三维打印或将掀起新一轮工业革命

http://www.stdaily.com 2011年03月01日 来源： 科技日报 作者： 刘霞

本报记者 刘霞 综合外电

打印出一把小提琴

打印出来的手套

18世纪晚期，工业革命让大规模制造物品成为现实，规模经济以前所未有的方式改变了全球的经济和社会格局。但英国《经济学家》杂志2月14日刊发的文章报道称，现在，一种新的生产制造技术——三维打印技术却反其道而行之，该技术让制造单个物品的成本和生产数千个物品的成本一样低，因而削弱了规模经济的优势。三维打印技术对全球带来的影响或许可以和工厂的出现相媲美。

打印机翼不是梦

三维打印技术是上世纪90年代开始逐渐兴起的一项先进制造技术，目前已经得到较为广泛的运用。凭借这项技术，人们可用各种材质设计并制造出很多令人惊讶的物品。

三维打印的工作原理如下。首先，研究人员将设计蓝图从电脑中调出，并将其显示在电脑屏幕上；然后根据需要认真调整颜色和外形，最后按下打印键，打印机就开始飞速工作，打印出所需要的物品。在用三维打印机打印物品的过程中，材料是一层一层地不断增加上去的，因此，三维打印技术也被称为“快速成型技术”。

人们已经使用该技术打印出了灯罩、身体器官、珠宝、根据球员脚型定制的足球靴、赛车零件、固态电池以及为个人定制的手机、小提琴等，有些人甚至使用该技术制造出了机械设备。比如，美国麻省理工学院（MIT）的博士生彼得·施密特就打印出了一个类似于祖父辈使用的钟表的物品。在进行了几次尝试之后，他最终用打印机打印出了塑料钟表，将其挂在墙上，结果，钟开始滴答滴答地走动。

三维打印机的应用领域也在随着技术进步而不断扩展。据美国物理学家组织网2月24日报道，美国科学家已经研发出了能打印皮肤、软骨、骨头和身体其他器官的三维“生物打印机”。人们还使用三维打印机来制造雕塑并修复雕塑，制造由塑料和聚合物制成的三维物体并打印出了食品。

美国北卡罗来纳州维克森林大学再生医学研究所教授詹姆斯·刘在最近举行的美国科学促进协会（AAAS）年度大会上表示，其研究团队研发出了一套可以打印皮肤的系统，这种打印出的皮肤可直接用在烧伤的伤口上。纽约康奈尔大学计算合成实验室的主任胡迪·利普森领导的研究团队也在该年度会议上表示，他们利用生物打印机打印出了一只用硅制成的耳朵。该研究团队利用人耳的扫描信息和相关的三维坐标信息，使用硅凝胶而不是人的耳朵细胞，打印出了耳朵模型。

一家位于美国明尼苏达州明尼阿波利斯市、名为Stratasys的公司用塑料沉积技术生产出了三维打印机，该公司同时也使用他们的打印机打印出零件以制造更多的打印机。

去年12月，Stratasys公司与加拿大温尼伯工程集团科尔生态公司合作，推出了第一辆由三维打印机制造出来的汽车。这辆使用电力与燃料混合动力的汽车，在高速公路上每加仑汽油能够行驶200多英里，在城市道路上每加仑汽油能够行驶100英里。该汽车所有的外部组件，包括玻璃嵌板的原型都是使用Stratasys公司数字制造服务站的三维打印机与Fortus3D生产系统制造的。

三维打印技术排除了使用工具加工、机械加工和手工加工，而且改动技术细节的效率极高。在英国，相同的技术被戈登·默里设计公司用来帮助制造前卫的T.25型城市“生态汽车”，这款汽车已于2010年7月面世。

更令人难以置信的是，隶属于欧洲宇航防务集团（EADS）的一个科研小组正致力于利用此技术打印出飞机的整个机翼。目前研究者已使用该技术制造出了飞机起落架的支架和其他飞机零件，其打印出的支架同一只鞋子的大小一样。他们有信心在不久的将来打印出更多的飞机零件，包括机翼等。

优点：低廉、实用、方便

三维打印技术的魅力在于它不需要在工厂操作，桌面打印机可以打印出小物品，而且，人们可以将其放在办公室一角、商店甚至房子里；而自行车车架、汽车方向盘甚至飞机零件等大物品，则需要更大的打印机和更大的放置空间。

与传统技术相比，三维打印技术还拥有如下优势：通过摒弃生产线而降低了成本；大幅减少了材料浪费；而且，它还可以制造出传统生产技术无法制造出的外形，让人们可以更有效地设计出飞机机翼或热交换器；另外，在具有良好设计概念和设计过程的情况下，三维打印技术还可以简化生产制造过程，快速有效又廉价地生产出单个物品。

美国辛辛那提的莫里斯技术公司是首批大力投资利用三维打印技术为其他公司提供工程和生产服务的公司之一。起初，该公司的主要业务是快速地制造产品原型，但2007年，公司意识到“一种新型的产业即将诞生”，于是又成立了另一家名为“高质量快速制造”的公司，其核心业务是利用三维打印技术生产更高产量的零件。该公司表示，三维打印技术只需几小时或几天的时间就能将许多中小型零件从电脑设计变为符合生产质量的金属零部件，而采用传统方法则需要数天或数星期。另外，打印机在无人看管时也能继续运转，一天24小时不停地工作。

三维打印技术还有其他重要的优点。大多数金属和塑料零件为了生产而设计，这就意味着它们会非常笨重，并且含有与制造有关但与其功能无关的剩余物。三维打印技术不是这样的。EADS项目的总工程师安迪·霍金斯说：“在三维打印技术中，原材料只为生产所需要的产品”，借用三维打印技术，他的团队生产出的零件更加精细轻盈。当材料没有了生产限制后，就能以最优化的方式来实现其功能，因此，与机器制造出的零件相比，打印出来的产品的重量要轻60％，并且同样坚固。

如果EADS可以保证通过三维打印技术制造出来的机身、机翼和其他部件的质量及安全性可以达到传统制造方式的标准，那么，通过该技术生产的飞机就会更轻、成本更低、效率更高。那么，未来人们也许可以在同一个地方制造飞机所需的所有部件，这样就可以避免供应链带来的问题，这一问题曾经延误了空客A380的制造。

从打印模型到打印成品

几十年来，航空航天、医疗和汽车工业等领域的工程师和设计师们主要使用三维打印技术来快速而廉价地制造产品的模型。

但现在，随着三维打印机的处理能力不断提升，它能处理的原材料更多了，包括用于生产的塑料、金属以及树脂等。三维打印机开始更多地被用来生产成品。一家专门研究该领域的公司的管理者特里·沃勒斯称，现在，三维打印机制造出的产品中，20%以上的为成品而非产品原型，他估计，到2020年，成品的比率会增至50%。

而且，当批量生产物品的数目达到1000个时，三维打印技术完全可以同注塑成型方法相匹敌，随着技术的不断完善，这一数字还将攀升。

通过降低生产过程的成本，三维打印技术有望促进革新。能在计算机上设计出的形状，三维打印机都可以将其变成实物。人们可以先打印出一打某个产品，然后观望市场对这种产品的反应，如果该产品有市场的话，就可以接着再打印出50个。

对投资者和新兴公司来说，这不啻为一个好消息，因为制造新产品的风险和成本都降低了。并且，就像开源软件工程师可以通过共享软件代码进行合作一样，工程师们也开始在开源设计上进行合作以设计出新产品和新的硬件设施。

(科技日报)