《3D打印:正在到来的工业革命》一一1.2 为什么使用3D技术打印

异步社区 2017-05-02

本节书摘来自异步社区出版社《3D打印:正在到来的工业革命》一书中的第1章,第1.2节,作者:【英】Christopher Barnatt ,更多章节内容可以访问云栖社区“异步社区”公众号查看。

1.2 为什么使用3D技术打印

3D打印:正在到来的工业革命
和许多新生事物一样,如果3D打印对现有的技术和工业实践有着明确而显著的作用,那么它将促使这次革命发生。在我们进行下一步之前,有必要概述一下3D打印技术是如何帮助我们有效地实现新的事物,或者如何利用更加行之有效的方法使旧的事物达到预期的效果。

1.2.1 改善产品设计
3D打印技术已经开始用于改善产品设计。它可以加快“概念模型”的创建速度,以物理形态展示出来,便于设计者在设计过程中提前对其进行观察和处理。

尽管现在新产品的计算机图形渲染已经十分精致,但仍然不及手握一个新产品3D模型来得真切。通常在电脑屏幕或平板电脑上看一个设计的时候,设计缺陷不会很明显;但当一个物理概念模型可以真实地看到并触摸到的时候,设计缺陷就变得非常明显了。通过快速创建概念模型(有时会使用全彩打印),3D打印改善了设计者和客户间的交流。这相应地加快了设计进程,同时还可以创造出更好的产品。

除了概念设计阶段之外,3D打印还被用于创建“验证模型”或“功能原型”。基于这个原因,3D打印在某些工业领域已经被称为“快速成型”或“RP”。遗憾的是,根据我的经验,“快速成型”的标签限制了一些人对3D打印技术广泛应用的理解。

当设计过程需要检查产品不同部分的状态、适合度和功能性时,就需要功能原型。传统上,这种原型只能由熟练的工艺师使用劳动力密集型的车间技术创建。因此,为了生产大量的产品原型而花费几个星期和成千上万美元、欧元或日元的情况并不少见。相比之下,使用3D打印可以在几小时内制作完成功能模型,并且价钱只是传统方法的一个零头。3D打印可以更快更廉价地制作出原型,同时使新产品通过更多的迭代周期。举例来说,自1988年以来,雷诺F1赛车队就利用3D打印技术生产赛车零件原型,以测试其新设计的空气动力性能。这支车队每年可以针对其F1赛车检测数百次可能的空气动力变化。

在过去的几十年中,一些3D打印先驱者成功建立了专门致力于生产概念模型和功能原型的企业。许多这样的公司现在仍然很兴旺。但是3D打印硬件成本的下降也开始允许他们中的许多人将概念模型和原型制造进行内部生产,甚至可以搬到桌面上。例如,最近报道中提到的有些福特公司的工程师所使用的MakerBot桌面3D打印机,费用是几千美元。它通过制造出可组装的塑料部件来检查其适合度和功能性。福特的工程师利用 3D打印机,在开发新引擎方面“搭起了抽象与现实之间的桥梁”。
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1.2.2 转变传统生产方式**
除了概念模型和原型制作,3D打印也开始用于工业预生产方面。大多数传统的生产过程需要专门的夹具、工具、模型和模具,在制造过程中这些工具用来将金属和塑料定型成合适的形状。和产品原型一样,这些传统的靠手工完成的制作形式既耗时又昂贵。使用3D打印可以为使用传统生产方式的工厂节省大量的时间和金钱。

3D打印的一个非常有前途的应用是在模具上直接生产,或者在最终的模具上直接取下“母模”。例如,我们将在下一章中看到,“3D砂型铸造”正越来越多地被用来直接在熔化的金属中打印模具,然后直接浇铸成最终的零件。ExOne(用于此目的的3D打印先驱)3D打印砂型铸造模型,总的生产时间可以减少70%,并且可以实现更高的精度和更复杂的模具创建。事实上,当一个物体设计好之后,如果在它外面包裹一层砂,然后再浇铸模型,那么在灌注融化的金属之前,是无法去掉这层砂的,而使用3D砂型铸造,就可以制作这样的模型。

