令人驚嘆的工業即時模型
????作者：Gene Bylinsky ????從計算機設計圖樣到制成實物——甚至生產出可銷售的產品——只需按一下按鈕就行了。 ????自從?19?世紀現代制造業誕生以來，新產品上市的最大障礙就是制造業所謂的中間地帶，它類似于天文學的黑洞，可以耗去數不清的時間和金錢。我們如今生活在數字化時代，從移動電話到汽車發動機的零部件，所有這些耐用品都是利用計算機輔助設計（CAD）生產出來的。但是，除了少數簡單的金屬物品外，大多數這類設計圖樣都還無法直接輸入數控機器如計算機數字控制（CNC）的機床里，將它們即時變成三維實物。? ????大多數金屬和塑料產品和零部件根本不是用機器制作的，而是數以千件鑄造和沖壓而成的。在開始制作耗資巨大的工具即模具之前，制造業公司先要用黏土、木頭、塑料或其他材料制造出手工模型。然后在設計小組、營銷人員、甚至由客戶組成的專家組之間征求意見，找出不足之處。有些模型，如發動機零部件還必須要有足夠的硬度以便進行上機測試。圖樣設計確定下來之后，制造商開始制作模具。模具的制作過程非常繁瑣，簡直就像古埃及人和中國人制造首飾和武器用的蠟模具的制作過程一樣。? ????這個中間地帶可以耗去好幾年時間。但是，一項猶如電影《太空旅程》中宇宙飛船翹曲飛行驅動器一樣的制造技術剛剛問世，使制造業跨越這個黑洞。請看照片上兩個青年企業家展示的盤狀污染濾清器。這些濾清器是一臺機器根據計算機輔助設計的圖樣直接用陶瓷制作的。這種機器采用類似于電腦打印機的噴墨方式，但它使用的不是墨，它把粘著劑噴涂在每層瓷粉之間制作出各種各樣的形狀。這樣，既不用手工制作模型，又省去了速度慢且開支大的模具制作過程。再見吧，古埃及人和中國人！? ????在此之前根本不可能? ????這個由麻省富蘭克林的特種模型公司（Specific?Surface）生產的濾清器還有一個很獨特的方面。它們的內部結構是分層的。如果用傳統的方法，例如用模具鑄造或用機器制作，根本不可能實現這種復雜的結構。這些濾清器的內部面積是老式濾清器的八倍，另一種專門為電廠設計的濾清器，過濾火電廠煙囪粉塵的效率要比老式產品高出十倍。第一批這類濾清器不久將在南方公司（Southern?Co.?）靠近阿拉斯加州伯明翰的兩家工廠投入使用。? ????由于這種濾清器的制作工藝省去了從計算機輔助設計圖樣到生產之間的所有工序，它們已成為一種發展迅速的新技術的典范，這就是即時模型技術（Rapid?Prototyping,?簡稱?RP?）。據科羅拉多州柯林斯堡一家研究公司沃勒斯合伙公司（Wohlers?Associates）的負責人、即時模型專家特里?沃勒斯（Terry?Wohlers）估計，即時模型設備和相關服務項目的銷售額在?1997?年猛增?43%，達到?6.15?億美元。? ????就像袋鼠在育子袋里還有一只幼小的袋鼠一樣，即時模型技術里還包含著一項較小但卻激動人心的新技術，這就是有望成為市場增長新動力的快速制造技術。即時模型設備有更廣泛的應用，它不僅能制造出模型，而且還能制造出像濾清器這樣的可以直接銷售的成品。從另一個角度看待這種正在蓬勃發展的快速制造技術：即時模型設備能在極短的時間內制造出模具，是投入批量生產的一條捷徑。? ????即時模型技術的主要作用就是迅速制作出所要求的產品和零部件的模型，這為制造企業節省了成百上千萬美元。大大小小的公司，從底特律的汽車制造廠到小型的設計店，都已成為即時模型設備的熱情用戶。這種即時模型設備的價格從五萬美元到?50?萬美元不等。