3D 打印如何改变制造业 |萨沃·库西奇

重要专业说明： 这是作者根据出版时可用的来源和示例编写的档案文本。它不是当前的技术规范、安全说明、投资建议或对上述公司和产品当前能力、速度、成本或状态的确认。当前增材制造的每个应用都需要检查制造商的当前文件、材料特性、职业安全、知识产权和适用法规。

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需求、技术和生产

使用3D打印机制作物品的新技术也要求我们重新审视该技术、其对生产的影响以及可能的新趋势和组织生产的方式。

大多数涉及工业领域（以及许多其他领域）的文本实际上都是以“当今技术（医学、化学等）如此先进……”的结论开始的

这句标语，正如过去所发生的那样，当然会保留很多年，并且可能会比我们活得更久，因为事实上，在我们读到这篇文章的那一天，人类社会从未如此发达，但永远不会如此，明天也会如此。

确实，人类每天所创造的需求都不同，每一种需求都催生出新的需求，而新的需求一定比前一个需求更完美、更好。如果您将这些需求放在例如的背景下从计算机制造业的角度来看，我们会发现五年前甚至更早的一台计算机可以完成我们所有的工作对我们来说已经不够了（新的需求需要更完整的软件，这进一步需要硬件等）。具体来说，英特尔创始人之一戈登·摩尔描述了这一现象，他说计算机的性能每18到20 m秒就会增加一倍，这就是为什么这条定律被命名为摩尔定律。所以今天我们的手机包含的计算能力比整个 NASA 组织1969还要多。将两个人送上月球或例如与过去十年的单个大型计算机相比，消耗更多计算资源来模拟三维情况的视频游戏（Kaku，2011）。

这里有两件事应该立即分开。计算机无法满足当今的日常需求，但从另一方面来看，如上所述，计算机足以将人送上月球。因此，科学的进步不再依赖于速度。处理器，并且非常重视其他分支，这可能会阻碍进展。简而言之，科学与计算机进行双向通信并使其适应自身。

然而，需求并不是“推动”人类前进的唯一因素。人类创造的欲望，无论他是否需要，都为各行各业开辟了一个全新的空间，竞相为他提供他想要或他想要的东西，而人们却没有意识到这一点。我们不能忘记营销，它支持整个故事，因为它实际上是我们的需求，也是我们离不开的东西，而不仅仅是对我们来说不太必要的欲望。当我们也将人视为一种社会和文化存在时，他想要与他人不同，并形成自己的身份，以反映他的内在精神状态（这在某种程度上既是一种需要，也是一种愿望），我们就会从例如顾客的角度得到一幅非常复杂的当今顾客的图景。一家想要出售其汽车的公司，该公司必须花费大量资源来研究和制定其报价，甚至不参与该汽车的生产。

那么如何生产该产品，使其成为某人想要的东西？它是什么样的研究？进行研究的最佳方式是什么，以便它反映客户的真实愿望，并且有人会购买某种东西，而不会使它滞留在库存中并失去价值？制造产品的最好方法之一就是让客户说出他对产品的期望，然后我们就可以确定我们会把产品卖给他。当然，问题的另一面是如何用尽可能少的资源实现这一切，同时尊重每个客户。

批量定制

第一个回答这个问题的是新生产方法的倡导者。大约二十年前出现的方法提供了一种思维方式和组织生产的哲学，以尊重所有这些要求，同时找到满足这些要求的解决方案以实现互惠互利。因此，生产每个客户想要的、可以支付的产品并赚取利润。这种方法称为大规模定制。该硬币是由英语单词mass（质量、大量、众多）和customization（调整）创建的，翻译过来意味着大规模定制，即在大规模生产中个性化产品的可能性（根据Suzić，2014）。

今天生产

生产方法有很多种，但目前发展最快、应用最广泛的一种是定制。当谈论定制时，它总是与我们生活的时代有关，与定制相关的假设主要是它规定了最好的生产方式以及如何进行产品设计和生产。定制并没有规定哪种生产方式最好以及如何创建产品。定制是一种方法和思维方式，生产的最佳方法和最佳实践只是这种方法的结果，并且通常是在生产（创作）中应用这种思维的决定。

