3D打印机增材制造简介

3D打印机增材制造简介3D打印机增材制造简介3D打印机增材制造简介3D打印机增材制造简介编制仅供参考审核批准生效日期地址：电话：传真:邮编:Additivemanufacturing添加制造业2012年04月27日19:28:56Specialreport:Manufacturingandinnovation

特别报道：制造业与创新

Additivemanufacturing

添加制造业

Solidprint

实体制造

Makingthingswitha3Dprinterchangestherulesofmanufacturing

3D印制方式冲击了制造业规则

Apr21st2012|fromtheprintedition

INSIDEALOW-RISEbuildinginabusinessparkatRockHill,SouthCarolina,isavisionofthefactoryofthefuture.Severaldozenmachinesarehummingaway,monitoredfromaglass-frontedcontrolroombytwopeoplelookingatcomputerscreens.Someofthemachinesarethesizeofacar,othersthatofamicrowaveoven,buttheyallhavewindowsthatyoucanpeerinto.Oneismakingjewellery,othersareproducingtheplasticgripforanelectricdrill,thedashboardofacar,anintricatelampshadeandabespokeartificialleg.Oneisevenmakingpartstobuildmoremachineslikeitself.

南卡罗来纳州石山里的工业园的一座小建筑，是未来工厂的前景。房子里的玻璃前台控制中心，电脑前的两个人正在操控几十台机器运转。这些机器有的像汽车那么大，有的只有微波炉大小，但是它们都有窗，能让你看到它的里面。有一个机器正在制作珠宝首饰，有一个在生产电钻的塑料把手，还有的在生产汽车仪表板，复杂的灯罩以及定制的假肢。有一个机器甚至在制造类似它这样的机器的零件。

Thisistheheadquartersof3DSystems,afirmfoundedbyChuckHull,whoina1986patentdescribedasystemhehadinventedformakingthree-dimensionalobjectsas“stereolithography”.Itworkedbyusingabeamofultravioletlighttosolidifyathinlayerofliquidplastic,abitlikeink,andrepeatingtheprocessbyaddingmoreliquidplastic.Otherformsof3Dprintinghavesinceemerged(seearticle),buttheyallworkasanadditiveprocess,buildingobjectsuplayerbylayer.

这个小房子是3DSystems公司的总部，该公司创始人ChuckHull发明了用立体方式制作三维物体的方法，并于1986年申请专利。该方法是用紫外线固化塑料液体（有点像油墨那样）成薄薄的一层，然后继续添加塑料液体，重复流程。多种3D印制形式陆续出现，但他们都应用了这种添加制作流程，从下到上一层接一层的把实物制作出来。

3Dprintingwasoriginallyconceivedasawaytomakeone-offprototypes,butasthetechnologyisgettingbettermorethingsarebeingprintedasfinishedgoods(aprocessknownasadditivemanufacturing).Currentlyaround28%ofthemoneyspentonprintingthingsisforfinalproducts,accordingtoTerryWohlers,whorunsaresearchfirmspecialisinginthefield.Hepredictsthatthiswillrisetojustover50%by2016andtomorethan80%by2020.Butitwillneverreach100%,hethinks,becausetheabilitytomakeprototypesquicklyandcheaplywillremainanimportantpartofthemix.

起初，3D印制被认为主要用于制作一次性原型，不过，随着技术的进步，成品制作也进一步增多。TerryWohlers成立了一家专注于三维制作领域的研究公司，他表示，目前3D印制中约28%的资金用于制作成品（一个被称为添加制造的流程），这个比例预计到2016年将提高到50%，2020年将超过80%。但是永远不会达到100%。因为他认为，原型的制作既快速又经济，始终会作为一个重要的组成部分。

Oneofakind

一种可能

One-offprototypescanbehideouslyexpensivetoproduce,buta3Dprintercanbringdownthecostbyahugemargin.Lotsofconsumergoods,mechanicalparts,shoesandarchitects’modelsnowappearina3D-printedformforappraisalbyengineers,stylistsandclientsbeforegettingthego-ahead.Anychangescanbeswiftlyreprintedinafewhoursorovernight,whereaswaitingforanewprototypetoemergefromamachineshopcouldtakeweeks.Somedesignersarealreadyprintingready-to-wearshoesanddressesfromplasticandnylonmaterials.IrisvanHerpen,aDutchfashiondesigner,hasproducedstriking3D-printedcollectionsforthecatwalks.Noonecanyetprintleather,buttheyareworkingonit.