對這種模型快速制作機最著迷的要數底特律的克萊斯勒汽車公司即時模型實驗室負責人托馬斯?索羅韋茨（Thomas?Sorovets）。為了消除制造業在產品設計階段的黑洞，在他的實驗室里，有十臺即時模型設備在無人看管的情況下連續運行。這些設備一年生產出?3,000?個各式各樣的模型，包括儀表板、變速器和汽車發動機上面的通風管。用透明塑料制造一個外形像章魚的通風管只需要四至八天。如果用彎曲和焊接鋼管的老方法則需要長達三個月的時間。? ????3M?公司不僅用即時模型技術制作產品模型，也用來制造本公司生產所用的機器的零部件。他們制作的模型種類從防毒面具到磁帶長度計量儀，種類繁多。3M公司在圣保羅的即時模型中心的一位高級工程師瑪吉?哈特菲爾（Marge?Hartfel）說：“3M?公司投資的每一個項目幾乎都采用了即時模型技術。”使用即時模型技術，僅僅一個項目就可以節省幾十萬美元甚至上百萬美元，這在?3M?公司和其他公司都已成為司空見慣的事了。? ????模型制作設備運用各種方法把計算機輔助設計的圖樣變成實物。雖然如此，但所有這些技術都有一些相通之處。計算機以塑料、淀粉、陶瓷、金屬粉或者紙為材料，按計算機輔助設計的圖像加工成三維實物的層面。大多數即時模型設備用激光來確定每層的外形。? ????人們不滿足于現狀往往會成為發明創造的動力。對于只有十多年歷史的即時模型行業來說也是如此。今年?58?歲的查爾斯?赫爾（Charles?W.?Hull）是這個行業的鼻祖。1986?年他幫助在加利福尼亞州瓦倫西亞創建了從事即時模型業的?3D?系統公司（3D?Systems?），目前仍擔任這家公司的副董事長兼首席技術官。當時，作為一名工程師，他時時為要耗費很長時間來制作塑料模型的模具而煩惱。他回憶說，當時完全是用手工方式來制作模型。如果這種模型不只需要一個──在制造工業，這是很常見的──那就得用機器逐個地加工出制造塑料模型的模具。? ????他的過去在工作中的嘗試為建立一個改善的工藝流程奠定了牢固的基礎。赫爾過去一直在一家小公司里工作，那家小公司用紫外線燈來加固涂在玻璃或其他物品上的塑料感光層。他提出的設想之一就是用激光來代替紫外線燈。赫爾回憶說：“但是，把這種設想變成一種實用的機器要經歷一個緩慢的過程，”需要做幾年愛迪生式的探索。? ????研究的結果是?3D?系統公司在?1987?年生產出了第一臺模型制作機。這種機器只需幾個小時至多幾天時間，就可以把計算機輔助設計的圖樣制作成小型的透明塑料部件。它制作出來的模具是分層次的，從底層開始一層層地來制作。激光從上而下對一個裝滿感光樹脂的容器照射，其作用就是在照射到這種樹脂表面時促使液體樹脂的分子熔化。激光先在樹脂表面畫出每一層的輪廓。然后，就像一位藝術家在素描時使用層次變化的技法一樣，激光束對已被選中的區域再進一步交叉照射以使其固化。下一步，把放著支撐模具的升降臺降下來，以便使這一層完全浸沒在液體樹脂里。激光再接著去對另一層進行加固工作，以此類推。這種半透明的實物在制作完成后從容器中拿出來時，簡直就像剛剛從大海里顯現出來的美人魚，晶瑩欲滴。? ????赫爾把這項工藝稱為立體印刷術，而且這種技術目前在即時模型技術中仍占主導地位。這種樹脂無論是過去還是現在都非常昂貴。丙烯酸樹脂和感光液體混合物價格很高，一加侖達?750?美元。但是，由于工業界對模型有著巨大的需求，而目前能夠用手工制作這種模型的高薪藝人越來越少，并且對于市場來說時間就是金錢，因此，設計商都樂于不惜任何代價購買第一批即時模型設備。3D?系統公司已經發展成為年利潤達?8,000?萬美元的上市公司，目前仍在該領域處于遙遙領先的地位。? ????