造物的未來

吳凡

3D打印未來：快速成形技術引領新工業革命

三十多年前，當美國人查克.赫爾擺弄出世界上第一臺3D打印機時，他只是為了省卻制造模具的麻煩。而今天，這種“做加法”的工業制造技術，已經在人工智能與現代工業之間架設了通往下一次工業革命的橋梁，它消解了傳統制造業對流水線工人的依賴，讓每個家庭都有機會擁有一個桌面工廠，它還可能讓制造業國際轉移偏離既有的軌跡，進而“打印”出一張全新的全球政經地圖

現年73歲的美國人查克.赫爾如今回過頭來看到三十多年前自己為3D systems公司所拍攝的宣傳片時，也許會感到無盡驕傲。那年，他對著鏡頭嚴肅地說：“我們正在研發一種技術，能夠把你在電腦屏幕上看到的圖像迅速轉化成實體。”

盡管直到今天，赫爾的這一想法尚且完全兌現，但是越來越多的東西，比如西服、假牙牙套、飛機發動機的渦輪葉片，正在以一種區別于傳統制造的方式被“打印”出來。

而由赫爾發明的這項3D打印技術，在經歷了三十多年的發展后，有可能完全顛覆傳統制造業技術模式，這意味當下單調的大規模制造模式的終結，而未來人們有可能根據自己的需求輕松地打印出自己想要的東西。

為了“偷懶”的發明

1982年，美國工程師查克.赫爾當時的最大愿望是，能夠擁有一臺制造模具的機器，這樣工作起來要省時省力許多。兩年后，赫爾終于在噴墨打印機那里找到了靈感，他發現，通過逐層疊加薄層，利用紫外線固化后形成固體模型。1986年，赫爾把這一發現命名為“光固化快速成型術”，并成功申請了專利，創辦了3D systems 公司，這也是世界上第一家3D打印技術公司。

1988年，3D Systems的第一臺“立體平板印刷機”問世，3D打印的大幕由此揭開。

赫爾的第一臺3D打印機使用樹脂作為“墨”，用一盞可移動的紫外線燈使一層薄薄的樹脂凝固定型，并不斷重復這個過程。這很像是打印一封信。

不過，赫爾的立體平板印刷技術也存在缺陷。由于采用紫外光對物體進行固化，這項技術所使用的材料有一定的局限，而且無論是機器本身還是光固化材料都價格高昂，使得這項技術并沒有迅速普及起來。

與此同時，也出現了另一些同類技術。

上世紀80年代中期，傳感器制造商IDEA 的聯合創始人和銷售副總裁斯科特.克倫普也決定采用添加制造技術來解決CAD設計模型很難被轉化成真實樣品的問題。

與立體平板印刷不同，克倫普的技術采用的是熱塑性塑料材料。高溫熔化后的液態塑料被放在容器中，并由一個或多個噴頭根據CAD 模型的數據噴射到承載物體的桌面上的指定位置，材料在噴出后迅速固化；噴頭或桌面在電腦的操控下水平移動完成一層物體的打印，重復這一過程可堆積成完整的物品，冷卻定型后物品便可投入使用。

這項技術在1989年獲得專利，克倫普把它命名為熔融沉積建模；同年，克倫普創立3D打印機的制造商Stratasys公司，并擔任CEO 至今。

1989年成立的還包括采用選擇性激光粉末燒結技術的德國EOS公司。SLS技術的原理是激光有選擇地分層燒結固體粉末，并使燒結成型的固化層一層層疊加，生成所需形狀的零件。

和其他3D打印技術相比，激光粉末燒結技術可適用的材料范圍非常廣泛，而且大部分都是制造領域的常用材料，因此這項工藝的適用范圍最廣，常常被用來制造功能測試件，或者直接制造小批量成品。時至今日，激光粉末燒結仍被視為快速成型和3D打印技術的發展趨勢。

德國也藉此成為3D打印技術方面的領先國家。“實際上，目前世界上五家最先進的3D打印技術企業中，前三家都是德國公司。”GE中國研發中心現代加工技術實驗室經理彭志學在接受《中國新聞周刊》采訪時說。

20世紀90年代是3D打印技術穩步發展的時期，在機器和材料的價格逐漸降低的同時，CAD建模和數控技術的發展也使得打印出來的物品更加復雜和精致。

“真正的爆發”

進入21世紀，特別是2010年前后，3D打印技術才迎來了真正的爆發。

“3D打印技術的進一步完善最明顯的標志是適用材料范圍的擴展，特別是金屬、陶瓷、玻璃等材料的引入，豐富了上世紀80、90年代主要以塑料或感光樹脂為主的材料范圍。”彭志學告訴《中國新聞周刊》。

新的材料被引入之后，應用不同材料的復合材料被應用到了3D打印技術之中，這也為3D打印取代一些多步驟的制造工藝提供了可能，理論上講，只要利用適合的材料，3D打印技術能夠“打印”出任何東西。