一些3D打印机专门为模具或图形产品生产模型。例如,Stratrays公司出售的一款名为Solidscape的打印机就使用蜡样塑料为牙科实验室或珠宝制造领域生产小模具。与砂型铸造一样,这些模具或图形产品是“牺牲品”,他们会在生产最终成品的过程中损毁。

使用3D打印创建模具、图案和其他生产工具可能很少被人们看到,更不用说被大多数最终产品的消费者所欣赏了。例如,几乎很少有人注意到他们运动鞋的鞋底就是在模具中制造出来的,而这个模具则来自于3D打印的母模。然而,即使它仍然在幕后发展,3D打印在工业预生产中的使用似乎印证了3D打印革命的一个重要方面。
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1.2.3 直接数字化制造**
虽然3D打印已经成为一些设计和预生产过程中不可或缺的部分,但该技术应用的最终将是“直接数字化制造(DDM)”的发展。顾名思义,DDM使用3D打印制造出最终产品或部分零件。第4章中我们将会看到,DDM已经在不同行业获得青睐,如航空航天、珠宝制作、牙科技术、玩具生产以及品牌家具设计和定制太阳镜等时尚单品的制造。

3D打印最惊人的一点是它不需要使用传统的手工技术就可以制造出物体。例如,3D打印机可以在不断开项链的情况下将其打印出来,更不用说制造出有豌豆的口哨和有小船的瓶子了。有些3D打印机还可以直接打印出运转的零件,比如由多部分机制组成的变速箱。传统上,多部分组成的产品最终总会涉及到组装,但使用3D打印将不再需要这一步骤。

未来,几乎所有的东西都可以用3D技术来打印,包括整架飞机的制造。虽然这听起来有些疯狂,但空客公司的一个小项目组正在设计一架革命性的客机,它将比传统的飞机重量轻65%,因为它可以靠3D技术用塑料树脂打印出来。虽然这种飞机以及可以制造出这种飞机的3D打印机也许要到2050年才能面世,但在2011年,空客母公司EADS启动了260万英镑资金在埃克塞特大学成立了增材制造中心。该研究机构的目的是开发 3D打印的飞机零件,包括目前的空客A380。

1.2.4 大规模定制
DDM的优点之一就是能够实现大规模定制,因为一台3D打印机上打印出的两个物体不会完全相同。有些3D打印的先行者已经瞄准市场机会,开始大规模定制一些新颖的产品。例如,访问Cubify.com网站,以定制一个苹果手机模型为例,它将根据你提供的数码照片为你制作出一个背面凸起的3D成品。与之类似的,ThatsMyFace.com网站邀请访问者上传脸部正面和侧面照片,然后它便会生成一个彩色的3D头部模型。顾客可以将3D打印的头部模型装到塑料人偶或乐高模型上。此外,顾客还可以购买用他们脸部照片做出的3D肖像或面具。

ThatsMyFace.com网站购买标准雕像,用3D打印定制的头部模型取代雕像的头部,这样的方法确实非常聪明。这项服务不仅让人们拥有以自己为原型的超级英雄的小模型,还展示了低成本的3D技术可以简单且大规模地定制标准产品的巨大潜力。对于那些寻求建立新的3D打印业务的企业,市场中还有相当多的类似机遇。

1.2.5 小批量生产
除了大规模定制,DDM还可以低成本生产一次性产品或小批量的组件,因为启动生产是不需要工具的。例如,2012年詹姆斯·邦德电影《天幕坠落》的制片人需要3台Aston Martin DB5座驾三分之一大小的模型车,他们就用型号为Voxeljet VX4000的3D打印机将它们打印了出来。这些轿车模型被3D打印成18个部分,然后再进行组装喷漆,最后变成看起来非常真实和昂贵的复制品。遗憾的是,这些模型在电影中被炸成了碎片——虽然它们被制造出来的目的就是这个。