象瘋狂的冰上舞蹈運動員? ????時隔不久，其他發明者也紛紛加入這個行列。一位移民美國的俄羅斯工程師邁克爾?費伊金（Michael?Feygin）提出了用廉價的紙條制作模型的設想。他所在的公司，即位于加利福尼亞州托蘭斯的赫利西斯公司（Helisys），通過一種被稱為層壓物品制作的工序生產出了更加堅硬的實物。一束藍色的二氧化碳激光通過燃燒來畫出每一層的輪廓。激光的移動方式就像一個瘋狂的冰上舞蹈運動員那樣，劃出時而筆直，時而彎曲的線條。層與層之間再用粘著劑粘起來。赫利西斯公司既生產汽車方向盤和保險杠的模型，也生產其他形狀的模型。所有這些模型的手感都好像是摸著木頭一樣。赫利西斯公司目前已成為一家年收入達?1,200?萬美元的上市公司。? ????與此同時，由于即時模型技術還沒有能力用陶瓷和金屬來制作模型，就更不用說制作模具和產品零部件了，對此，伊曼紐爾?薩克斯（Emanuel?Sachs）率領的一批麻省理工學院的發明者感到極為不滿。薩克斯是一位機械工程學教授，他身材瘦小，為人謙遜。早期的即時模型設備雖然也可以制作金屬模型，但其工序非常繁雜。先給塑料模型“賦予”，或者說裹上一層抗熱材料如陶瓷。然后再把模型“獻祭”或者說熔化，就像古埃及人將一個蠟模型熔化在一個模具內，以便用銅來鑄造。這樣就生產出了一個可以制作金屬或塑料模型的模具了。? ????薩克斯問，為什么不能跳過這個階段，直接把計算機輔助設計的圖樣變成堅硬的零部件呢？他和他領導的由?30?人組成的麻省理工學院研究小組如今已經成為即時模型一個領域的領先者。這種技術和電腦打印機通過噴頭噴墨來打印文件的原理完全相同。所不同的是，采用麻省理工學院這項專利的即時模型設備噴出的不是墨，而是向用滾筒攤平的一層層鋼粉、陶瓷粉或甚至淀粉上面噴粘著劑。? ????根據薩克斯的這種設想生產出來的、被稱為?3D?打印機的模型制作機，按照即時模型的標準，價格相當便宜，是這個標準價格范圍的最低限，即五萬美元。這種體積較大的?3D?打印機如今終于實現了薩克斯的目標，即根據計算機輔助設計的圖樣直接生產出商業上可用的金屬物品和模具。位于加利福尼亞州北里奇的索利根公司（Soligen）獲麻省理工學院授權生產出了噴墨機。這是一家由移居美國的以色列工程師耶霍拉姆?于齊耶爾（Yehoram?Uziel）于?1992?年創建的公司，75?頁圖片所示陶瓷濾清器是?Specific?Surface?公司用這種機器生產出來的。在這種機器上，?Soligen?公司還根據計算機輔助設計圖樣制作陶瓷模具。這些模具可用來鑄造硬度達到商業產品標準的汽車金屬零件，也可用來進行測試和少量生產。? ????最需要的是可長期使用的模具? ????索利根公司的工藝仍有其局限性。它制作的陶瓷模具是一個整塊，只能一次性使用，因為要取出零件來就必須把模具毀掉。但是，該公司能按照所要求的速度迅速制作出大量的模具來。即時模型技術的許多用戶都急于把這項技術再向前推進一步，希望能夠迅速制作出可以反復大量生產的模具。那樣就可以大幅度縮小制造業的中間地帶，跨越制作經久耐用的模具的傳統工藝。傳統的制作工藝是先通過計算機數字控制機床和其他機器在一塊優質鋼上仔細刻出一個模具，然后再進行手工加工，這個過程可能需要幾個月時間。? ????能迅速制作出來并可重復使用的模具已經開始出現，這標志著即時模型技術在快速制造業領域里立足已穩。田納西州馬里維爾的拉伯梅德辦公用品公司（Rubbermaid）1996?年從辦公用品連鎖店斯塔普爾斯公司（Staples）獲得了一份緊急訂單，訂購一批可垂直放置一疊紙張的小塑料支架。