【干货】史上最全的3D打印技术分析

月城清浅
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规模经济是支持现代工业经济的无形力量,工厂和生产线是现代工业社会大规模生产的特点。然而这样的生产成本并不低,企业必须雇用技术精湛的技术人员和工程师,准确地将概念设计转化为实际的物品,校准工厂的机器和监督装配生产线。为了收回前期在设计和生产中的投资,企业必须出售大量的产品,这样才能从最初的投资中获益。因此,大规模生产牺牲了产品的多样性。

而3D打印的特点是小批量、定制化,降低了新产品推向市场的风险和成本。人们无需装配线也不需要工厂,也不需要雇用熟练的设计师、工程师。克里斯·安德森在他的代表作《长尾理论》中将未来的制造模式描述为“由小型企业组成的超大规模网络的分布系统”。通过具体分析,我们认为3D打印技术至少包含以下十个方面的优势。

(1)设计空间无限

传统制造技术和工匠制造的产品形状有限,制造形状的能力受制于所使用的工具。例如,传统的木制车床只能制造圆形物品,轧机只能加工用铣刀组装的部件,制模机仅能制造模铸形状。而3D打印机可以突破这些局限,开辟巨大的设计空间,制造出传统工艺难以加工甚至无法加工的产品。

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(2)改善产品设计

原型是产品的初稿,它有助于设计师、工程师和制造商进行多重反复的检查,真切地体验产品的外观、手感。传统的原型是利用泡沫或黏土进行手工制作,通过3D打印快速创建概念模型,设计者和客户之间能够更好的交流。在传统的工业制造,如果一个设计概念在制成产品之后存在缺陷,企业需要承担大量材料的浪费成本。而利用3D打印技术制作概念模型,能够快速调整最初的设计并不断改进。

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3D打印的汽车组件产品原型

除了概念设计之外,3D打印还被用于创建功能性原型,因为3D打印技术制成的物品本身具有耐高温、耐化学腐蚀等性能,通过对原型进行各种性能测试,以改进最终的产品设计参数,大大缩短了产品从设计到生产的时间。3D打印加快了设计进程,在产品的安全性和合理性设计、人体工程学设计、市场营销和设计等方面不断改善,从而实现在将产品全面投入生产前对其进行优化,创造出更好的产品。

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利用功能性测试的3D打印胶带座

(3)多样化生产不会增加成本

就传统制造而言,物体形状越复杂,制造成本越高。但对于3D打印机而言,制造形状复杂的物品其成本并不会相应增长。另外,传统的制造设备功能较少,做出的物品形状种类有限。一台3D打印机可以打印不同的形状,它可以像工匠一样每次都做出不同形状的物品。这种制造多样化而不增加成本的打印将从根本上打破传统的定价模式,并改变我们整个制造业成本构成的方式。

【干货】史上最全的3D打印技术分析

(4)产品无需组装

3D打印具备一体成形的特点,这样对减少劳动力和运输方面的花费有显著的帮助。传统的大规模生产是建立在产业链和流水线基础上的,在现代化工厂中,机器生产出相同的零部件,然后由工人进行组装。产品组成部件越多,供应链和产品线都将拉得越长,组装和运输所需要耗费的时间和成本就越多。而3D打印一体化成形的特点,无需再次组装,从而缩短供应链,节省在劳动力和运输方面的花费。

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美国通用(GE)制造的一体成型的发动机喷嘴,原本由20个部件组成

(5)缩短交付时间

3D打印因为可以根据人们的需求进行打印,这种即时生产将大大减少企业的库存量,使得企业能够根据用户的需求来启动3D打印机,制造出定制的产品来满足客户需求,所以新的商业模式将成为可能。如果人们所需的物品可以按需就近生产,那么这种零库存、零时间交付的生产方式还可以减少长途运输的成本。

(6)制造技能门槛降低

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传统的制造机器需要熟练的专业人员进行机器调整和校准,培养一个娴熟的工人往往需要几年的时间。而3D打印机所需要的操作技能将比传统设备少很多,因此3D打印的出现将显著降低生产技能的门槛。这种摆脱原来高门槛的非技能制造业,将进一步引导出众多新的商业模式,并能在远程环境或极端情况下为人们提供打印服务。

(7)不占空间,便携制造

3D打印机可以自由移动,并制造出比自身体积还要庞大的物品。例如,注塑机只能制造比自身小很多的物品,而部分3D打印机能够制造出比自己大很多的物品。另外,民用消费级3D打印设备还可以自由移动,由于其较高的便携性,出现了一批家用或桌面型的3D打印机,这些都是有赖于3D打印机所需更小物理空间这一优势。

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桌面级3D打印设备

(8)节省原材料

传统的金属加工有着十分惊人的浪费量,一些精细化生产甚至会造成90%原材料的丢弃浪费。而3D打印机的浪费量将显著减少,随着打印材料的进步,3D打印“净成形”制造将成为更加节约环保的加工方式。

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利用激光近净成型技术(LENS)制造飞机发动机叶片

(9)材料无限组合

传统的制造机器在切割或模具成型过程中难以将多种原材料融合在一起,3D打印的原材料之间可以任意组合,制造出人们想要的性能结构。比如在尼龙-玻璃纤维或者尼龙-碳纤维复合材料能够提高尼龙的机械性能,在镍合金粉末里加入50%的钛金属可以显著提高性能,现在已有科研人员在进行碳纳米管、石墨烯等复合新材料的研发。

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世界首辆尼龙-玻纤复合材料的3D打印汽车

(10)精确的实体复制

传统的磁带只能通过实体物理传递来确保信息不被丢失。而数字音乐文件的出现使得信息脱离了载体,可以被无限次复制而不降低音频质量。3D打印技术也有望在整个制造领域把数字精度延伸到实体世界之中。3D扫描和3D打印技术将共同提高实体世界和数字世界之间形态转换的分辨率,缩小实体世界和数字世纪之间的距离。

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3D扫描之后打印的人像

以上部分优势有的已经得到证实,有的可能会在未来二三十年成为现实。3D打印将一次次突破人们熟悉的、历史悠久的传统制造技术瓶颈,推陈出新,为人类以后的制造创新提供一个更加广阔的舞台。

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