印制世界

位于布里斯托爾郊外的菲爾頓是英國協和式超音速客機的制造地。在這片綿延廣闊的地方，靠近風洞處（編注：風洞是一種產生人造氣流的管道，用于研究空氣流經物體所產生的氣動效應，主要應用于汽車、飛行器設計等領域）有一幢大樓，那里面正在進行著更加神奇的生產制造：一臺機器正一點一點地“打印”出一個皮鞋大小的鈦合金起落支架；而按照常理推斷，造就這樣一個架子需要費力地和一整塊兒堅硬的金屬塊較勁。支架還僅僅只是個開始，菲爾頓的研究人員有著更大的野心：他們要打印出客機的整個機翼。

印制出整個機翼的想法未免有些牽強，但是的確有一些人正在運用三維印刷技術制造出一些不同凡響的東西，包括醫療植入產品，珠寶，專為個人設計的足球鞋，燈罩，賽車部件，固態電池，還有定制手機，甚至是制造機械設備。麻省理工學院的博士生彼得.施密特一直在嘗試印制出一種運作方式類似于座鐘的東西。他嘗試了幾次才做出來，最后，當他把塑料鐘從三維打印機中取出來掛到墻上，將鐘擺甩起來時，鐘開始滴滴答答地走動了。

其實工程師和設計師們十多年來一直在使用三維打印機，雖然大多數時候只是為了快而廉價地制造出產品的模型，以便在花重金生產實物前心里能有個底兒。隨著三維打印機的生產能力越來越強大，能夠處理的材料范圍越來越廣泛，它也正在被越來越多地應用于生產成品。據該領域一個研究開發公司的主創人員特里.沃勒斯稱，目前三維打印機生產出的產品中，已經有超過20%的成品了。他預計到2020年，成品所占的比率會上升到50%。

將三維打印機 用作生產工具的加工方法在工業界被稱為“加法”制造（同以前的切割，鉆孔和金屬分解這些“減法”制造相反）。加法制造的過程中所需的原材料很少，由于三維打印機是由軟件控制的，因此無需耗費財力重組裝備就可以制造出不同的部件。三維打印機還能生產流水線流程需求少的現成品，以及傳統工藝很難制成的產品。

輕輕一點，就能生產

由于印制出的部件和產品能夠降低成本和風險，因此這一舉動具有變革制造業的潛力。生產者們再也不用通過大規模生產來賺回他們的固定成本。在如今這個經濟體規模已不再重要的世界里，批量生產相同產品也許根本沒必要，也不劃算，尤其是現在很多東西都可以通過三維印刷技術量身訂制。甚至可以預測，今后的消費者們能隨時隨地把產品下載下來，就像我們現在下載電影一樣，然后打印出來；或者去當地的三維印刷中心，根據自身的喜好設計出各種不同的外觀。聽起來還挺遙遠，然而一場新的工業革命正蓄勢待發。

印制出一件三維產品聽起來不太靠譜。事實上，這跟你在電腦屏幕上點擊打印按鈕，然后噴墨打印機就會完成相應任務是一樣的道理。區別在于，三維打印機的“墨”是連續地、一層一層地放置進去的，直到“打印”出實物為止。

具體來說，電腦軟件通過電腦輔助設計獲取一系列的數據來定義材料層。關于產品片段的描述會輸入到三維打印機中，三維打印機根據這些資料構制出各打印層。隨后，各個層會通過多種途徑組合起來。材料粉末會被置于一個托盤上，然后根據所需要的樣式用液體粘合噴射器、激光或者電子束使之燒結凝固。有些機器上會沉積熔融的塑料絲。當一層熔鑄完成后，構建托盤會以小于一毫米的距離移動遠離，然后下一層就添加進來了。

菲爾頓的研究員們已經開始使用三維打印機制造用于風洞試驗的產品原型。順便提一句，這個研究小組屬于以建造空中巴士聞名的歐洲宇航防務集團的研究機構——創新工作組。用傳統方法制造這些一次性的原型部件是相當昂貴的。因此，當研究員們意識到三維打印機能夠高效地制造這些產品時，他們就知道該怎么辦了。

