了数字概念的范围。对于要求具有精确的内部凹陷或互锁部分的形状设计,3D打印机是首选的加工设备,它可以将设计在实体世界中实现。
  
  3D打印部件和产品正在蔓延到日常生活中。你的汽车仪表盘的设计就借助了3D打印原型,确保各部件紧密地配合在一起。如果你戴助听器,3D打印可以使用光学扫描数据,捕捉你内耳的精确形状,实现定制生产。
  
  牙科诊所借助X射线不到一个小时就可以打印定制的牙冠。在体内安装用钛和陶瓷打印的假膝盖已经风靡世界。如果你有幸乘坐波音公司的新型飞机——波音787梦想飞机,你已经将生命托付给至少32种3D打印的部件。
  
  3D打印技术的秘密可以概括如下:就将复杂设计变成实体物品而言,3D打印机比其他生产模式(如人工生产或机器生产)更精确、更通用,可以将一个复杂的设计通过组合不同的原材料以过去不可能的方式制造成实物。
  
  如今,一般家用3D打印机可以制造鞋盒大小的塑料物品。工业领域的3D打印机可以制造大到汽车、小到肉眼几乎无法看到的针头等物品。有些研究人员开始尝试用3D打印机打印小型房屋大小的混凝土结构。而在微观的角度,另外一些研究人员已经打印出肉眼几乎看不到细节的物体。
  
  引入3D打印技术的一个风险将是对消费者安全的威胁。虽然至今还没有人受到来自3D打印机在打印时出现故障或由3D打印机本身带来(至少忽视了)的伤害。
  
  这是一个某天可能会出现在法庭上的场景,在这种假设下,错误在哪一方呢?汽车发烧友美好地憧憬着,在地下室车间,3D打印机能够制作一个用户定制的方向盘。毫无疑问,这个打印出来的方向盘并没有经过质量和安全检测。这些设计文件可以在一个广受欢迎的出售新奇汽车附件的网站上买到。
  
  业余汽车爱好者在线出售打印出来的方向盘,它的买家买到后将其安装在汽车上。几个星期后,他发现在高速行驶时要向左急转弯,根据用户量身打印出来的方向盘就会脱离,不过为时已晚,买家已经车毁人亡。
  
  与其他经历了技术快速发展的行业一样,3D打印行业也将遇到新的法律挑战和新形式的消费者安全和犯罪活动。法律变更的速度越来越慢,但技术不会坐等法律的改变。技术越强大,可能出现的滥用情况就越新奇和深远。
  
  3D打印引入的法律挑战在公共意识边缘闪现。我们刚刚开始探索这一前沿领域,不久的将来3D打印的有关法律将会产生。
  
  敏捷制造:既好,又快,还省
  
  预测未来是有风险的。写这本书时,我们就3D打印前景采访了一些人,发现了一些即将显现的潜在优势。来自各个行业、具有不同背景和专业技术水平的人用类似的方式描述,3D打印帮助他们减少主要成本、时间和复杂性障碍。
  
  我们将获取的信息归纳为十项优势,希望能帮助一些个人和企业充分利用3D打印技术。
  
  优势1:制造复杂物品不增加成本。就传统制造而言,物体形状越复杂,制造成本越高。对3D打印机而言,制造形状复杂的物品成本不增加,制造一个华丽的形状复杂的物品并不比打印一个简单的方块消耗更多的时间、技能或成本。制造复杂物品而不增加成本将打破传统的定价模式,并改变我们计算制造成本的方式。
  
  优势2:产品多样化不增加成本。一台3D打印机可以打印许多形状,它可以像工匠一样每次都做出不同形状的物品。传统的制造设备功能较少,做出的形状种类有限。3D打印省去了培训机械师或购置新设备的成本,一台3D打印机只需要不同的数字设计蓝图和一批新的原材料。
  
  优势3:无须组装。3D打印能使部件一体化成型。传统的大规模生产建立在组装线基础上,在现代工厂,机器生产出相同的零部件,然后由机器人或工人(甚至跨洲)组装。产品组成部件越多,组装耗费的时间和成本就越多。3D打印机通过分层制造可以同时打印一扇门及上面的配套铰链,不需要组装。省略组装就缩短了供应链,节省在劳动力和运输方面的花费。供应链越短,污染也越少。
  
  优势4:零时间交付。3D打印机可以按需打印。即时生产减少了企业的实物库存,企业可以根据客户订单使用3D打印机制造出特别的或定制的产品满足客户需求,所以新的商业模式将成为可能。如果人们所需的物品按需就近生产,零时间交付式生产能最大限度地减少长途运输的成本。
  
  优势5:设计空间无限。传统制造技术和工匠制造的产品形状有限,制造形状的能力受制于所使用的工具。例如,传统的木制车床只能制造圆形物品,轧机只能加工用铣刀组装的部件,制模机仅能制造模铸形状。3D打印机可以突破这些局限,开辟巨大的设计空间,甚至可以制作目前可能只存在于自然界的形状。
  
  优势6:零技能制造。传统工匠需要当几年学徒才能掌握所需要的技能。批量生产和计算机控制的制造机器降低了对技能的要求,然而传统的制造机器仍然需要熟练的专业人员进行机器调整和校准。3D打印机从设计文件里获得各种指示,做同样复杂的物品,3D打印机所需要的操作技能比注塑机少。非技能制造开辟了新的商业模式,并能在远程环境或极端情况下为人们提供新的生产方式。
  
  优势7:不占空间、便携制造。就单位生产空间而言,与传统制造机器相比,3D打印机的制造能力更强。例如,注塑机只能制造比自身小很多的物品,与此相反,3D打印机可以制造和其打印台一样大的物品。3D打印机调试好后,打印设备可以自由移动,打印机可以制造比自身还要大的物品。较高的单位空间生产能力使得3D打印机适合家用或办公使用,因为它们所需的物理空间小。
  
  优势8:减少废弃副产品。与传统的金属制造技术相比,3D打印机制造金属时产生较少的副产品。传统金属加工的浪费量惊人,90%的金属原材料被丢弃在工厂车间里。3D打印制造金属时浪费量减少。随着打印材料的进步,“净成型”制造可能成为更环保的加工方式。
  
  优势9:材料无限组合。对当今的制造机床而言,将不同原材料结合成单一产品是件难事,因为传统的制造机床在切割或模具成型过程中不能轻易地将多种原材料融合在一起。随着多材料3D打印技术的发展,我们有能力将不同原材料融合在一起。以前无法混合的原料混合后将形成新的材料,这些材料色调种类繁多,具有独特的属性或功能。
  
  优势10:精确的实体复制。数字音乐文件可以被无休止地复制,音频质量并不会下降。未来,3D打印将数字精度扩展到实体世界。扫描技术和3D打印技术将共同提高实体世界和数字世界之间形态转换的分辨率,我们可以扫描、编辑和复制实体对象,创建精确的副本或优化原件。
  
  以上部分优势目前已经得到证实,其他的会在未来的一二十年(或30年)成为现实。3D打印突破了原来熟悉的历史悠久的传统制造限制,为以后的创新提供了舞台。在后面的章节中,我们将探讨3D打印技术如何改变我们的工作、饮食、医疗、学习、创新和娱乐。
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