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自20世紀(jì)80年代以來，能夠用塑料制作出三維物體的設(shè)備一直層出不窮。從那時(shí)起，一項(xiàng)被稱為“快速成型制造”的技術(shù)發(fā)展起來?，F(xiàn)在，這項(xiàng)技術(shù)即將投入工業(yè)應(yīng)用，它將開啟通往用金屬粉末在當(dāng)?shù)厣a(chǎn)定制部件的大門。

Ursus Krüger博士利用激光熔化技術(shù)，用金屬粉末制作出一個(gè)復(fù)雜精細(xì)的物體。哪怕是非常復(fù)雜的部件，也可以通過該技術(shù)快速制造。

乍看之下，這臺機(jī)器就像是一臺帶觀測窗的特大號冰箱。但其內(nèi)部與冰箱扯不上任何關(guān)系。觀測窗的另一側(cè)是一臺模床。其內(nèi)部是薄薄的一層均勻分布的灰色粉末，閃閃發(fā)光的微塵從中射出，仿佛寶石散發(fā)光芒一樣。一束六邊形的光在粉末表面移動。不一會，粉末中出現(xiàn)了一個(gè)正規(guī)結(jié)構(gòu)，就像一只看不見的筆在灰色的粉末中寫下了什么。

西門子中央研究院（CT）柏林分部的Olaf Rehme博士表示，“我們的‘筆’是一個(gè)激光束；位于加工室上方的偏轉(zhuǎn)器引導(dǎo)該激光束直接向下射向鋪有粉末的模床。激光擊中不銹鋼粉末，粉末溫度升高至熔點(diǎn)，即1,500攝氏度以上。這時(shí)，這些顆粒將熔化在一起。”

激光的偏轉(zhuǎn)——換句話說，其書寫移動——受計(jì)算機(jī)控制，復(fù)雜的不銹鋼工件的電子版藍(lán)圖便保存在該計(jì)算機(jī)中。當(dāng)激光束*描繪出正規(guī)圖樣后，粉末平臺將略微下降，下降幅度之小，幾乎讓人無法察覺。一個(gè)滑動裝置將重新撒鋪上一層厚約50微米的粉末，然后，灼熱的激光筆將開始再次書寫。Rehme說：“通過這種方式，我們用不銹鋼粉末一層一層地制作出三維結(jié)構(gòu)。”

在柏林的Siemensstadt區(qū)，坐落著許多實(shí)驗(yàn)室，這臺機(jī)器就安置在其中一間實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。在這里，西門子正在開展長期研究，以幫助客戶和合作伙伴確定，它們的哪些產(chǎn)品和產(chǎn)品組件可以利用激光熔化技術(shù)來制造。該研究工作組的負(fù)責(zé)人Ursus Krüger博士指出，“‘三維印刷’這個(gè)術(shù)語常常被用作所有此類工藝的同義詞。而專業(yè)人士在將之作為一類工藝提到這些技術(shù)時(shí)，則一般使用‘快速成型制造’這個(gè)術(shù)語。這些技術(shù)與‘三維印刷機(jī)’再也沒有什么共同之處。”

早在20世紀(jì)80年代，*批三維印刷機(jī)便已問世。它們大多使用很快就會變硬的塑料。通過逐層噴涂塑料，最終形成一個(gè)三維物體。對于快速制作原型，這種類型的機(jī)器特別有用。快速制作原型技術(shù)旨在立即制作出廉價(jià)的原型用于設(shè)計(jì)研究。Krüger說：“如今，這類塑料印刷機(jī)已經(jīng)推出了起價(jià)在1,000歐元左右，可供家庭使用的經(jīng)濟(jì)型機(jī)型。此類機(jī)型頗受模型制作者和業(yè)余工匠的青睞。”

縱使在其問世30年后的今天，三維印刷機(jī)依然不時(shí)登上報(bào)刊頭條。媒體對這種印刷機(jī)的使用時(shí)有報(bào)道，通常是為了示范目的或者作為宣傳活動的一個(gè)環(huán)節(jié)。譬如，2011年，歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)（EADS）的英國工程師利用尼龍粉末“印刷”了一輛完整的自行車。將用印刷機(jī)印刷出來的少數(shù)幾個(gè)單獨(dú)部件組裝起來，然后配上鏈條和輪胎——一輛“印刷自行車”就做成了，既穩(wěn)固又輕巧，不過騎起來有些晃蕩。

適用于陶瓷。除令人嘆為觀止的*之外，顯然三維印刷技術(shù)早已青出于藍(lán)，不再只是用于制作原型。如今，基于激光的技術(shù)如激光熔化不僅可以加工塑料，而且可以加工陶瓷和多種金屬，包括不銹鋼、鋁和鈦等，不勝枚舉。Krüger說：“這意味著這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到可以投入工業(yè)應(yīng)用的階段。”但人們再也不能稱之為印刷，因?yàn)閹缀跛羞@些技術(shù)都是通過在特定點(diǎn)硬化或熔化液體或粉狀鑄模來制作物體。

