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

Ursus Krüger博士利用激光熔化技術，用金屬粉末制作出一個復雜精細的物體。哪怕是非常復雜的部件，也可以通過該技術快速制造。

乍看之下，這臺機器就像是一臺帶觀測窗的特大號冰箱。但其內部與冰箱扯不上任何關系。觀測窗的另一側是一臺模床。其內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)了一個正規(guī)結構，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’是一個激光束；位于加工室上方的偏轉器引導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，即1,500攝氏度以上。這時，這些顆粒將熔化在一起。”

激光的偏轉——換句話說，其書寫移動——受計算機控制，復雜的不銹鋼工件的電子版藍圖便保存在該計算機中。當激光束*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構。”

在柏林的Siemensstadt區(qū)，坐落著許多實驗室，這臺機器就安置在其中一間實驗室內。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，它們的哪些產品和產品組件可以利用激光熔化技術來制造。該研究工作組的負責人Ursus Krüger博士指出，“‘三維印刷’這個術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時，則一般使用‘快速成型制造’這個術語。這些技術與‘三維印刷機’再也沒有什么共同之處。”

早在20世紀80年代，*批三維印刷機便已問世。它們大多使用很快就會變硬的塑料。通過逐層噴涂塑料，最終形成一個三維物體。對于快速制作原型，這種類型的機器特別有用?？焖僦谱髟图夹g旨在立即制作出廉價的原型用于設計研究。Krüger說：“如今，這類塑料印刷機已經推出了起價在1,000歐元左右，可供家庭使用的經濟型機型。此類機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，三維印刷機依然不時登上報刊頭條。媒體對這種印刷機的使用時有報道，通常是為了示范目的或者作為宣傳活動的一個環(huán)節(jié)。譬如，2011年，歐洲宇航防務集團（EADS）的英國工程師利用尼龍粉末“印刷”了一輛完整的自行車。將用印刷機印刷出來的少數(shù)幾個單獨部件組裝起來，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，顯然三維印刷技術早已青出于藍，不再只是用于制作原型。如今，基于激光的技術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：“這意味著這項技術已經發(fā)展到可以投入工業(yè)應用的階段。”但人們再也不能稱之為印刷，因為幾乎所有這些技術都是通過在特定點硬化或熔化液體或粉狀鑄模來制作物體。

一些公司已經在專門生產髖關節(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來生產適用于牙冠和牙橋的金屬框架。一級方程式賽車以及飛機的一些組件也已采用這種技術進行生產。諸如EOS和概念激光器（Concept Laser）等德國公司是快速成型制造機器的全球*供應商。

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域的創(chuàng)新技術研發(fā)的研究機構。”

已列入計劃的“國家制造業(yè)創(chuàng)新網絡（NNMI）”的參與者將包括政府機構如美國航空航天局、國家科學基金會和國防部，以及高等學府和企業(yè)如波音公司和IBM。其主要目標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)在下結論還為時過早。但這項技術的優(yōu)勢顯而易見。借助快速成型制造技術，我們可以制作出內部具備凹面和錯綜復雜的撐桿的高度復雜的工件，要不然，這些類型的部件就只能手工制作或者由多個單獨的部件組合而成；但現(xiàn)在，通過一道計算機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的缺點也很明顯。Krüger指出，“用一層很細的顆粒制成的工件具備*的結構和表面。然而，特別是在機械工程領域，部分部件必須耐受極大的物理應力，因此，以傳統(tǒng)工藝制造的鍛件在堅固性方面仍然更具優(yōu)勢。”此外，采用激光熔化技術生產部件是一個非常漫長的過程，制造一個大型工件有時需要上百個小時。Krüger補充道，“但借助激光熔化技術可以大大縮短工件的總加工時間，因為與采用傳統(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的加工室內制成的。”可能需要改進的是表面質量，這意味著需要執(zhí)行最終拋光等工序。

Krüger說：“這項技術的優(yōu)勢在于其可用于生產需求量很小的復雜工件或部件。” 自20世紀90年代末起，Martin Schäfer就一直在西門子中央研究院從事這項技術的研究，他說：“我們在產品開發(fā)過程中遇到的一個經典例子是，一個用于在燃氣輪機中輸送燃氣的被稱為‘過渡管’的全新管道系統(tǒng)。這個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，就可以在短短幾天之內直接根據(jù)計算機中的藍圖生產出這些金屬部件，而無需耗費數(shù)個星期的時間。”

這個例子彰顯了快速成型制造技術在縮短生產時間，輕松實現(xiàn)新的設計理念方面的應用潛力。Schäfer解釋道，“我們在實驗室內用激光熔化技術生產出的部件業(yè)已通過全部試驗，現(xiàn)在要做的是讓這項技術做好準備走向生產應用。”

為此，西門子旗下若干集團正在開展一系列計劃。此外，西門子也攜手外部機構展開了合作。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改進工藝和材料的研究工作。波音公司以及快速成型制造技術領域的其他先鋒，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，某個形狀能否被制造出來僅取決于計算機中創(chuàng)建的設計在物理上是否切實可行，而不會受限于銑床或沖壓機的特性。”

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

計算機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

更大更快的機器。快速成型制造技術能帶領我們走多遠？Krüger表示，“就激光束而言，存在物理局限性，此外，尤其是所需冷卻時間構成了限制。盡管如此，我們力圖讓這項技術帶領我們走得盡可能遠。激光熔化機將變得越來越大，并且能夠同時使用多個激光束。這將大大加快整個流程，從而令生產超大部件變得更加經濟劃算。已經有例子證明這種向大型機器發(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投入實際應用的契機是在服務領域。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，一旦機器發(fā)生故障，就必須盡快將備件運送到現(xiàn)場。

Krüger說：“但假如不是這樣，而是我們的燃氣輪機客戶只需要向距離最近的西門子維修站訂購備件，當?shù)鼐S修服務提供商也只需要調取該備件的數(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)省將部件從遠方運來的費用。停機時間也將最大限度地縮短。不再需要倉儲任何備件，因為需要保存的只有數(shù)字版藍圖。將所有這些因素綜合起來，顯然，通過由地方維修點組成的網絡，西門子能夠以經濟劃算而又環(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線——只需要一臺激光熔化機和一兩名操作技術人員。通過從總部發(fā)送電子郵件給各個維修站，即可定期更新任意數(shù)量部件的藍圖。這聽起來就像是遙遠未來的夢想。但只要激光熔化機一達到所要求的尺寸和速度，人們事實上將不得不開始考慮像這樣的應用。鑒于當前全球范圍內如火如荼的研發(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這樣的設備制造商，還是在像NNMI這樣的新興研發(fā)網絡——我們有理由相信，這項技術將取得迅速發(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)保護將是快速成型制造技術領域的頭等大事。必須保護企業(yè)所擁有的數(shù)據(jù)，即電子版藍圖，不受盜版侵害。”因為如果任何足夠*的激光熔化機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東西：數(shù)據(jù)。