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三维打印机,开启生产制造新模式

自公司产品首发不到两个月,首席执行总裁里克•富勒普(Ric Fulop)就在兴高采烈地展示起桌上陈列的一排排简装三维打印机,一台台硕大的微波炉,还有各种各样的小型金属物件。在关闭的门后,一组产品设计人员围坐在公用的写字台前,每个人面前都有一个大屏幕。身后的墙上是公司雄心勃勃的产品系列,展示着产品的各种不同形式:这些三维打印机能降低部件生产造价,提高部件生产速度,使三维打印技术能在产品设计和制造行业推广普及。


桌面金属公司向全球领先的风险投资公司及通用电气(General Electric)、宝马(BMW)、Alphabet(谷歌母公司)等公司的投资机构筹集了将近1亿美元的资金。创始人包括4位麻省理工学院(MIT)教授,其中有学院材料科学系主任,还有1989年最早申请三维打印原创专利的伊曼纽尔•萨克斯(Emanuel Sachs)。尽管资金和技术都已到位,由于公司的目的旨在彻底改变金属部件的成型模式,继而大幅改变金属部件的生产模式,这一目标是否能成功实现,仍然无法保证。


随着富勒普在巨大的开放式办公空间来回踱步,脸上的兴奋和热烈之情渐渐转为焦虑。最终能投入市场的商用打印机尚未成形。员工们忙着调整机器。制作完成的试验品四处散落。研制工作虽然稳中有进,但时间也显然是一天天迫近。前门入口区域的角落里,地板空着而且被围了起来。这块地方很快就会装上公司计划中的展台模型,备战即将到来的展销会。


桌面金属一旦成功,将解决困扰了三维打印开发商30多年、极大影响三维打印技术价值的重大难题。的确,虽然媒体上宣传得颇为热火,从很多方面看,三维打印技术都不算成功。


三维打印爱好者和自诩的研制人可利用造价相对不高的三维打印机,实现极其复杂而极具独创性特点的塑料成型。而有些设计师和工程师则发现,这些机器对潜在产品的全尺寸成型十分有效,但打印聚合物部件,除了对定制助听器和人工植牙等少数专业化产品有用外,对生产流程几乎毫无价值。


尽管金属的三维打印成型并非天方夜谭,但真正实现不仅难度大,而且造价高昂

目前,通用电气等先进制造企业都是利用专业化大功率激光设备制作少数高价值部件。而金属打印则仅限于那些财力雄厚,有亿万资金用于设备投资,有充足的资源保证激光设备所需动力,还有高素质的技术人才运行这些设备的企业。而且,有些生产商还希望能在产品设计和开发过程中实现同一金属部件多种版本的打印成型。对于这类生产商,他们仍然没有选择的条件。


在微波炉中加工液压歧管,需要以1400℃的高温烧结钢部件。这种部件太过复杂,采用传统的生产方式无法制作。


三维打印的短板,表明长期激励其倡导者的愿景仍然是可望不可即。他们希望的是形成数码设计,打印出能测试并完善的原型,然后利用优化版本的数码文件,随时以三维打印机上打造出来的同种材料制作出商业产品或部件。要想实现这个愿景,首先就要找出降低金属部件打印成本、提高打印速度的方法。


必须能让设计师拥有更多选择,使他们生产和测试的部件和装置能具备任何其他生产模式无法轻易实现的复杂形状,比如精致的铝合金网格,或具有内部孔洞的金属物品等。最终,这种技术能让工程师和材料学家通过沉积多种不同的材料组合,如在非磁性金属旁打印出磁性金属等,打造出具有新功能、新特性的部件。除此以外,这种技术还会转变批量生产的经济性,因为无论产出的物品件数多少,打印的成本都是一样的。由此一来,就会改变生产商对工厂大小、备用存量的需求(如果能轻松快捷地打印部件,干嘛还要库存那么多?),以及按专业化产品调整生产过程的看法。