在飛機制造中，飛機制造商們已經用碳纖維的輕型復合物替代了許多原來的金屬組件。但即便是一架小型客機依然需要耗費數噸造價昂貴的航天級別鈦板。這些部件通常是由固體鋼坯加工而成的，而加工過程會浪費掉90%的鋼坯，而這些金屬垃圾卻再也不能用于制造飛機了。

為了利用加法制造法生產飛機部件，歐洲宇航防務集團開始使用鈦粉。他們將一個大約20-30微米（0.02-0.03毫米）厚的鈦粉層平鋪在三維打印機的托盤上，用激光或電子束融化鈦粉層。多余的鈦粉可以進行再利用。有些產品可能需要進一步機械加工才能完成，但所需材料仍只是傳統制造法的10%。此外，三維打印的生產過程所耗能量要比傳統工廠生產少得多，有時候速度也更快。加法制造還有許多其他的優點。大多數金屬和塑料產品一開始就是為機械生產而設計的，這就意味著它們可能會很重，并且包含與生產有關，但與其功能無關的剩余物。有了三維打印術則無需如此。歐洲宇航防務集團的項目總工程師安迪.霍金斯說：“只需把對產品有用的原材料放進去就可以了。”他的團隊生產的部件更加輕盈、美觀，這是因為拋開了生產的局限性，就能以最優化的方式實現目標。與機器制造的產品相比，印刷出來的產品重量要輕60%，并且堅固依然。

形式服從于功能

飛機制造的關鍵是其輕盈程度。飛機的重量減少1公斤，每年就能節省約3000美元的燃料，同時還能減少碳排放量。因此，加法制造工藝能制造出更加綠色環保的飛機——尤其是當一架飛機上的1000多個鈦部件都能被印制出來的時候更是如此。盡管目前可印刷的部件大小受三維打印機大小的限制，但歐洲宇航防務集團的科研人員相信，未來很可能會制造出更龐大的系統，用來生產大型三維打印機，以便打印出35米長的用于制造組合飛機機翼的起重架。這樣飛機機翼上的鈦組件就能直接用打印機打印在機翼結構上了。

許多人認為，利用加法制造工藝制造出的產品所具有的強大優勢是推動加法制造工藝向前發展的主要動力。至少對于興趣在“原始機器”上的施密特來說是這樣的。這里所說的“原始機器”不是由預制部件組合而成的，而是貫穿在設計意圖中創造出來的。這聽起來很藝術，事實也的確如此：施密特是來自德國的藝術專業學生，他過去常常把時間消磨在工廠的車床和銑床上，以完成自己的工業設計。他現在就讀于麻省理工學院，致力于研究機器人的基本組成部分——伺服機構裝置。特殊定制的伺服系統的成本是市場上成品的好幾倍。施密特說，機器人制造者應該能夠自主確定伺服系統可執行的工作，而不是為了配合電動機的需要來制造機器人。機器人制造者可以把所需信息發送到三維打印機上，這樣打印機的軟件就會計算出如何以最低的成本生產。施密特說：“這能在更大程度上普及制造業。”

三維打印機可以自主決定產品外形的理念引起了奈麗.奧克斯曼的興趣。奈麗是一位建筑師兼設計師，在麻省理工學院媒體實驗室里帶領研究小組進行創新科研。她目前正在設計一臺打印機，用以探究如何實現頭腦中的設計構想。奧克斯曼博士相信，自然規律的啟發會讓產品設計如有神助，要是最終方案的實現非加法制造工藝不可，那才叫好。她設計制造的產品有雕刻品和防彈衣等，她甚至把目光投向了建筑物，這種建筑物將由被電腦控制的、沉積了連續水泥層的噴嘴澆灌而成。

有些三維系統允許改變打印材料的屬性和內部結構。比如，“Within Technologies”公司有望今年開始制造類似于人類骨骼的鈦金屬醫療植入產品。該公司研制的大腿骨植入產品既要有一定的硬度和強度，同時也要具備堅固的晶格結構，能夠讓新生骨頭長到植入骨頭上。這種植入產品比傳統植入產品更穩固。

