通过快速原型打印，制造商可以明显地缩短开发周期。以赤石（Akaishi）——日本的一家保健鞋和按摩设备制造商为例。该公司发现，相比先前的原型服务外包，现在通过内部3D打印原型，新产品从订货至交货的时间缩短了90％。并且使设计师在产品上市前就对功能有100％的信心。原型还有利于实验和创新。例如，使用3D打印技术，贝尔直升机公司可以在数天内完成新设计的测试，而使用传统方式需要花上数周。 在某些行业中，3D打印已经从原型制造发展为直接零件生产，也称为直接数字化制造。该技术适用于较短的生产周期，无需机床装备，因此可以对市场情况做出灵活、可变、迅速的反应。具有较强知识资本但制造成本较高的机构可借此机会进入制造业，参与角逐。 3De是一家小型快速产品开发公司，总部位于佛罗里达州。其创始人斯科特·海伊对《工业周刊》说，3D打印“可以为美国制造业带来了不起的胜利”。 3De专攻高精确度外科手术系统的设计，然后交给总部设在美国的3D打印服务公司GPI进行打印。这不像传统零件制造，跨国外包3D组件的生产没有任何成本优势。 今天的3D打印技术被应用于原型设计和直接数字化制造的众多领域。以下是国防、航空航天、汽车和医疗保健的例子。 国防 军事装备中使用的组件必须坚固、耐用，最重要的是具有可靠性，因为出故障就等于生命受到威胁。想要为M1艾布拉姆斯坦克和布雷德利战车安装枪炮瞄准镜——这些高精度组件安装于坦克外部，因此必须能经受极端冲击、振动和恶劣环境条件。EOIR技术公司，是一家领先的防御系统设计和开发公司，能够使用3D打印机制造坚固耐用的坦克外置设备。更重要的是，自从引入3D打印技术后，该公司的制造成本从原来的单件10万美元以上，下降到如今的40,000美元以下。 未来，军方有可能在战场上打印需要的替换零件，不再依赖于有限的备件配额或供应链。虽然这仍需时日，但是正在往这个方向研究。例如，位于得克萨斯州的谢泼德空军基地TDF机构正在使用3D打印技术为美国空军和其他国防分支机构研发培训辅助设备。考虑到设备的专业性很强，如无人驾驶飞行器（UAV），但需求量不大，因此使用原厂配件或者制造配件副本会是一个漫长且昂贵的过程。然而，通过将3D打印技术与传统制造工艺相结合，在2004年到2009年期间，美国政府剩下的费用已经超过了380万美元。更不用说对各领域提供的培训效果更佳、更及时，其中包括航空电子设备、武器系统、医疗准备和电信系统等领域。最近，美国军方研究项目的实习生制造了一架翼展为6.5英尺的无人驾驶飞机（UAV），所有零件都由3D打印完成，旨在用于此类飞机的可行性研究。 —————————————————————————— 未来，军方有可能在战场上打印需要的替换零件，不再依赖于有限的备件配额或供应链。 —————————————————————————— 另一种完全不同的3D打印军事应用是创建地形模型，以提供准确的情报。美国陆军工程兵部队曾在“卡特里娜”飓风时使用这种方式进行应对。随着局势的演变，部队对新奥尔良反复进行建模。每个模型的制成约为2小时，用于显示洪水水势的变化、该地区建筑物和其它地势特征。该技术有助于士兵和民政部门在抢救生命和财产的过程中理解态势，指导救灾工作。 3D地图的可视化和速度化，使其显得至关重要。可以想象下它在其他需要了解地形领域的应用，比如从采矿到考古。 航空航天 与许多行业一样，航空航天领域利用3D打印改善产品性能、减少维护需求、加固组件、使用轻盈零件节省燃料成本。 波音公司，作为3D打印技术的先驱，已经打印了22,000个部件，用于各类飞机上。例如，波音公司利用3D打印为新型787飞机制造了环境控制管道（ECD）。如果使用传统工艺，那么由于其复杂的内部结构，ECD需要制造20个部件。