这就是人们纷纷将三维打印作为部件生产新方式的原因。斯特塔西(Stratasys)和三维系统(3D Systems)等长期供应商,不断提高三维打印设备的技术水平,其速度已经能够满足生产商的应用需求。去年,惠普(HP)推出了一系列三维打印机,称其设备能试制和制作以尼龙为原料的产品,而尼龙又是一种应用广泛的热塑材料。去年秋季,通用电气斥资10亿多美元收购了欧洲两家专门从事三维金属部件打印的专业公司。


这只钢制螺旋桨刚刚被打印出来。螺旋桨叶片与金属支架之间有一层薄薄的陶瓷,烧结过程中会变成砂粒,这样能方便成品从支架上脱离。


加工后的螺旋桨是三维打印技术能制作的高性能部件之一。工程师可运用该法试制并优化不同的设计方案。


不过,对于桌面金属而言,真正的竞争可能不是来自越来越多的三维打印企业。一则,惠普、斯特塔西(桌面金属的其中一家投资商)和三维系统公司可利用多种类型的塑料,而且不属于富勒普的公司所希望在打印机中使用的金属范围。而通用电气的高端设备与桌面金属的市场目标也少有交叠。对于桌面金属而言,真正的竞争对手更可能是已然成熟的金属加工技术。其中包括自动化加工技术,如制作iPhone超薄铝合金背壳所应用的加工方式,还有迅猛发展的金属注模法——金属产品批量生产的通用模式。


换句话说,桌面金属的当务之急不是简单地探索如何赶超其他的三维打印机,而是如何引导生产商改变传统的生产方式,将经营核心从传统的生产方式转化为三维打印成型模式。然而,由于传统的市场庞大而成熟,如何实现这一变革就显得非常难以预知了。富勒普说,制造金属部件可是个“万亿美元的大产业”。他接着说,即使三维打印只占了那么小小的一部分,也意味着数十亿美元的大买卖。


温度太高,无法打印
环顾四周。金属无处不在。然而,三维打印广泛应用于塑料生产,该技术在金属部件的生产中却是“限于很小的范围”,麻省理工学院材料科学与工程系主任、桌面金属公司创建人之一克里斯•舒赫(Chris Schuh)说。他还说道“金属加工不仅是一门艺术,更是一项非常具有挑战性的领域。”


应用三维打印制造金属物品并非易事,原因也有很多。最明显的原因是金属加工所需要的高温。最常用的塑料打印方式需要加热聚合物,并从打印机喷头喷出材料,然后塑料快速硬化成需要的形状。对于售价在1000美元上下的三维打印机而言,这套工序足够简单。但是,建造能直接挤出材料的三维打印机就不太现实了,因为铝的熔点为660℃,高碳钢的熔点为1370℃,而钛的熔点是1668℃。除此以外,金属部件还需要经过多道高温工序,才能达到期望的强度和其它机械特性。


为了提高三维打印机的运行速度,满足金属物品的生产需求,桌面金属采用了上世纪80年代晚期的技术。当时,以公司创建人之一萨克斯领导的一支麻省理工学院工程师团队申请了“三维打印技术”的萨克斯专利。该专利先铺上一层薄薄的金属粉末,再利用喷墨打印技术沉积出一种液体,通过液体针对性粘接粉末。单个金属部件的定型需要数百乃至数千层粉末逐层成型。这种工艺制作的部件几乎不受任何几何复杂性的限制。该技术最常见的应用中,粘合剂的功能是作为粘胶使用。但也能用来将不同的材料局部沉积在不同的位置。


麻省理工学院的科研人员早就知道,他们的打印方法会用来制作金属和陶瓷部件。萨克斯说。不过,他们也知道,要想真正实现还有待时日,而且工艺所需要的金属粉末在当时也太过昂贵。后来,萨克斯转向其他研究领域,其中包括光伏生产的改进技术(见“祈求能源奇迹的出现”)。其后的几十年,三维打印出现,让无数产品设计师如痴如醉。最著名的是麦扣波特(MakerBot)2009年推出的一种既廉价又简单易用的三维打印机。该产品一经推出,就受到不少自封的发明家和能工巧匠们的热捧。尽管这些物美价廉的打印机只能使用少数廉价的塑料材料,但销量一时猛增。然而,虽然这些机器能够打印复杂形状,但最终产品往往赶不上传统技术生产的塑料部件。