“Within Technologies”公司的首席執行官沙瓦什.馬達維說，在內部細節層面上的運作使得物體的硬度和靈活度可以按需而定。馬達維博士還在研究其他的一些晶格結構，其中包括賽車的汽車動力學組件；同時還在為一家希望制造出世界上最舒服的細高跟鞋的公司研發特殊鞋墊。

另一家相關的公司“Digital Forming”（馬達維博士是該公司的技術主管）運用三維設計軟件幫助客戶定制批量生產的產品。例如，他們為一家手機公司提供一項服務，購買該手機的用戶能夠在線更換他們新手機外殼的外形、顏色和其他特征。只要可行，該軟件就能滿足顧客的任意想法。一旦設計提交，手機的新外殼就被打印出來了。該公司總經理麗莎.哈若尼認為該程序幾乎能適用于從珠寶到家具的任何消費產品，她說：“我堅信這項技術將改變我們的產品制造方法。”

還有一些服務能夠允許個人上傳他們自己的設計，并把它們印出來。“Shapeways”是一家從荷蘭飛利浦電子公司中分離出來的公司，以紐約為基地生產個性化的三維產品，用該公司首席執行官彼得.溫瑪莎森的話說就是“大規模定制產品”。“Shapeways”公司每個月打印的個性化產品多達1萬件，原料范圍從不銹鋼、玻璃、塑料到沙巖，數不勝數。客戶中既有個人也有商家，后者訂制了珠寶，禮物和小配件，把這些東西放到自己的店里出售。德國的激光燒結三維打印機生產商EOS稱他們已經開始為汽車制造商、航天航空公司和消費產品公司生產塑料和金屬部件了。EOS稱，他們還為牙醫生產牙冠：每臺機器最多能一次性生產出450個牙冠，每一個都是為病人量身訂制的。而那些手工制造牙冠的工人每天能打造出12個牙冠就已經不錯了。EOS公司還進行了一次工程實踐，使用高性能聚合物為小提琴印刷零部件，經過專業的小提琴制造師組裝后，小提琴家在音樂會上還用它進行了演奏。

另一家位于明尼阿波里斯的“Stratasys”公司和EOS一樣，都使用現有機器印制出零部件，然后把這些零部件組裝起來，制造更多的三維打印機。“Stratasys”甚至開始嘗試為一家位于溫尼伯、名為“科爾生態”的公司打印汽車，或者至少是汽車的外殼。科爾生態公司的老板吉姆.科爾正在開發一種名為Urbee的電動混合力汽車。

制造小批量、高價值、量身訂制的產品固然很好，但是加法制造技術真的能同已歷經百年磨練的大規模生產技術相抗衡嗎？有些傳統技術已經深深扎根，不可能完全被取代。但有一點是肯定的：未來三維打印機將同工廠中的銑床，印刷機，鑄造和塑料噴注模具裝備協同合作，并且會逐步地承擔那些機器的工作量。

辛辛那提的莫里斯技術公司是首批大力投資利用加法制造，為其他公司提供工程和生產服務的公司之一。起初，該公司的目的是加快制造產品原型的速度；但是在2007年，該公司意識到“一種新型產業即將誕生”，于是又成立了另一家名為“高質量快速制造”的公司，專注于利用加法制造生產更大批量的部件。該公司稱，許多中小型組件在幾小時或幾天內就能從電腦設計轉化成符合生產要求的金屬零部件，而用傳統方法則要花上數天或者數星期。另外，打印機在無人看管的時候也能繼續生產，并且24小時不間斷工作。

尼爾.霍普金森毫不懷疑三維打印能在許多領域與大規模生產技術相抗衡。他帶領的拉夫堡大學科研團隊已經發明了一種高速燒結系統。該系統使用噴墨打印機的噴頭將紅外吸收墨水鋪在聚合物乳膠粉層上，在紅外線的加熱下，乳膠粉會被熔結成固體形狀。在該團隊的其他項目中，有一項是為美國的高端冬季運動裝備公司“伯頓滑雪板”開發三維打印機制造塑料扣的潛能。這類產品通常都是用塑料噴注模具生產的。霍普金森博士說，用他的方法能讓塑料扣的造價低至10便士一個，而這比用塑料模具生產出來的產品要有競爭力的多。此外，塑料扣設計的變更也不需要伯頓公司承擔設備重組的高額費用。