拉伯梅德公司找到了達拉斯的一家即時模型技術服務公司，因為該公司有一臺得克薩斯州奧斯汀?DTM?公司生產的機器。DTM?公司是“快速制造（desk?top?manufacturing）”的縮略語，只有十年的歷史。該公司開發出了一種新的熔結工藝，用激光把松散的塑料顆粒加熱，使其同鋼粉一層層地結合在一起，最終形成堅硬的整體。? ????TDM?公司的機器迅速制作出了一個金屬模具，拉伯梅德公司能用這個模具為斯塔普爾斯公司生產出三萬多個塑料支架，每個支架的價格為三美元。圣迭戈出版的行業通訊《即時模型報告》（Rapid?Prototyping?Report）的編輯杰夫?史密斯－莫里茨（Geoff?Smith-Moritz）說：“這個產品雖然外表看來并不非常起眼，但它畢竟是個先兆。人們在用這種方式制作出越來越多的模具。”? ????純粹從形式上來看，快速制造業將拋棄模具：機器將直接按照計算機輔助設計的圖樣生產出產品來。賓西法尼亞州歐文的模壓搪磨機公司（Extrude?Hone）正準備推出一種根據麻省理工學院的噴墨技術生產出來的機器。這種機器不僅可以生產出金屬模具，還可以生產可以直接銷售的金屬零部件。該公司生產的這種機器用粘劑來加固鋼粉并摻雜銅粉，這樣生產出來的材料是?100%?的金屬。? ????生產出高密度金屬? ????威力強大的新激光束還將打開通向直接制造的大門。在桑迪亞和洛斯阿拉莫斯、密執安大學以及賓西法尼亞州和其他地方的國家實驗室目前都在探索這種新型激光。這些激光發射裝置很快就可以推向市場了。桑迪亞實驗室推出的這種?1,000?瓦釹?YAG（釔－鋁－鎵）激光可以熔化一層層的粉末狀材料，如不銹鋼和工具鋼、磁合金、以鎳為主的超級合金、鈦和鎢，制造出最終的零部件。這種加工工藝很慢，要制造出一個一立方英寸的物品需要三個小時。但是，這種零部件和傳統方法生產出來的零部件在金屬密度上完全一樣。? ????桑迪亞實驗室副總裁羅伯特?伊根（Robert?J.?Eagan）說，該實驗室的研究員們希望用這種工序來生產軍隊儲備的核武器的零配件。商業界的興趣也非常大。聯信公司（AlliedSignal）和洛克希德－馬丁公司（Lockheed?Martin）等十家公司參與了這個項目的開發。另外二十家公司支持賓西法尼亞州國家實驗室的研究。而該實驗室的目標就是要把大件物品如坦克旋轉槍架和飛機部件等制作成一個零部件。? ????一些專家預言，未來的制造業將不再是現在這樣充滿著噪音的高溫環境。他們預測，用激光束制造零部件，用?3D?打印機制作出計算機數字控制機器無法做到的復雜的形狀，用沒有噪音的制作陶瓷零件的機器取代傳統工廠里的噪音污染，而不是像現在這樣用模具和機床。未來工廠生產的許多產品在設計過程中可以充分利用快速制造技術。裝有藥劑的體內移植式藥物釋放裝置可以一次完成制造，因為?3D?打印機能夠噴鑄出三明治式的產品。? ????制造業的領先者們對如此前景激動不已。3M?公司的瑪吉?哈特菲爾說：“到那時，我們的軍艦就不用帶一大批零配件了，只要帶上一張裝著這些零配件數字化圖象的三寸軟盤、一袋金屬粉和一臺快速制造設備就夠了。”SRI?國際公司技術評估部主任布羅克?欣茨曼（Brock?Hinzmann）說：“兩三年之內，每一個人都會大談特談快速制造。”同時，快速模型制造工藝也將會成為工業界人士熱烈討論的話題。 ????譯者：溫新年 相關稿件
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