桌面金属分别打印了螺栓和蝶形螺母,证明其产品能够制造出允差极小的部件。


蝶形螺母近视图。

与此同时,通用电气等工业生产商的研究人员也忙着推进上世纪80年代晚期发明的金属打印专用的激光打印技术。这些机器利用激光——有时候是大功率电子束——通过熔化材料在一层金属粉末中描绘形状。它们不断重复这一工序,以熔融的粉末建造三维物体。该技术能力堪称强大,只是速度过慢,造价也太过昂贵。因此,仅适用于构造复杂、无法用其他方式生产的极高值部件。值得注意的是,通用电气的新型喷气发动机就利用了一系列高端的三维打印燃油喷头。这种喷头质量更轻,而且耐久性远比其他喷头强,因为内部置入了精密的冷却流道。


你觉得这些年来三维打印技术并不成功吗?说说你的想法吧!


桌面金属的创始人们确定,要想更好的推广三维金属打印技术,就必须销售两种不同类型的机器:一种是适合设计师和工程师试制原型相对廉价的“桌面”型设备,另一种是速度快、体量大的工厂型设备。所幸的是,有多项革新最终都使得萨克斯的原创发明适合批量化生产,其中包括粘合剂沉积所需的极高速喷墨打印技术。生产级打印机能连续打印约1500层,每层厚度50微米,数秒内即可沉积,一小时能建造一个500立方英寸大小的部件。相比能制作金属部件的激光三维打印机快了100倍。


针对成型机,桌面金属采用了塑料三维打印的一种方法。但没有使用软化聚合物,而是以金属粉末与一种流动性聚合物粘合剂配合使用。成型过程为挤出式,以打印的粘合剂将金属粉末聚合成需要的形状。


不过,无论部件是用原型机还是生产型设备打印的,其制作出来的物品,即部分塑料粘合剂和部分金属混合物,仍然缺乏金属部件的强度。为此,还需要进入专门设计的微波炉中烧结,即利用高温加大材料的密度,最终生产出具有所需特性的部件。烧结过程包括一系列精心校准的环节,聚合物先是燃烧殆尽,再将金属共同熔融,熔融的温度要大大低于金属的熔点。


商业推广


按照倡导者承诺,三维打印技术能减少对工业生产商的需求,强化地方手工业制造产业。这个现实可能远远不同,但意义深远。许多工业生产领域都在不断扩大自动化和先进软件技术的应用范围,而三维打印又进一步将这种趋势向数码生产推进。某种程度上,三维打印并不像是编制数码文件以打造金属部件的自动化加工程序。三维打印的不同之处在于能制造远比常规模式更加复杂的物品,同时消除生产工艺对设计师和工程师设置的种种限制。


另外,还能推动生产商创新物流和生产思路。对于小部分货物而言,三维打印还能降低生产成本,因为三维打印能免除与加工、浇铸及多数金属、塑料物品加工所需模具相应的成本。由于工序耗用了大量的时间和资金,因此,生产商要想提高效益,往往需要批量生产。没有了这种批量化生产的动力,工厂就可随时调整生产计划,更好地响应需求,逐步向即时生产靠近。麻省理工学院机械工程学教授、桌面金属的创建人之一约翰•哈特(John Hart)称之为定制式批量生产。应用三维打印技术,生产商不再需要购置大型设备,大量生产一模一样的部件,再运往世界各地分别库存,而是零散布置工厂,成套生产多种型式的产品,并根据需要提高产量。“对于未来10年、20年的影响可能超出我们的想象”,哈特说。“我觉得我们根本就不知道这些技术还会产生哪些影响。”


眼下,桌面金属的难题是如何向负责公司下一代产品的设计师和工程师推广他们的设备。今春,富勒普正在准备公司首个产品成型机在匹兹堡(Pittsburgh)展销会的展出事宜。该展会已定于5月初开展。(生产型三维打印机预定于明年投放市场。)他的任务是说服参展人员,花12万美元购买桌面金属的成型打印机和烧结炉设备是企业未来发展必不可少的投资。