一次性原型造价可能惊人的昂贵，但是3D印制法能大幅度降低成本。许多消费品、机械零件、鞋以及建筑模型等，都被先用3D印制法检验，建筑师、工程师和客户可以在几个小时内，最多一个晚上时间，就可以看到修改后的原型，而不必花费数周去工厂等待。一些设计师已经用塑料和尼龙生产可以直接穿的鞋子。荷兰设计师IrisvanHerpen生产了大量3D印制的产品，用于走秀。暂时还没有人能制作皮毛，但是人们正在研究中。

Astherearebarelyanyeconomiesofscaleinadditivemanufacturing,thetechnologyisideallysuitedtolow-volumeproduction.Italsoallowsthemasscustomisationoffinishedparts.Millionsofdentalcrownsandshellsforhearingaidsarealreadybeingmadeindividuallywith3Dprinters.

由于添加制造业的规模效应并不显著，所以该技术比较适合小规模生产。它也可用于大量成品零件的分批量定制。现已有上百万个牙冠、助听器的零件被3D印制机逐个生产出来。

Freedoftheconstraintsoftraditionalfactories,additivemanufacturingallowsdesignerstoproducethingsthatwerepreviouslyconsideredfartoocomplextomakeeconomically.Thatcouldbeforaestheticreasons,butengineersarefindingpracticalapplicationstoo.Forexample,fluidsflowmoreefficientlythroughroundedchannelsthantheydoaroundsharpcorners,butitisverydifficulttomakesuchchannelsinsideasolidmetalstructurebyconventionalmeans,whereasa3Dprintercandothiseasily.3TRPD,aBritishfirmthatoffersadditive-manufacturingservices,printedagearboxforaracingcarwithsmoothinternalpathwaysforhydraulicoilinsteadofdrilled-outright-anglebends.Theboxnotonlyallowsfastergearchangesbutissome30%lighter,saysIanHalliday,thefirm’schiefexecutive.ABoeingF-18fightercontainsanumberofprintedpartssuchasairducts,forsimilarreasons.

添加制造业让设计师从传统工厂的束缚中解脱出来，他们可以设计从前被认为过于复杂而不经济的东西。设计复杂可能是出于审美艺术的需要，但工程师们也找到一些实用的例子。比如，液体在弧形拐角中的流动效率要比在尖形拐角处高，但是用传统方法很难在坚固的金属结构中把尖形拐角做成弧形，而用3D印制方法则很容易做到。3TRPD是一家提供添加制作业服务的英国公司，生产一种赛车用的变速箱，就把液压油的输送路径拐角设计为光滑型的，摒弃了原来的直角拐角设计。该公司执行董事IanHalliday称，这种变速箱不仅变速更快，而且比传统变速箱轻30%。类似的原因，波音F-18战斗机也包含许多3D印制方式生产的零部件。

Weightsavingsarepartoftheattractionof3D-printedparts.Withobjectsbeingbuiltuplayerbylayer,itispossibletousejustenoughmaterialtomakethepartwork.Buildingthingsinatraditionalfactoryrequiresaddingflangesandbracketssothatobjectscanbehandled,milledandmouldedbymachinetools,andtoprovidesurfacesforthepartstobeboltedorweldedtogether.A3Dprinterislikelytoprinttheitemasacompletepartthatrequiresnoassembly.Itcanevenmakemechanicalobjectswithmovingpartsinonego.

重量减轻也是3D印制法诱人的原因之一。3D印制法中，产品是一层层浇筑上去的，就可能使用刚好足够的材料就能制作产品。在传统工厂里制作产品需增加镙丝圈和支架等，这样机械工具才能提、转、组合产品，还要预留空间用于产品各零件的螺栓或焊接。而3D印制法则可直接生产单个完整的产品，且无需组装。它甚至能使带有可移动零部件的机械物体一次成型。

Thispromisesbigsavingsinmaterialcosts.Intheaerospaceindustrymetalpartsareoftenmachinedfromasolidbilletofcostlyhigh-gradetitanium.Thiscanmeanthat90%ofthematerialiscutaway,andtheswarfisofnouseformakingaircraft.However,titaniumpowdercanbeusedtoprintthingslikeabracketforanaircraftdoororpartofasatellite.Thesecanbeasstrongasamachinedpartbutuseonly10%oftherawmaterial,accordingtoresearchersatEADS,theEuropeanaerospaceconsortiumwhichistheparentofAirbus.

