三維打印機(jī)開始打印，通過切面的方式層層累加
工程師在電腦中設(shè)計(jì)出需要打印物體的三維模型
首架打印飛機(jī)“SULSA”
三維（3D）打印技術(shù)是時(shí)下美國(guó)媒體討論的熱點(diǎn)話題。當(dāng)前，人們已經(jīng)能夠通過三維打印技術(shù)來制造一些小物件，如茶杯以及鞋子等等。但隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，一些大型制造商也在研究用這種技術(shù)制造更大的物體，波音和空客公司的工程師甚至稱未來可以“打印”出飛機(jī)的機(jī)翼和大飛機(jī)本身。真的有這么神奇？
波音已經(jīng)能打印300種零部件
最近，波音公司在美國(guó)圣路易的一家自助餐廳的洗碗機(jī)出現(xiàn)問題之后，公司的修理工并沒有等著替代零件運(yùn)到那里才進(jìn)行修理，而是直接要求波音公司的設(shè)計(jì)工程師邁克·海耶斯在電腦里復(fù)制這一部件，然后打印出來。這一過程只用了30分鐘。海耶斯說，總有一天，波音公司或許能夠通過這種方法制造出整個(gè)機(jī)翼甚至是一架飛機(jī)，而不用切割或鍛壓任何金屬。
這種方法就是三維打印技術(shù)，也被稱為是添加式制造。其技術(shù)原理是這樣的，先在電腦中將需要打印的物體的三維模型設(shè)計(jì)出來，然后通過專門的打印機(jī)進(jìn)行打印，每打印一次就形成一塊很薄的切面，經(jīng)過不停地打印累加之后，自然形成需要制造的物品。整個(gè)打印過程由電腦控制，而使用的打印材料不是普通打印機(jī)所用的墨粉，而是金屬粉或者其它材料。在打印的過程中，這些金屬粉會(huì)逐漸融合在一起。通過三維打印來制造物體，制造過程基本上是一氣呵成，不會(huì)產(chǎn)生廢料。波音公司已經(jīng)利用三維打印技術(shù)制造了大約300種不同的飛機(jī)零部件，包括將冷空氣導(dǎo)入電子設(shè)備的導(dǎo)管。這些導(dǎo)管形狀比較復(fù)雜，以前需要用不同的零件來進(jìn)行組裝，這樣會(huì)提高勞動(dòng)成本。如今通過三維打印技術(shù)，制造過程簡(jiǎn)單不少。
空客要用3D打印機(jī)制造飛機(jī)
波音公司的最大競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手空客公司也在三維打印技術(shù)上下功夫。巴斯蒂安·沙菲爾是空客公司的機(jī)艙設(shè)計(jì)師，過去兩年，他一直致力于一個(gè)新的概念——用3D打印機(jī)制造機(jī)艙。這聽上去有點(diǎn)像天方夜譚，不過沙菲爾為自己的目標(biāo)制定了一張“路線圖”，從打印飛機(jī)的小部件開始，一步一步發(fā)展，最終在2050年左右用3D打印機(jī)打印出整架飛機(jī)。
沙菲爾已經(jīng)在空客公司工作了6年，從2010年開始，他一直致力于“透明飛機(jī)概念”計(jì)劃。為了支持他，公司賦予他從任何部門調(diào)動(dòng)同事作為助手的權(quán)力。他說：“我很幸運(yùn)，有機(jī)會(huì)做些與眾不同的事。 ”他和其他設(shè)計(jì)師一起集思廣益，最終弄出了一個(gè)3D打印的概念機(jī)。目前，他的團(tuán)隊(duì)大概有10人。
3D打印技術(shù)有不少競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)
人們之所以熱衷于發(fā)展3D技術(shù)，很重要的原因在于這種技術(shù)有不少優(yōu)勢(shì)?？湛偷哪腹練W洲宇航防務(wù)集團(tuán)之所以想打印飛機(jī)，關(guān)鍵的原因就兩個(gè)字——便宜。不僅便宜，用3D打印機(jī)“打印”出來的飛機(jī)還比用傳統(tǒng)方法制造出來的飛機(jī)輕65%。此外，沙菲爾的“概念飛機(jī)”本身就有許多令人眼花繚亂的復(fù)雜系統(tǒng)，比如仿生的彎曲機(jī)身、能讓乘客看到周圍藍(lán)天白云的透明外殼等，這也需要一種激進(jìn)的生產(chǎn)方式來完成他的設(shè)想。