這一趨勢在航空、醫療、汽車等工業制造的“高精尖”領域表現得尤為明顯。

航空航天領域的金屬材料加工對金屬材料加工技術的要求越來越高。盡管各種傳統技術都被努力發揮到近于極限，特別是在零件幾何形狀的復雜程度、性能、材料的利用率等方面，而這些正是3D打印技術的優勢所在。

2000年美國AeroMet公司生產的三個激光立體成形零件分別獲準在F-22和F/A-l8E/F戰斗機上使用。使用3D打印技術生產出的F-22戰機連接桿比傳統零件的壽命超出30%。同時，由于材料及切削加工的節省，制造成本降低了20%～40%，生產周期也縮短了80%。

3D打印技術還可以被用于維修航空設備，并且大大節約了成本。

比如航空發動機高溫倉里的半個巴掌大小的雙層渦輪葉片，單個價格超過一萬美元，哪怕只出現幾毫米的裂紋，傳統的維修方法就是直接更換葉片；“而運用3D打印技術，先將損壞的部分去掉一層，再‘打出一個全新的去掉的部分，將新打印出的部分和原有的沒有損壞的部分連接在一起，就使原來已經幾乎要報廢的零件獲得了‘新生。這樣的維修方法，成本可能只需要幾百美元。”GE中國研發中心現代加工技術實驗室經理彭志學向《中國新聞周刊》介紹道。

越來越多的大公司也加入到3D打印技術的研發中來。2011年，通用電氣公司（GE）宣布，已經將3D打印技術應用于制造部分航空發動機零部件。

3D打印技術不僅僅應用于冷冰冰的金屬上。“打印”諸如皮膚、肌肉和血管片段等簡單的活體組織的試驗也在進行當中。在未來，如果生物3D打印機能夠使用病人自身的干細胞，制造出像腎臟、肝臟甚至心臟這樣的大型人體器官，那么器官移植后的排異反應將會大幅減少。

除了高端領域，3D打印技術同樣已經進入了尋常百姓家。

3D systems推出的一款名為“Cube”的3D打印機，可以用來生產諸如玩具、棋子和裝飾品等物品，售價1299美元。這款打印機可以生產出邊長達5.5英寸（140毫米）的立方體，所有材料的標準成本約為3.50美元。用戶不僅可以在桌面制造出自己設計的實物，還可以通過配套開發的“Cubify”在線平臺把設計上傳到在線打印服務中心，通過工業打印機生產更多、更精致的產品。

2007年成立的Shapeways公司，其用戶可以通過上傳自己的設計，獲得系統即時自動生成的各種材料的3D印刷報價單，用戶自行選擇材料，定制屬于自己的產品，真正實現了社會化生產。2011年，這家公司的發貨量達到了75萬件。

歐美的機會？新興經濟體的風險？

3D打印的影響不僅僅只限于技術。

由于3D打印技術大幅度減少對流水線上的工人需求，從根本上消除了制造業的勞動密集型的特點，加之更加個性化的生產需要貼近市場，完全有可能幫助一些制造業工作崗位回流到發達國家。

“3D打印符合未來工業大規模定制和社會化生產的特征。”中國社會科學院工業經濟研究所副主任呂鐵在接受《中國新聞周刊》采訪時表示，他帶領的課題組正在研究“第三次工業革命”，而3D打印技術正是其中的重要內容。

正是基于以上這些優勢，3D打印被認為很有可能將改變當下的世界制造業格局，并進而對未來數十年的全球政治經濟格局產生深遠影響。

由于持續的經濟低迷，美國和歐洲都希望把分散在世界各地的工廠遷回本土，以創造更多的就業崗位。3D打印被認為是一個機會，因為它符合未來定制化和社會化生產的特征，尤其是在光學、機電、精密機械、模具等領域，在這些方面，新興市場的成本優勢并不明顯。但這也許并不容易實現。

“3D打印對部分制造業具有優勢，如果只制造少量產品，無論是簡單的還是復雜的，傳統的采用模具制造的成本一定是高于3D打印的；而如果該產品可以用簡單的模具制造出來，并且制造數量是成千上萬的話，那么3D打印技術的優勢就無從顯現。”GE中國研發中心制造和材料技術總監魏斌博士告訴《中國新聞周刊》。

這就意味著，對于適合使用3D打印技術生產的產品，把崗位從新興市場搬到發達國家的辦公室中的設想具有實現的可能；而在仍然適合批量生產的標準化產品制造，仍可能留在人力成本相對低廉的國家。

但無論如何，3D打印的前景被多方看好。到什么程度？著名科技雜志《連線》主編克里斯.安德森在制作了3D打印的封面之后不久宣布離職，擔任由他創立的3D打印公司3D Robotics的首席執行官。