这节省了一大笔原材料费用。航天制造业中往往从昂贵的高档钛的固态坯料中加工金属零件。这意味着90%的材料将被切割掉，而产生的废料对制作航天飞机一点用处也没有。然而，应用3D印制技术，钛粉也可用于生产像飞机舱门把手或卫星的零部件。空中客车的母公司欧洲航空航天集团EADS公司的研究人员指出，这些零部件跟固态料加工金属零件一样，但只需使用10％的原材料。

Theabilitytoproducehighlycomplexdesignswithpowerfulcomputersoftwareandturnthemintorealobjectswith3Dprintingiscreatinganewdesignlanguage.3D-printeditemsoftenhaveanorganic,naturallook.“Naturehascomeupwithsomeveryefficientdesigns,andoftenitisagoodideatomimicthem,”saysWimMichiels,vice-presidentofMaterialise,aBelgianfirmthatusesadditivemanufacturingtomakearangeofproducts,includingmedicaldevices.Byincorporatingthefine,lattice-likeinternalstructureofnaturalboneintoametalimplant,forinstance,itcanbemadelighterthanamachinedonewithoutanylossofstrength,integratemoreeasilywiththepatient’sownbonesandcanbecraftedpreciselytofittheintendedpatient.LastyearsurgeonsintheNetherlandsprintedanewtitaniumjawforawomansufferingfromachronicboneinfection.

运用强大的电脑软件来制作复杂的设计，并将它们转变为现实的产品催生了一种新的设计思路。3D印制部件通常看起来很结构化、很自然。比利时公司Materialise是一家运用3D印制法生产大规模设备的公司，包括医疗设备。该公司副总裁WimMichiels表示：“大自然经常产生许多高效的设计，而合并这些设计往往是一个好主意。”比如，将良好的、内部结构为网格状的天然骨头和金属植入物结合，既不减少骨头的强度，还能更容易与病人自身骨头相结合，并且能精确的磨改以适应特定的病人。去年，荷兰的外科医生为一位饱受慢性骨头感染的女姓植入一个新的钛下巴，使她免受其苦。

Manycompaniesarenowwonderingabouttheeffectthatadditivemanufacturingwillhaveontheirbusiness.Somearetakingthetechnologyveryseriously;GE,forone,isexploringhowitmightuse3Dprintinginallitsoperations.Italreadyhasoneproductinthepipeline,intheformofasmallultrasoundscanner.Suchscannersareusedbydoctorstoproduceanimageoffeaturesinsidethebody,suchasunbornbabies.Thesize,weightandcostoftheimagingconsoleshasshrunk,butthetransducerprobewhichisplacedonthebodyhasremainedlargelyunchangedandisnowthemostcostlypartofthesystem.Theprobetransmitspulsesofhigh-frequencysoundandreceivessignalsback,usingthereflectionstoproduceimages.Itcontainstinypiezoelectricstructuresthataremadebypainstakinglymicro-machiningabrittleblockofceramicmaterial.

很多公司正在考虑添加制造业将对他们的生意造成的影响。一部分人以严肃的态度对待这门技术。通用公司正在探索怎么将其应用在所有的流程上。有个产品已经在流水线上。它是一个小型的超声波扫描仪，用于获取人体内部的图像，如探测未出生的宝宝。用于生成图像的扫描仪的尺寸、重量和造价与过去相比已大大降低，但是放置在身体上的传感器探头大致没有变化，并且现在它是整套系统中最贵的部分。它包括一块精心加工过的脆性陶瓷材料，作为微型的电压产生器。这个探头发出高频率的声波脉冲，并接收返回的信号，根据这个反射信号产生图像。

NowGEhasdevelopedanadditivesystemtoprintthetransducer.Thiswillgreatlyreduceproductioncostsandallownew,inexpensiveportablescannerstobedeveloped,notonlyformedicalusebutalsotoinspectcriticalaerospaceandindustrialstructuresforcracks.

现在通用公司已开发一个添加制造系统来生产这种传感器。这将大大降低生产成本，并有助于医疗领域和航天飞机、工业材料缝隙检测领域开发出全新的、便宜的超声波扫描仪。

Repeatafterme

潮流

Howfarcouldthistechnologygo

MrIdelchik,ofGEGlobalResearch,hashissightssethigh:“Onedaywewillprintanengine.”Butanumberofmanufacturers,suchasGEandRolls-Royce,believethatsomeformofhybridprintingsystemwillemerge.Thiswouldproducetheoutlineofashape,thussavingonmaterial,whichcanthenbemachinedforprecision.

这种技术还能走多远？通用全球研究中心的Idelchik高度评价：“有一天，我们将用它生产发动机。”但许多工业制造商，如通用公司和劳斯莱斯公司，相信会出现一种混合型的3D印制系统。这种系统将生产流水线的外型，以便节省材料，并且准确地安装在其他装置上。

TheReplicator,aroboticrapid-manufacturingsystemmadebyCybamanTechnologies,aBritishfirm,alreadygetsclose.Thesizeofalargerefrigerator,itiscapableofbothsubtractiveandadditivemanufacturing.Itusesalaser-baseddepositionsystemtobuildabasicshapewhichisfinishedbymachining.TheReplicator,asbefitsitsname,isalsocapableofreverseengineeringbydigitallyscanninganobjectplacedinsideittoproducethedataneededtobuildanexactreplica.