霍普金森博士補充說，很難預測加法制造技術會以多快的速度進入到工業生產中。之所以難以預測，并不能歸咎于傳統制造業的保守本性，而是由于有些方法發展之快讓人驚嘆。幾年前，要用三維打印機制造裝飾燈罩看起來似乎是不可能完成的任務，但現在它已經成為了一個產業，該產業內有許多有競爭力的公司，其銷量達到數千。

霍普金森博士認為，拉夫堡團隊的噴注模具已經有一定的競爭力，它的生產量大約可達1000件。他還預測到，在未來的五年內，隨著生產工藝的進一步發展，它的競爭力還會加大，到那時，生產量就算達不到幾十萬件，至少也有幾萬件。一旦三維打印機能達到那樣的生產能力，那么就會有更多的制造商采用這項技術。

英國一家咨詢公司的負責人威爾.西勒爾期待著他稱之為“數字化生產工廠”的到來。他說，到那時，公司不再需要將資金花在投資設備、流程和原材料上。此外，他還相信，將一項數碼設計從概念轉化成實物生產所需的時間將會減少50%到80%。隨著三維打印技術的改善，克服生產局限的能力和生產新產品的能力將會結合起來，更加高級的機械化將使三維印刷成為主流。西勒爾說：“到時候市場就會青睞這項技術了。”有些業內人認為，三維印刷技術對制造業的影響堪比噴墨打印機對文件打印的影響。約翰內斯.古滕博格（Johannes Gutenberg）在15世紀發明的活字印刷將手寫體變成了印刷體。印刷機像大規模生產機器一樣進行大規模生產，它高效地影印同一份材料，也可以打印單個不同的文件。噴墨打印機使打印變得更便捷、廉價和個性。如今，盡管傳統印刷機仍然印刷著大量書籍，報紙等，但是噴墨打印機的打印范圍正越來越廣，從急需影印的書籍到標簽和照片，幾乎無所不包。

定制的個性化未來

這項技術將如何轉化為生產？顯然，它改變了定制個性化產品的經濟運營方式。如果一家公司需要一個特別設計的部件，它很可能找當地方便又廉價的三維印刷公司為他印制，甚至自己動手，而不用再給遠方的供應商下訂單。當設計變化越來越快時，這一切都有可能發生。

三維印刷技術不僅是西方的專利：中國的公司也在采用這項技術。也許你會由此推斷某些制造業可能離開中國這樣的廉價生產中心而重返西方。在去年敦豪速遞公司舉辦的一次大會上，這種可能性就被提了出來。這對物流公司造成的威脅是顯而易見的：當一個公司能在產品需求所在地印刷出急需的零部件時，又為什么要從國外空運呢？

或許加法制造技術最激動人心之處就在于它降低了進入生產制造業的門檻。三維打印機不用你籌錢建廠，也不需要你尋求國內（甚至是國外）的大規模制造商，它直接給你一條通往市場的廉價而低風險的道路。企業家可以用三維打印機打印出一兩個樣品，看看想法是否可行再做決定；他也可以多做幾個看看賣得好不好，還可以根據買家的要求來更改設計。如果東西賣得確實很好，他就可以大規模生產了——不論是使用傳統的大規模生產還是大型的三維打印機生產都可以。

這意味著制造業的成功不再取決于生產規模，而是創意。不過單靠絕佳的創意還不夠你成功——三維印刷技術能迅速地將好點子付諸實踐，因而知識產權的斗爭可能會變得更加激烈。模仿者和創新者在市場上快速推出產品都會變得更容易。因此，競爭優勢的持續時間將會前所未有地縮短。正如過去的工業革命一樣，最大的受益者也許不是企業，而是他們的顧客。但不論誰獲益更大，使用“革命”一詞來形容這一前景也并不過分。