一些公司已經(jīng)在專門生產(chǎn)髖關(guān)節(jié)、助聽器、汽車備件或假牙。譬如，德國不萊梅的BEGO醫(yī)療公司就在利用快速成型制造技術(shù)來生產(chǎn)適用于牙冠和牙橋的金屬框架。一級方程式賽車以及飛機(jī)的一些組件也已采用這種技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。諸如EOS和概念激光器（Concept Laser）等德國公司是快速成型制造機(jī)器的全球*供應(yīng)商。

Krüger指出，“但這些公司面臨著激烈的競爭。譬如，2012年夏季，美國總統(tǒng)奧巴馬宣布，美國將成立一家主要從事快速成型制造領(lǐng)域的創(chuàng)新技術(shù)研發(fā)的研究機(jī)構(gòu)。”

已列入計(jì)劃的“國家制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)（NNMI）”的參與者將包括政府機(jī)構(gòu)如美國航空航天局、國家科學(xué)基金會和國防部，以及高等學(xué)府和企業(yè)如波音公司和IBM。其主要目標(biāo)是迎頭趕上競爭對手——既有如今來自歐洲的競爭對手，也有未來來自中國、日本和韓國的競爭對手。

這樣的投資值不值得？具有革命意義的未來是否真的即將到來？是不是有朝一日任何小公司都能自行制造出任何想象出的部件？Krüger說：“現(xiàn)在下結(jié)論還為時(shí)過早。但這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢顯而易見。借助快速成型制造技術(shù)，我們可以制作出內(nèi)部具備凹面和錯(cuò)綜復(fù)雜的撐桿的高度復(fù)雜的工件，要不然，這些類型的部件就只能手工制作或者由多個(gè)單獨(dú)的部件組合而成；但現(xiàn)在，通過一道計(jì)算機(jī)控制的工序就能制造出這樣的工件。”

另一方面，諸如激光熔化等技術(shù)的缺點(diǎn)也很明顯。Krüger指出，“用一層很細(xì)的顆粒制成的工件具備*的結(jié)構(gòu)和表面。然而，特別是在機(jī)械工程領(lǐng)域，部分部件必須耐受極大的物理應(yīng)力，因此，以傳統(tǒng)工藝制造的鍛件在堅(jiān)固性方面仍然更具優(yōu)勢。”此外，采用激光熔化技術(shù)生產(chǎn)部件是一個(gè)非常漫長的過程，制造一個(gè)大型工件有時(shí)需要上百個(gè)小時(shí)。Krüger補(bǔ)充道，“但借助激光熔化技術(shù)可以大大縮短工件的總加工時(shí)間，因?yàn)榕c采用傳統(tǒng)工藝制造、往往不得不多次返工的部件相反的是，這些工件是在激光熔化機(jī)的加工室內(nèi)制成的。”可能需要改進(jìn)的是表面質(zhì)量，這意味著需要執(zhí)行最終拋光等工序。

Krüger說：“這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢在于其可用于生產(chǎn)需求量很小的復(fù)雜工件或部件。” 自20世紀(jì)90年代末起，Martin Schäfer就一直在西門子中央研究院從事這項(xiàng)技術(shù)的研究，他說：“我們在產(chǎn)品開發(fā)過程中遇到的一個(gè)經(jīng)典例子是，一個(gè)用于在燃?xì)廨啓C(jī)中輸送燃?xì)獾谋环Q為‘過渡管’的全新管道系統(tǒng)。這個(gè)彎曲的薄管壁部件具備非常小的溝槽，極其難以采用諸如鑄造和銑削等傳統(tǒng)工藝來制造。但借助快速成型制造技術(shù)，就可以在短短幾天之內(nèi)直接根據(jù)計(jì)算機(jī)中的藍(lán)圖生產(chǎn)出這些金屬部件，而無需耗費(fèi)數(shù)個(gè)星期的時(shí)間。”

這個(gè)例子彰顯了快速成型制造技術(shù)在縮短生產(chǎn)時(shí)間，輕松實(shí)現(xiàn)新的設(shè)計(jì)理念方面的應(yīng)用潛力。Schäfer解釋道，“我們在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用激光熔化技術(shù)生產(chǎn)出的部件業(yè)已通過全部試驗(yàn)，現(xiàn)在要做的是讓這項(xiàng)技術(shù)做好準(zhǔn)備走向生產(chǎn)應(yīng)用。”