三维打印技术的其中一个主要优势,是能够制作复杂结构,包括金属部件的内部网格等。这种结构可减轻部件重量,提高部件强度。


富勒普特别适合做销售工作,曾创办过10多家公司。第一家公司是专门进口自己16岁时原创的计算机硬软件。这些公司至今仍在其故土委内瑞拉运营。富勒普最出名的大概是创造了A123系统公司(A123 Systems)。这是21世纪00年代晚期飞得最高的创业型企业之一,2009年首次公开募股累计额高达3.71亿美元。公司基于蒋业明(Yet-Ming Chiang)研发的新型锂离子技术。蒋业明是麻省理工学院教授,也是桌面金属的创始人之一。与其当前的三维印刷企业一样,A123公司希望能应用材料科学技术实现巨大市场的变革。


三维打印技术还能推动生产商创新物流和生产思路


虽然A123发展迅猛,首次募股大获成功,但还是在2012年宣布破产(富勒普于2010年离职)。 当问及从A123中吸取了哪些教训时,富勒普的回答很简单:“蓄电池盈利空间太小了”。的确,面对日益拥挤的蓄电池产业,A123疲于竞争;而且公司本身也未能大力提高锂离子电池产品的技术性能,无法迅速抓住新兴的混合动力汽车市场。


而桌面金属所面临的挑战则迥然不同。一来,金属部件早已形成了巨大的需求市场。二来,公司相信自己的技术至少在短期内少有直接的竞争对手。蒋业明指着公司“极其丰富”的专利组合。“不单单是材料,而且也是技术,是(烧结的)炉子,”他说。“技术难度越大,成功后的入门壁垒就越高。”


蒋业明应用的办公室内有一只木盒子,里面装有半打短剑,是从波士顿美术馆(Museum of Fine Arts)租借来的。短剑是上世纪70年代日本传统技术制作的。蒋业明利用短剑进行教学。课题:工匠是如何应用冶金术的秘密将铁矿变成最终产品——异常锋利、略微弯曲的钢剑的。蒋业明一边展示着短剑,一边阐述短剑制作人所应用的诀窍,如怎样运用淬火法使剑刃异常坚硬,而让剑身保留一定的柔性等等。回到桌边,他的注意力又回到了桌面金属。讲到公司近来打印并在各机构陈列的金属物品时,他的神情同样是激情洋溢。最令人激动的是“当你想到真的可以制作这些部件时”,蒋业明说。“只要几个小时,面前就出现了一个部件,而这种部件以前甚至无法制作。”


当然它不会取代像锻造和金属铸造这种百年技术,但三维打印可以创造新的生产潜能,而且,当然只是可能,重新定义冶金这门艺术。

三维打印成型市场的关键主体
• 企业:斯特塔西
技术:斯特塔西是三维打印技术的原创企业之一,其创始人为熔融沉积成型技术的发明人斯科特•克朗布(Scott Crumb)。熔融沉积成型是塑料部件最常用的成型技术。
产品:销售机型能满足多种感光聚合物和热塑材料的打印成型需求。


• 企业:碳素(Carbon)
技术:这家著名的硅谷创业企业研发出一种全新的光化加工工艺,适用于聚氨酯和环氧树脂等多种原料的部件加工。
产品:今春面向生产厂家推出了全新的模块式生产系统。


• 企业:惠普
技术:从喷墨打印到最近推出的所谓“多射流熔融技术”,单从惠普公司的机器生产线就看出企业悠久的历史。多射流熔融打印利用多个喷头,不仅加快了打印的速度,而且还提供了成图的分辨率。
产品:去年推出了首批三维打印机。第一台打印机打印的材料为尼龙,但公司正在加快向其它材料扩展。


• 企业:三维系统
技术:三维系统公司为全球第一家三维打印公司,其创始人为立体光刻打印的发明人查克•赫尔(Chuck Hull)。立体光刻打印利用光源实现感光聚合物部件的成型。该公司目前有多种不同类型的三维打印机销售,其中就包括部分金属部件打印设备。
产品:去年推出了最新版本的立体光刻技术。
 

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