但是，使用3D打印时，波音公司可以生产出一个完整的ECD。新部件可以减少库存，还无需装配，能提高检查和维护时间。由于3D打印的部件重量较轻，飞机的操作重量也随之减轻，从而节省了燃料。根据美国航空公司的说法，飞机重量每减轻一磅，公司每年就能省下11,000加仑以上的燃料。波音公司和其他航空航天巨头，如通用电气公司、欧洲航空防务航天公司（EADS）、空中客车的制造商，正在进一步研究优化部件，如机翼支架。（参见图8）Ferra Engineering公司，是一家澳大利亚航空承包商（为波音公司和空中客车公司提供服务）。它签下了一份合同：3D打印二米长的大型钛合金零件，用于F-35联合攻击战斗机上，以减少加工时间和材料浪费。波音公司甚至设想在未来能3D打印完整的飞机机翼。 3D打印的另一个优点是可以分布式制造，解决供应链问题。在某个地方大规模生产的组件需要数周才能运达装配工厂。但现场3D打印组件，省去运输时间，减少供应链中可能出现的摩擦，降低工厂的库存量。 [attach]1155764[/attach] 图8. 空中客车3D打印的金属机翼支架，比传统机翼支架更轻盈 (资料来源：EADS) 长供应链的一个极端例子发生在太空探索中。试想一下：在国际空间站上，甚至是在火星上可以打印产品、工具或更换零件。这正是“太空制造”、“月球建筑”之类的团体正在研究的。这两个组织正在研发能在太空直接制造的工具、流程和系统，以避免昂贵且花费长达十年之久的规划周期，来策划火箭发射需要携带的必要更换零件和工具。“太空制造”与NASA（美国航空航天局）签订了合同，目前正在进行无重力试验，计划在国际空间站上试用3D打印。那样的话，宇航员就能在需要时，直接在太空打印工具和零件了。（参见图9）。 [attach]1155765[/attach] 图9. 太空制造正在太空进行3D打印无重力测试。 资料来源：太空制造 目前，NASA的下一架太空探索飞行器（“漫游者”）有约70个部件是3D打印完成的。NASA工程师也使用3D打印原型，在生产前进行部件测试。 展望未来，NASA正在尝试将3D打印为服务（3DPaaS），用于初始样件制造。“我们看好3D打印，”NASA喷气推进实验室IT首席技术官汤姆·瑟德斯特伦说，“3D打印技术使任务概念更容易明确。我们可以看到别人想象中的东西。”工程师可以使用3DPaaS迅速进行同行评审，获得更多的设计灵感和对原型的认可。在初始原型和迭代过程中，使用成本低、周转快的开源CAD工具和3D打印机。“我们喜欢开源、开放的设计方法。这使我们能够更容易地得到外界对设计的反馈，更早开工。”瑟德斯特伦补充道。 一旦设计被认可，准备开始全面原型制作，就会使用大型3D打印机制造1.0版本的原型。其结果是制作时间更短，成本更低，对1.0版本的设计更有信心。 对于3D打印来说，太空并不是唯一的极端环境。工业设计师马库斯·凯瑟展示了一台以太阳能为动力的3D打印机，用撒哈拉沙漠的沙子制造出粗玻璃。（参见图10）。虽然不是在太空，但是这确实表明，3D打印技术可以在极端偏僻环境中使用基础资源。 [attach]1155766[/attach] 图10. 在撒哈拉沙漠使用沙子“墨水”打印玻璃。3D打印机以太阳能为动力。 （资料来源：马库斯·凯瑟） 汽车 近几年来，各大汽车制造商一直在使用3D打印原型。不过，汽车行业即将拓展应用领域，不再只局限于小型自定义部件的原型制作。 举个例子来说，Urbee——号称世界上第一辆打印出来的汽车。Urbee是一辆二座汽车，由KOR EcoLogic公司制造，突破3D打印尺寸的限制。需要澄清的是，并不是所有的部件都是3D打印制造的——只有外壳是打印的，虽然内部部件计划使用3D打印。