為此，西門子旗下若干集團(tuán)正在開展一系列計(jì)劃。此外，西門子也攜手外部機(jī)構(gòu)展開了合作。譬如，在與位于德國帕德博恩的直接制造研究中心（DMRC）的合作中，西門子中央研究院代表西門子能源從事了有關(guān)改進(jìn)工藝和材料的研究工作。波音公司以及快速成型制造技術(shù)領(lǐng)域的其他先鋒，包括EOS、SLM解決方案和Stratasys等重要企業(yè)也參與了DMRC的研究活動。

Krüger說：“工程師必須顛覆其傳統(tǒng)的思維方式。原則上講，利用快速成型制造技術(shù)只要一道工序就能制造出任何可以想象得到的形狀。因此在未來，某個(gè)形狀能否被制造出來僅取決于計(jì)算機(jī)中創(chuàng)建的設(shè)計(jì)在物理上是否切實(shí)可行，而不會受限于銑床或沖壓機(jī)的特性。”

現(xiàn)在，快速成型制造已可用于工業(yè)應(yīng)用。金屬合金或陶瓷混合物被用于生產(chǎn)人造關(guān)節(jié)和備件。

計(jì)算機(jī)控制下的激光束令金屬粉末在一片耀眼的光芒中熔化形成新的部件

更大更快的機(jī)器。快速成型制造技術(shù)能帶領(lǐng)我們走多遠(yuǎn)？Krüger表示，“就激光束而言，存在物理局限性，此外，尤其是所需冷卻時(shí)間構(gòu)成了限制。盡管如此，我們力圖讓這項(xiàng)技術(shù)帶領(lǐng)我們走得盡可能遠(yuǎn)。激光熔化機(jī)將變得越來越大，并且能夠同時(shí)使用多個(gè)激光束。這將大大加快整個(gè)流程，從而令生產(chǎn)超大部件變得更加經(jīng)濟(jì)劃算。已經(jīng)有例子證明這種向大型機(jī)器發(fā)展的趨勢。譬如，在2012年11月底在萊茵河畔法蘭克福舉行的歐洲國際模具展覽會上，一些參展機(jī)器就配備了能夠加工長600毫米寬400毫米的部件的加工室。”

在Krüger看來，將快速成型制造技術(shù)投入實(shí)際應(yīng)用的契機(jī)是在服務(wù)領(lǐng)域。譬如，對于大型工廠，哪怕是停工一分鐘也會造成巨額損失。因此，一旦機(jī)器發(fā)生故障，就必須盡快將備件運(yùn)送到現(xiàn)場。

Krüger說：“但假如不是這樣，而是我們的燃?xì)廨啓C(jī)客戶只需要向距離最近的西門子維修站訂購備件，當(dāng)?shù)鼐S修服務(wù)提供商也只需要調(diào)取該備件的數(shù)據(jù)包就能利用其自有激光系統(tǒng)制造出該部件，那么，這將節(jié)省將部件從遠(yuǎn)方運(yùn)來的費(fèi)用。停機(jī)時(shí)間也將最大限度地縮短。不再需要倉儲任何備件，因?yàn)樾枰４娴闹挥袛?shù)字版藍(lán)圖。將所有這些因素綜合起來，顯然，通過由地方維修點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)，西門子能夠以經(jīng)濟(jì)劃算而又環(huán)保的方式向世界各地的客戶提供更換部件。”

“隨需”隨地提供任何尺寸的備件，而不必配置專門的生產(chǎn)線——只需要一臺激光熔化機(jī)和一兩名操作技術(shù)人員。通過從總部發(fā)送電子郵件給各個(gè)維修站，即可定期更新任意數(shù)量部件的藍(lán)圖。這聽起來就像是遙遠(yuǎn)未來的夢想。但只要激光熔化機(jī)一達(dá)到所要求的尺寸和速度，人們事實(shí)上將不得不開始考慮像這樣的應(yīng)用。鑒于當(dāng)前全球范圍內(nèi)如火如荼的研發(fā)形勢——不論是在像西門子和波音公司這樣的企業(yè)以及像EOS這樣的設(shè)備制造商，還是在像NNMI這樣的新興研發(fā)網(wǎng)絡(luò)——我們有理由相信，這項(xiàng)技術(shù)將取得迅速發(fā)展。

然而，盡管前景喜人，但新的挑戰(zhàn)也在隱隱逼近。Krüger說：“今后幾十年，數(shù)據(jù)保護(hù)將是快速成型制造技術(shù)領(lǐng)域的頭等大事。必須保護(hù)企業(yè)所擁有的數(shù)據(jù)，即電子版藍(lán)圖，不受盜版侵害。”因?yàn)槿绻魏巫銐?的激光熔化機(jī)都能制造出任何可以想象得出的部件，那么，專業(yè)偽造者所需要的就只有一樣?xùn)|西：數(shù)據(jù)。