英国公司CybamanTechnologies生产的自动化快速生产系统“复制者”已经十分接近这个目标。大型的“复制者”已经包括复制型生产系统和添加型生产系统。它使用一个基于激光的系统，通过机械制造基本的外型。“复制者”，机如其名，它同时包括一个反向制作系统，通过将放置到它里面的物体进行数据化扫描，能产生可用于复制生产的三维数据。

TheReplicatorisasnearascurrenttechnologycangettotheteleporterofsciencefiction.Itcouldscananobjectinoneplaceandtellanothermachineontheothersideoftheworldhowtobuildacopy.Thatmeans,forinstance,thaturgentlyneededsparescouldbeproducedinremoteplaceswithouthavingtoshipanything.Evenpartsthatarenolongeravailablecouldbereplicated,byscanningabrokenitem,repairingitvirtuallyandthenprintinganewone.Thechancesare,though,thatdigitallibrarieswillappearonlineforpartsandproductsthatarenolongeravailable.Justastheemergenceofe-booksmeansbooksmaynevergooutofprint,componentscouldalwaysremainavailable.Servicemechanicscouldhaveportable3Dprintersintheirvans,orhardwarestorescouldofferpart-printingservices.

复制者是最接近现化科幻小说里提到的“传送机械”的技术。它能在某个地方扫描物体后，通知另一地点的机器怎么制作一个复制品。举个例子，这表示许多紧急的物品不需要再快马加鞭的长途运送，就可以在远处直接生产。通过扫描损坏的零部件，可以直接修复它并生产一个全新的出来，这样就可以替换掉那些不能用的零部件。数据图书馆将已不能再使用的零部件和产品的数据上线，这是一个机会。就像电子书的出现，意味着书籍永远不会消失，因为书都可以在网上找到并使用。服务商会开着面包车装一台便携式3D印制器，或者在实体商店提供书籍部分打印服务。

3Dprinterswouldalsobeinvaluableinremoteareas.DeondeBeerofVaalUniversityofTechnologynearJohannesburgisworkingonaprojectcalledtheIdea2ProductLabwhichuseslow-cost3Dprintersfortrainingandtosparkaninterestindesignandmanufacturingamongstudents.Whensettingupasimilarlabatoneofthecollege’ssatellitecampusesatUpington,alargelyruralareaintheNorthernCape,histeamfounditselfshortofaparticulartypeofflatspanner.Ratherthanwaitingdaysforthecorrecttooltobedelivered,itprintedoneandcompletedthejob.

3D印制器对偏远地区来说更是无价之宝，约翰内斯堡的DeondeBeerofVaal科技大学正在进行一个称为“从点子到产品”的项目，就是应用低成本的3D印制技术来训练和开拓学生们在设计和工作制造方面的兴趣。位于北开普省农村地区的阿平顿的一所大学的卫星学院里成立了一个类似的实验室后，他的团队发现他们缺少一个特定型号的平面板手，他们不是花费好几天来等合适的工具送过来，而是自己印制了一个，然后完成了工作。

Insteadofaspannerthiscouldhavebeenasmallplasticpart,perhapstofixapieceofequipmentinalocalhospitalortorepairanagriculturalmachine,saysMrdeBeer.Hebelieves3Dprinterscould“produceanewbreedofmechanicalengineers”,especiallyinruralregions.

deBeer先生说：这次是一个板手，下次可能是一小片塑料块，或许是用于修理当地医院的某个设备，或许是用于修复某个农业机械。他深信，3D印制法能“培养新型的机械工程师”，尤其是在偏远地区。

Somepeoplealreadyhave3Dprintersathome.Industrial3D-printingsystemsstartatabout$15,000andgouptomorethan$1m,saysMrWohlers.Butcheaperdesktopmachinesarecreatinganentirelynewmarket(seechart5).Thisismadeupofhobbyists,do-it-yourselfenthusiasts,tinkerers,inventors,researchersandentrepreneurs.Some3D-printingsystemscanbebuiltfromkitsanduseopen-sourcesoftware.Butbigproducersof3Dprintersarealsoenteringthemarket.

一些人已将3D印制器带回家。Wohlers先生说，工业化生产的3D印制系统开始是要15000美元，现在上升到超过1百万。但是便宜的桌