另一个例子是,一个叫作Klock Werks Kustom Cycles的定制摩托车制造商已经采用3D技术来加速生产一次性组件。在一次电视节目中,该公司需要在5天时间内制造出一台定制的摩托车。为了在规定的时间内完成任务,Klock Werk的工程师们设计出了摩托车的仪表盘、叉管盖、前大灯挡板、脚踏板、脚踏板底部和车轮垫片盖,这些全部都是在一个叫作SolidWorks的3D模型程序包中完成的。最后由3D打印机打印出各个部分,而不是用铝制或在塑料中铸模完成。这辆成品摩托车的车速甚至创造了美国摩托车协会的陆地速度记录。

上述例子表明,3D打印已经可以又快又便宜地制造出各种东西,这是传统的制造方法不能比拟的。对于公司或个人,无论是谁想要生产出一个或小批量产品,3D打印都已经成为了一种“将不可能变为可能”的技术。

1.2.6 数字存储和运输
除大规模定制和小规模生产外,3D打印还努力向数字模型存储和数字模型运输方面发展。这意味着,如果你想给远方的朋友送些东西,今后你可以有两个选择。第一,通过快递或信件将东西发给对方;第二,通过网络给对方发送一个数字文件,然后对方使用3D技术将其打印出来。

虽然这听起来像科幻小说中的情节,但在一个叫作Thingiverse的共享网站上,设计者可以上传他们的数字作品,其他人可以下载或打印。现在很多人经常在线共享文本、图片和视频,而3D打印的模型可能会很快加入到众多社交媒体中。通过实现在线存储和运输,3D打印技术会像计算机和Internet实现数字信息的存储和传输一样,实现3D对象在物理世界中的存储和传输。

1.2.7 开放式设计
数字模型会越来越多地迭代演变,即使在今天,这种情况也并不少见。3D打印爱好者们下载一个数字模型,对其进行一处或几处改进,将模型打印出来,然后再上传修改后的设计,以便其他人从他们的改进中受益。这种“开放式设计”开始生根,随着越来越多的人使用CAD软件和3D打印硬件,这也是一个将设计过程从专有化转变为大众化的过程。

许多企业担心开放式设计的后果,另外一些人则强烈支持这一趋势。例如,在2013年1月18日,诺基亚推出了3D打印社区项目。该项目发布了一个“3D打印开发工具包”,用来帮助人们设计并亲自制作自己的Lumia 820手机。正如诺基亚社区及市场开发经理John Kneeland所说的,

我们的Lumia 820手机有可拆卸的外壳,客户可以给手机替换不同颜色的诺基亚外壳,这些坚固的外壳有防震和防尘保护,而且在高级的Lumia 920和中级的820手机中,这些外壳还附加无线充电功能。这些特别的功能给了大多数诺基亚Lumia 820用户一个很好的选择。除此之外,我们还将发布3D模板、使用说明、推荐材料和最佳实践——任何熟悉3D打印的人都应该为自己定制一个Lumia 820手机。
诺基亚发布上述通告仅几天之后,便举办了一次诺基亚Lumia 820手机3D打印挑战活动,鼓励人们设计并分享可3D打印和替换的手机壳。 1月24日,距离发布3D打印开发工具包6天之后,3D打印的诺基亚820手机壳(包括一些功能按钮)就在网上展示了出来。

以上做法有可能会引发各种知识产权问题。确实有人担心通过3D打印本身的功能将产品转移到个人手中会引起混乱。

如今,3D打印爱好者倾向于分享模型和迭代设计,如智能手机、摄影配件、玩具和模型车,但是不应将所有的零部件或设计都在网上自由地分享和迭代。令人沮丧的是,已经有人利用3D技术打印出枪支并在网上分享他们的设计。在第5章和第8章中,我们将回到围绕数字模型复制、个人制造和开放式设计这些广泛的问题上。
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1.2.8 转型零售**
虽然那些拥有3D打印机的人会更多地选择在家中制造自己的物品,但3D打印革命的主流影响更可能是在传统的零售领域。现在,所有的实体店主要是存放一些相对小范围的非定制商品,并且还依赖于定时向供应商拿货。但是,十年后至少会有一些零售商已经安装了高端的3D打印机,他们可以根据无限的数字模型清单按需打印定制的商品,而且永远不会缺货。很明显,这让大多数人从环境和经济方面在零售店“共享”大型3D打印机,而不是每个人都拥有最新的个人制造硬件。