（参见图11）Urbee计划在2014年实现小批量生产,39为大规模汽车零部件的定制埋下了伏笔。期待在不久的将来看见独一无二的汽车款式、设计和外形。 [attach]1155767[/attach] 事实上，世界上第一辆主要使用3D打印制造的赛车，参加了2012年7月举办的2012年学生方程式挑战赛。赛车使用的3D打印技术为Materialise公司的超巨型立体光刻（SL）。Materialise公司是一家快速原型公司。超巨型立体光刻专用于打印大型物体，打印空间超过6.5英尺（2米）。 宝马工程师利用3D打印技术制造符合人体工程学原理、更轻版本的装配工具，以提高员工的工作效率。通过改进设计，员工的负重减轻了2.9磅（1.3千克），操作和平衡能力得到了提高。宝马工程师君特·施密德说：“这可能看起来不算什么大改进，但每位员工每次轮班要使用数百次工具，这对他们来说就差别很大了。” 除了人体工程学外，3D打印能发挥重大作用的另一个领域是市场营销。想象一下：用大型3D模型，而非CAD图纸，来作为投标方案的一部分。有公司曾用此方法展现汽车内饰，前前后后各个细节都可作为介绍的一部分。图片也许能阐明一千句话要表达的内容，但触摸和感受才是最真实的。 医疗保健 3D打印最鼓舞人心的使用领域是医疗保健行业。3D打印技术有可能挽救生命，或者显著提高生命质量。3D打印技术在医疗保健领域的大规模应用仍需数年，但早期研究已实现组织、器官、骨骼和假肢设备的打印，让我们看见了提高生命质量的曙光。 美国维克森林大学再生医学研究所利用患者自身的培养细胞或干细胞，3D打印人体组织和器官。其最终目标是，帮助解决移植器官短缺问题。科学家正在研究各种项目，包括耳朵、肌肉打印，并长期致力于肾脏打印研究。（参见图12）用于器官和组织结构打印的打印机，从医学扫描设备获得数据，如CT或MRI。基本原理是将活体细胞和含有细胞的生物材料打印成立体形状。然后将器官或组织结构植入体内，继续生长。肾脏项目基于早期工作成果：用细胞和生物材料制造“微型”肾脏——移植入小公牛体内，能够产生尿液样物质。 [attach]1155768[/attach] 图12. 3D打印的结构：肾脏（左上），耳朵（右上），手指。有一天，它们可用于解决器官短缺的问题，或者在找不到损伤部位替代品时帮助修复治疗。 （资料来源：美国维克森林大学再生医学研究所） 此外，手术领域的3D打印应用也在不断增加。例如，美国沃尔特里德陆军医疗中心制造并成功地植入超过60块钛合金颅骨。 2011年6月，比利时哈塞尔特大学的Jules Poukens医生将第一块3D打印的钛合金颌成功地移植到一个83岁的妇女身上。这些植入物与病人的身体完全匹配，并固定得更好。不仅缩短了手术时间，还降低了感染的可能性。 完全匹配对于假肢设备来说也十分关键。假肢设备定制要求高，生产周期短，材料要求坚固但重量轻——3D打印是理想的选择。3D打印技术使假肢可以按照肢体残缺人士的要求调整外观、舒适度、尺寸和重量，而成本仅为传统工艺的一个零头。3D Systems收购的Bespoke Innovations（定制创意）公司，采用3D打印制作定制的假肢护套，其目标是有朝一日可以3D打印整个假肢。（参见图13）相关案例：2岁的艾玛，天生患有一种称为关节弯曲的罕见疾病，通过佩戴3D打印的“神奇手臂”，她可以抬起真正的手臂，重获新生。“神奇手臂”可以随着她的成长重新打印，而且相对她25磅的身体来说足够轻便。另一个案例是3D打印的助听器，虽然价格较贵，但是由于定制，可以提供出色的音质。 [attach]1155769[/attach] 未完待续… 来源：MagicFirm(edie)翻译 |
