3D打印机:制造革命与武器革命

2013-04-01 23:08:12来源: 日经商务周刊
    只要使用个人电脑制作的三维数据,就能轻松制作出立体造型。这种方式有助于缩短开发期、压缩成本,如今正活跃于制造业的方方面面。不仅是汽车、电子等行业的大企业,随着3D打印机价格的走低,3D打印机还在向个人及风险公司渗透。

       只要下载设计图,按下3D(三维)打印机的按钮,就能轻而易举制造出枪支──美国德克萨斯州的非营利团体“分布式防御(Defense Distributed)”已经推出了这样一个惊人的项目。

       该团体效仿网络免费百科全书“维基百科(Wikipedia)”,开设了名为“维基武器项目(Wiki Weapon Project)”的网站。网站开放给非特定公众,并上传有各式各样的枪支设计图,访问者只需下载设计图,即可使用3D打印机制造枪支。现在,网站上已经公开了手枪、步枪等部件的设计数据。

       根据这些设计数据,该网站的运营者亲自使用3D打印机制作部件,并组装出了步枪。所发布的视频证实该枪可发射600发以上的子弹。在悲惨的枪击案频发、要求枪支管制的社会舆论愈发强大的情况下,这个项目在美国引起了争议。

       与此同时,轻而易举就能制造出枪支不可或缺的精密部件的3D打印机也成为了关注的焦点。这究竟是一项怎样的技术?

       一听到打印机,一般人脑海中浮现的会是家庭和办公室使用的产品。其作用是把个人电脑编辑的文件和数码相机拍摄的照片等数据打印在纸张等二维介质上,而3D打印机能够以相同的原理简单地制作出三维立体造型。

薄层叠加

        通过使用3D打印机,企业商品无需委托专业企业,即可在办公室和家中轻松制造开发过程中必不可少的试制品。作为制造业的革新技术,3D打印机如今备受关注,在美国,从大企业到风险公司、个人,其用途正在快速扩大。介绍3D打印机的《MAKERS─21世纪工业革命开始》(NHK出版)在日本也成为了畅销书籍。

       3D打印机制作立体造型的步骤如下。首先,准备待制物体的三维数据。一般来说,三维数据的制作使用的是个人电脑中安装的CAD(计算机设计)等软件。接着,把设计数据转换成切片状态,发送至3D打印机。



       3D打印机的原理多种多样,全球份额居首的美国Stratasys的主力机型使用的是“热熔层压法”,其流程如下。

       在接收到来自个人电脑的数据后,首先,树脂从3D打印机底部的材料盒输送到打印机顶部的打印头。接着,打印头内的加热器加热树脂使其熔化。打印头按照切片的设计数据,沿左右方向(X轴)和前后方向(Y轴)运动,喷射熔化的材料。

       形成一个薄层后,载物台向下(Z轴)移动与其厚度相当的距离。通过重复这一过程,薄层反复叠加,最终制作出立体造型。用于支撑立体造型的支撑材料也由打印头同时喷射。支撑材料可以轻易拆下,去掉后边完成成品。

强度堪比真实部件

        打印使用的材料是耐热温度70~100度的ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)树脂。这是一种大量应用于手机、个人电脑、汽车部件等普通塑料制品的材料,强度也未做调整。

       “这样制作的部件可以像真正的部件一样安装并测试性能”(Stratasys Japan社长Eric Goguy)。而且还可以为高端机型改换高耐热性、高强度的其他材料。部件与普通的塑料部件一样,可以使用粘合剂粘结,也可以使用市售的涂料轻松涂装。

       另一种方式叫做喷墨方式(石膏粉末层压方式)。首先,利用材料供给装置,把石膏粉末撒在平台上,用滚筒将其推开。

       接着,喷墨打印头根据三维数据的切片数据,像绘图一样,喷射粘合剂使其固定。在形成一个薄层后,平台下降,下降的幅度与薄层的厚度相同。通过重复同样的过程,即可制造出立体造型。

       因为使用的是在二维普通打印机中司空见惯的喷墨打印头,所以,“与其他方式相比,成型速度大约快5~10倍”(美国大型3D打印机生产商3D Systems)。而且,打印头还可以同时喷射彩色油墨,制作全彩涂装的立体造型。

       还有一种方式叫做“光固化快速成型方式”。除了美国企业之外,日本的风险公司——CMET(横滨市)采用的也是这种方式。其原理是向接触紫外线后变硬的树脂照射紫外激光,使其逐层硬化并重叠。与其他方式一样,该方式也使用三维切片设计数据。

       那么现如今,3D打印机在哪些领域的利用得到了扩大?