为了满足那些想要设计自己的产品又买不起3D打印机的人们的需求,3D打印公司可能会成为赚钱的大企业。如前所述,这样的公司提供的工业快速成型服务已经有很多年的历史了。但除了他们,我们看到在线服务和实体店也可以为人们进行3D打印。

例如,你在洛杉矶,你可以给位于威斯特摩兰大道北201号的Buildshop打电话,要求设计并3D打印你自己的东西。或者不管你住在哪里,都可以浏览i.materialise.com网站,上传自己的设计,然后你可以在超过20种的材料中选择一种进行3D打印。在i.materialise.com网站的画廊上,你可以在线出售自己的设计。这样的服务消除了进入这一行业的障碍,因为任何人都可以设计和销售有形的东西,而不必局限于货物存放或制造工具,因为所有出售的东西都是满足3D打印要求的。目前,自由艺术家和珠宝制造商是在线3D打印服务的最大用户。但是3D打印技术并不仅仅在按需打印的市场空间上占有最多的用户。

1.2.9 改善人类健康
如今,虽然大多数3D打印的东西都是由塑料或金属制成,但是现在已经有一些专门的3D打印机可以通过一层一层地剥离活细胞层而形成活体组织。这种“生物打印机”可以培养患者自身的细胞,用3D打印技术形成可替代的皮肤或器官,这在改变某些医学领域方面有着巨大潜力。如果这种情况真的发生——生物打印先行者们认为这将在20年内实现,那么3D打印的发展将使人们不再需要器官捐赠等待名单,同时皮肤移植也会成为历史。五年之内,3D打印的人体组织可能会开始应用于药物测试,以便减少动物实验的需求。

3D打印除了可以替代身体外部的人体组织,体内生物打印也已经在开发之中。这涉及将3D打印的细胞层直接培养到伤口上,甚至直接在体内使用微创手术。如果这种技术足够先进,将来或许可以将仪器深入到患者体内,清除受损细胞,再换上新的细胞。这种仪器甚至可以用它们自身的探头修复伤口。虽然这种假设听起来有些不切实际,但一些医学研究者和3D打印先行者对这些事情的态度却很严肃。第7章将深入探讨生物 打印。
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1.2.10 拯救地球**
3D打印最终和最重要的潜在益处是对环境的改变。现在,大量的燃油和其他资源在世界范围内被用来运送产品,许多东西都经过数百或数千英里才来到我们的手中。考虑到自然资源供应的压力越来越大,更不用说应对气候变化所尝试的措施,未来10年或20年内,这样大量的运输既会变得不可行,在文化角度上也会变得无法接受。因此,本地制造的需求就会成为3D打印的长期趋势。

除了促进数字模型运输,3D打印还可能会比许多传统的工业生产方式更加环保,因为它是基于“增材制造”的方式。换句话说,当众多传统生产技术必须将一大块材料切、车、锉、钻或用其他方式分割的时候,3D打印不需要这样做,只添加所需要制作的材料就可以了。因此,数字化制造使用3D打印机可以节省大量原材料。

当最终产品的零部件是由3D打印的时候,制造商还可以优化他们的设计,以便使各部分都消耗最少的材料。例如,3D打印的塑料或金属部分,可以设计成内部有间隙或有开放网格的样式,这些都是传统生产技术无法完成的。这种设计方法还可以制造点火器零件——航空航天业非常热衷于推进这样的制造方法。

作为环境改善的最终收益,3D打印或许还能起到生产备用零件的重要作用。现在,当大多数物品被损坏的时候,通常因为没有备用零件而无法修复。但是随着周围有越来越多的3D打印机,许多破损的东西无论哪里坏了都可以修补好。

如今,许多人用坏了东西,都是直接扔掉,而不是把它们修复。然而,由于自然资源的减少,这种态度和做法在未来几十年内将不得不改变。至少在某种程度上,在这个容易退货的社会,3D打印可以帮助我们越来越多地选择维修而不是更换。第6章将探讨3D打印和可持续性之间的实际的和潜在的联系。

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云攻略小攻
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2019-10-11
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