所有成功的公司都遵循这种方法，并建立了成功的系统，利用这些系统来组织生产，以便最好地响应市场。提到定制是为了表明需要按照减少生产中相对于输出尺寸的输入尺寸的方向来组织系统，因此它作为一种方法发挥了非常重要的作用。

这给产品的创造方式带来了重大变化，但核心的生产方式仍然没有改变。只有更好的组织才能提供。

添加和减少材料

以前的生产是基于走料的原理。实际上，这意味着取出尺寸大于最终产品尺寸的工件，并从工件上去除材料，直到工件达到最终尺寸。这种生产方式在当今的制造业中仍然占主导地位。当然，也有例外，比如通过铸造、吹塑、压花等工艺获得的产品，但这些方法并没有在产品成型方面给予足够的“后续”自由度，而是受到前期准备工作（模板、材料结构等）的限制。

3D印刷提供的生产方式与上述方法正好相反，是通过添加材料来生产的。这种生产方法是基于添加材料直至获得最终尺寸的原理。

3D印刷

直到几年前，这种方法看起来还像科幻小说，但正是工程技术促成了这种类型的生产。在三维打印中，物体是通过连续应用多层材料来创建的。它可以使用多种不同的材料生产具有不同机械和物理性能的零件和组件（维基百科，2015）。

如果我们深入探讨3D打印的本质，它可能自“液体材料”时代就已存在，但工程学促成了这样一个事实：CNC [1]机器和普通挤出机（可以推动一些材料）的组合提供了创建三维物体的可能性，如图1所示。

数控机床与经典塑料挤出机的组合

图像1 - 数控机床和塑料挤出机组合（数控纸板切割，2015）（3D 打印世界有哪些新功能？，2015）（3D 打印， 2015)

当然，随着时间的推移，这种类型的更复杂的方法和连接应用层的技术已经被开发出来，不断获得更好的表面效果，引入新材料并改进打印机本身的结构。我们还应该提到当时推出的打印机Carbon3D，其构造灵感来自电影“终结者2”，其中从液体树脂中提取的物体被成型（图片2）。正如这款打印机的创造者之一 Joseph DeSimone 所说，3D 打印机实际上是 2D 打印机，一遍又一遍地重复这个过程，而这个过程在当时需要很长时间。该打印机“简单地”从流体中拉出整个物体，在光的帮助下预成型，并且根据当时的来源，提供了25到100倍的更快打印速度（碳3D，2015）。

液体树脂在3D打印过程中形成的物体

图片2 - 3D 碳3D 打印机的工作原理。 (碳3D、2015)

3D打印制作

已经可以看到3D打印机的应用正在扩展到工业的各个领域，因此已经有打印车身零件、车壳、餐具、衣柜，甚至房屋和建筑物等。例如波音公司今天为其飞机打印了超过20000零件（DICKEY、 2015).

随着这项技术变得更便宜、更容易获得，该领域的专家预测，这种类型的生产将从工业转移到客户。借助 3D 打印机，人们将能够创建自己的模型、修改现有模型并根据自己的需求调整产品。网上已经可以找到很多免费模型，可以直接下载并打印。

然而，如果我们看一个平庸的例子，今天很多人家中都有“普通”的2D打印机，但仍然有复印机，甚至那些有打印机的人也用复印机打印。与 3D 打印机类似。造成这种情况的原因有很多，其中一些是：

经济原因，因为批量生产仍然比单独生产便宜；
更好的完成度，这是大多数人作为专业人士不具备的条件；
了解材料特性、构造和加工软件；
个人的创造能力；
打印机的物理限制。

在满足客户的需求方面，3D 印刷比基于材料减法的传统生产提供了无限更大的可能性，使产品能够满足客户的愿望。但从生产者的角度来看，它可以实现无多余（浪费）材料的生产，减少机器数量，降低仓储成本等。而且，上述定制还有空间，可以提前生产产品平台，在上面打印所需的形状，并额外满足客户，交货速度等。此外，留下未完成的产品的可能性也将被打开，它将被交付给客户，并且客户也将能够使用他的打印机打印产品。

以下是通过3D打印

附件1 - 专门使用3D技术建造房屋的中国公司WinSun“打印”出了第一座高层建筑

使用3D技术制作的物体的历史示例的外观