不過，就現(xiàn)在而言，由于還沒有規(guī)?；褂?，通過三維打印技術(shù)制造一些商品成本并不低。但隨著技術(shù)的成熟和規(guī)模化使用，成本降低是肯定的。因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)不需要很多工人，能節(jié)省人力成本。同時(shí)，它會(huì)創(chuàng)造出一些高技能的工作崗位，比如操作打印機(jī)以及開發(fā)相關(guān)的計(jì)算機(jī)軟件。打印機(jī)制造商3D系統(tǒng)公司的首席執(zhí)行官萊琛塔爾說：“這項(xiàng)技術(shù)將會(huì)改變很多商品的制造地點(diǎn)，三維打印機(jī)的費(fèi)用從500美元到120萬美元不等，它可以安裝在任何地方，這樣的話生產(chǎn)任何東西都可以在它需要的任何時(shí)間和地點(diǎn)進(jìn)行，省去了運(yùn)輸和倉(cāng)儲(chǔ)成本。 ”
三維打印技術(shù)還可以讓很多企業(yè)家不用建造工廠就可以生產(chǎn)產(chǎn)品，也不必將制造業(yè)務(wù)外包給別的公司。三維打印機(jī)制造商ExOne公司總裁戴維·伯恩斯說：“這項(xiàng)技術(shù)將開啟新的設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)，傳統(tǒng)的制造業(yè)需要將大塊的金屬進(jìn)行切割鍛造，設(shè)計(jì)部門要做的工作就是減少生產(chǎn)過程所需步驟的數(shù)量和難度以降低成本。有了3D打印技術(shù)，所有過程都由計(jì)算機(jī)控制，復(fù)雜設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)對(duì)于打印而言并沒有區(qū)別。 ”
美政府大力支持3D打印技術(shù)
三維打印技術(shù)其實(shí)并不是一項(xiàng)全新的技術(shù)，它從發(fā)明到現(xiàn)在已有25年。不過，三維打印技術(shù)以前主要是用來制造一些比較小型的東西。時(shí)至今日，一些大型制造商已經(jīng)開始準(zhǔn)備將其用來制造更大的物件。 “我們已經(jīng)到了這樣的臨界點(diǎn)，我們想向前邁出更大的步伐。”海耶斯說。一些三維打印設(shè)備的制造商也認(rèn)為隨著這種技術(shù)的成熟，將來一些汽車零部件的庫(kù)存只需要保留電子文檔，而無需制造出來存在倉(cāng)庫(kù)。一旦有需要，直接打印即可。
正因?yàn)橛猩鲜龅闹T多特點(diǎn)，奧巴馬政府認(rèn)為三維打印技術(shù)的發(fā)展是美國(guó)制造業(yè)提高競(jìng)爭(zhēng)力的一條捷徑，有了這種技術(shù)美國(guó)在與一些低成本國(guó)家進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)時(shí)會(huì)有更多優(yōu)勢(shì)。美國(guó)政府已經(jīng)投資3000萬美元用于三維打印技術(shù)的研發(fā)，并建立一個(gè)三維打印技術(shù)研究院，八月中旬將宣布研究院的具體選址。美國(guó)國(guó)防部對(duì)這種技術(shù)也非常感興趣，因?yàn)樗梢宰屲姺皆趹?zhàn)場(chǎng)上生產(chǎn)出所需要的零部件，而不需要從遙遠(yuǎn)的工廠運(yùn)過來。
當(dāng)前仍然面臨著諸多挑戰(zhàn)
當(dāng)然，要實(shí)現(xiàn)三維打印技術(shù)的大規(guī)模使用，還有不少挑戰(zhàn)。首先是打印材料，它根據(jù)打印商品的不同需要各種特殊種類的金屬、塑料以及陶瓷等，成本比較高。另外，對(duì)于一些結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的產(chǎn)品，通過三維打印技術(shù)制造會(huì)比較慢一些。而就打印飛機(jī)而言，找到合適的材料也是一大挑戰(zhàn)?？湛透拍铒w機(jī)的仿真結(jié)構(gòu)現(xiàn)在還沒有找到合適的材料，因?yàn)闄C(jī)身必須透明、且有很強(qiáng)的硬度，符合這些特質(zhì)需要合成材料。
另外，3D打印機(jī)本身也是一大問題。據(jù)說，世界上目前只有一臺(tái)3D打印機(jī)能夠同時(shí)打印出多種材料的產(chǎn)品，這臺(tái)打印機(jī)的擁有者是一家以色列公司Objet。Objet和紐約一家建筑師事務(wù)所有合作關(guān)系，建筑師事務(wù)所的所有人戴維·本杰明恰巧是沙菲爾打造空客概念飛機(jī)的合伙人。沙菲爾說：“像Objet公司擁有的那種多材料打印機(jī)可以讓設(shè)計(jì)師用不同的材料做試驗(yàn)。 ”本杰明說：“同一件東西，你可以打印出不同彈性、不同顏色的版本，或者打印出一件連續(xù)的東西，但是不同部位所用的材料卻是不一樣的。 ”