使用3D打印机可以轻松制作出人工难以完成的形状独特的立体造型


       以日用品、娱乐领域为例。狮王在注入浓缩洗涤剂使用的“喷嘴”的开发中采用了3D打印机。喷嘴的设计注重易注入、易替换,3D打印机制作的试制品在易用性的检验中得到了充分利用。

       日本烟草产业(JT)2012年秋季上市了无烟香烟“Zero Style”。这是一种形似拉长口红的圆筒状塑料制品。其开发过程同样有3D打印机活跃的身影。试制品可以直观体现出二维和三维图像无法表现的实际形状和感触,通过使用试制品进行反复讨论,这种香烟已经上市商品化。

活跃于F1赛车领域

        3D打印机普及程度最高的当属汽车、飞机、机械等研发领域。已经应用到了发动机和内饰相关等各类部件的开发。“通常需要2~3周的试制品开发可以缩短到1~3天是其优势所在”(CMET社长村上恒雄)。

手拿使用光固化快速成型装置制作的汽车头灯试制品的CMET社长村上恒雄


       虽然大多是在量产之前作为试制品使用,但3D Systems表示,在一级方程式赛车(F1)领域,3D打印机制作的部件已经达到了直接配备赛车的水平。在比赛中,部件损坏时有发生,因为要求生产速度,所以成型及时的3D打印机可谓最佳之选。

       在设计大多使用三维数据的建筑领域,3D打印机也应用到了住宅、大厦模型的制作等方面。在艺术领域,使用3D打印机制作人工难以完成的复杂立体造型的例子也越来越多。

       在医疗领域,3D打印机同样备受关注。大学医院等大医院的脑外科对采用3D打印机态度积极。为进行模拟手术,医生会在手术前拍摄患者头部的三维影像。依据影像数据,使用3D打印机制作半透明的立体模型。模型能够重现细小的软骨和微细的血管,“有助于提升高难度颅脑手术的成功率”(3D Systems Japan的3D打印机事业本部长宇野博)。在牙科医生之间,义齿(种植牙)治疗等方面对于3D打印机的利用也在增加。

       3D打印机以大企业和医院为中心实现了发展。但数百万日元到1亿日元的高昂价格一直是阻碍普及的瓶颈,而现如今,个人和风险企业唾手可及的低价位商品越来越多。

       3D Systems在美国销售的简易型3D打印机“CUBE”售价1399美元。除此之外,还有企业推出了价格仅相当于10万日元左右的商品,加速了低价格化的进程。

3D Systems的3D打印机“CUBE”仅售13万日元左右,也深受个人用户的欢迎


       使用个人电脑的三维设计软件也更加平易近人,个人、人数少的风险公司能够轻松投入制造的环境已经开始逐步建立起来。3D Systems的网站上还为个人使用3D打印机制作的商品开设了销售专区。

       在美国,高性能3D打印机、设计软件、机床等设备一应俱全的制造工作室如雨后春笋般涌现,深受风险公司和个人青睐。

日本的风险公司也将其应用于开发
       在日本,风险公司在商品开发中使用3D打印机的动态也在扩大。

       “多亏了3D打印机,商品开发的时间和成本都大大得以压缩”。说出这番话的,是为美国苹果的“iPhone”等智能手机开发外设的风险公司Trinity(崎玉县新座市)的开发负责人山本洋平。

       Trinity在2012年底推出的iPhone5保护壳的开发中使用了3D打印机。具备皮革和藤条等天然材料质感的保护壳使用价格低廉的聚碳酸酯制造,推出后很快成为了畅销商品。

       在开发之时,该公司使用3D打印机制作出与成品形状几乎相同的试制品。在早期阶段便发觉到了保护壳形状上存在的问题,以及iPhone拍照功能的闪光灯发生漫反射的缺陷。商品上市只用了近1个月的时间,模具相关的费用节约了近100万日元。

       对于商品周期短的数码外设,上市一旦错过时机,库存往往堆积成山。对于这一点,使用3D打印机缩短开发期也颇有成效。

       为Trinity的商品开发提供支持的K's Design Lab(东京都涩谷区)从2012年秋季开始经营支援3D制造的工作室。工作室面向的不只是企业,还有个人。在工作室里,三维扫描仪、打印机等一应俱全,为新业务的建立提供了后盾。

       待到3D打印机的价格与普通二维打印机看齐之时,我们将会步入一个人人都能开发、生产需要精密加工的产品的时代。对于加工技术精湛、长期引领世界制造业的日本企业,如何抓住3D打印机“制造革命”的机会,使其发扬光大,恐怕也将左右其未来的竞争力。

关键字:3D打印机

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2013/0401/article_20630.html
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