鑒于此，在投入生產(chǎn)之前，歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)要求有關(guān)三維打印飛機(jī)的設(shè)計(jì)需要通過嚴(yán)格的飛機(jī)制造規(guī)定。所以，空客飛機(jī)的3D打印之路只能一小步一小步地向前推進(jìn)。據(jù)悉，今年年底，空客會(huì)在A380客艙里使用3D打印的行李架，這將是空客商務(wù)機(jī)首次使用3D打印的部件。而空客公司生產(chǎn)的軍用飛機(jī)“臺(tái)風(fēng)”式戰(zhàn)斗機(jī)，之前也使用了3D打印的空調(diào)系統(tǒng)。
從目前來看，三維打印技術(shù)制造的商品在整個(gè)全球制造業(yè)中所占的比重還是微不足道的。行業(yè)咨詢師特里·沃爾勒斯說，今年全球三維打印市場(chǎng)的規(guī)模將達(dá)到21.4億美元，去年的規(guī)模是17.1億美元，僅占全球制造業(yè)總產(chǎn)出的0.02%。專家認(rèn)為，要想提高三維打印技術(shù)在全球制造業(yè)中的市場(chǎng)份額，就必須讓這種技術(shù)變得更快，價(jià)格更低廉。三維打印技術(shù)源自美國(guó)，不過現(xiàn)在歐洲一些公司居于領(lǐng)先地位。不少亞洲公司在這方面也投入巨資，但還遠(yuǎn)沒有成為技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者。隨著資金的投入，三維打印走向成熟是遲早的事，而通過三維打印技術(shù)制造飛機(jī)恐怕也不會(huì)是夢(mèng)想。
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首款3D打印小飛機(jī) 去年在英國(guó)成功試飛
據(jù)英國(guó)媒體報(bào)道，由英國(guó)南安普敦大學(xué)工程師制造的世界上第一架“3D打印”飛機(jī)“SULSA”去年試飛成功。
“SULSA”是一架小型無人駕駛飛機(jī)，翼展2米，最高時(shí)速可達(dá)100英里，還配備有微型自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，可用于巡航。 “SULSA”使用3D打印機(jī)制造，包括機(jī)翼、整體控制面和艙門均單獨(dú)打印而成，可以在幾分鐘內(nèi)不使用任何工具就組裝完畢。
這款3D打印機(jī)是意大利發(fā)明家迪尼設(shè)計(jì)的打印機(jī)，功能上與激光成型技術(shù)一樣，采用分層加工、迭加成形來生成3D實(shí)體。通過這種打印機(jī)比常規(guī)建筑方法快4倍，所使用的原料只有原來的三分之一到二分之一，而且?guī)缀醪粫?huì)產(chǎn)生廢棄物。
南安普敦大學(xué)自上世紀(jì)90年代初以來一直處于無人飛機(jī)發(fā)展的前沿，該大學(xué)“計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)研究”工程師團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)技術(shù)突破，可能徹底改變飛機(jī)制造工藝。他們所使用的這項(xiàng)生產(chǎn)技術(shù)可以讓飛機(jī)從設(shè)計(jì)到首航在短短幾天內(nèi)得以實(shí)現(xiàn)。而如果使用常規(guī)材料和制造技術(shù)，這一過程往往需要幾個(gè)月時(shí)間。另一個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)在于，任何部件需要完善都只需在電腦中更改，然后重新打印即可，非常方便。
團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)人之一斯坎倫·吉姆教授說：“設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)研究了傳統(tǒng)的飛機(jī)制造技術(shù)，然后萌發(fā)了不使用昂貴材料來制造的想法。”他補(bǔ)充說，這種飛機(jī)的結(jié)構(gòu)雖然非常復(fù)雜而堅(jiān)硬，但是重量很輕。而如果用傳統(tǒng)制造工藝，許多部件需要量身定制，會(huì)有比較大的花費(fèi)。
