普遍稱為3D打印的增材(cai)制造(Additive manufacturing)已(yi)經成為新一(yi)輪工業革(ge)命的旗幟。它明顯不同于以(yi)往,專業人士(shi)和愛好者都(dou)可用上,而且帶(dai)有(you)《星際(ji)迷(mi)航(hang)》(Star Trek)那(nei)樣的高(gao)科技性(xing)感色彩。一(yi)層(ceng)一(yi)層(ceng)地(di)(di),就像是無中生有(you)一(yi)樣,一(yi)件東西就那(nei)么神跡般地(di)(di)做出(chu)來了(le)。還(huan)記得(de)星際(ji)飛船“進取(qu)號”(Enterprise)上面的那(nei)臺(tai)復制器嗎?
但增材(cai)制(zhi)(zhi)造(zao)(zao)不(bu)過是(shi)未來(lai)幾(ji)年有望給很多東西的(de)(de)制(zhi)(zhi)造(zao)(zao)方式帶來(lai)重大變革的(de)(de)一(yi)系列新興(xing)技(ji)術之(zhi)一(yi)。甚(shen)至(zhi)增材(cai)制(zhi)(zhi)造(zao)(zao)也非僅限于(yu)3D打(da)印。一(yi)項剛剛嶄露頭角的(de)(de)工藝名叫“冷噴(pen)涂”,就是(shi)通(tong)過噴(pen)嘴噴(pen)射(she)金(jin)(jin)屬(shu)顆粒,由于(yu)速度很高,這些顆粒會相互(hu)結合、組成形狀。通(tong)過精確控制(zhi)(zhi)噴(pen)嘴,機(ji)器操作員就可以(yi)像利(li)用3D打(da)印機(ji)打(da)印一(yi)樣制(zhi)(zhi)造(zao)(zao)出(chu)(chu)齒輪之(zhi)類(lei)的(de)(de)三(san)維金(jin)(jin)屬(shu)物體(ti)(ti)。物體(ti)(ti)就像是(shi)通(tong)過噴(pen)繪畫出(chu)(chu)來(lai)的(de)(de)一(yi)樣,哪怕(pa)是(shi)用鈦之(zhi)類(lei)的(de)(de)不(bu)常見(jian)金(jin)(jin)屬(shu),也都是(shi)可以(yi)完成的(de)(de)。
除此以外還有什么(me)呢?奧巴馬總統發起成立的(de)先進制造(zao)業(ye)合作委員會(Advanced Manufacturing Partnership)對未來做了一下(xia)展望。該組織劃出了11個技術領域(yu),認為這些(xie)領域(yu)將(jiang)對制造(zao)業(ye)競爭力的(de)決(jue)定起到關鍵作用,應當成為全國研發行動(dong)的(de)重(zhong)點。
這里簡單介紹一下該委(wei)員會強(qiang)調的一部分內容:
傳感、測量和過程控制:幾乎所有先進制(zhi)造技(ji)術都(dou)有一(yi)個共通的(de)(de)(de)(de)東西(xi):它(ta)們都(dou)由處理(li)巨量數(shu)據(ju)的(de)(de)(de)(de)電(dian)腦驅動。正因(yin)如(ru)(ru)此,那(nei)些(xie)捕(bu)捉并記錄數(shu)據(ju)的(de)(de)(de)(de)東西(xi)才如(ru)(ru)此重要(yao),如(ru)(ru)監測濕度(du)的(de)(de)(de)(de)傳(chuan)感器(qi)(qi)、確定(ding)位(wei)置的(de)(de)(de)(de)GPS跟蹤器(qi)(qi)、測量材料厚度(du)的(de)(de)(de)(de)卡尺等。這(zhe)些(xie)設備不僅越(yue)(yue)來越(yue)(yue)多地用(yong)于(yu)智能(neng)手(shou)機的(de)(de)(de)(de)智能(neng)化(hua),還使得智能(neng)、靈(ling)活、可(ke)(ke)靠(kao)、高(gao)效的(de)(de)(de)(de)制(zhi)造技(ji)術成(cheng)為可(ke)(ke)能(neng)。在(zai)一(yi)座現代化(hua)的(de)(de)(de)(de)工(gong)廠里面,傳(chuan)感器(qi)(qi)不僅有助于(yu)引導日益(yi)靈(ling)敏的(de)(de)(de)(de)機器(qi)(qi),還提供管理(li)整個工(gong)廠的(de)(de)(de)(de)運營所需要(yao)的(de)(de)(de)(de)信(xin)息。產品從誕生(sheng)到送(song)(song)(song)達都(dou)可(ke)(ke)以(yi)跟蹤,某些(xie)情況下還可(ke)(ke)以(yi)跟蹤到送(song)(song)(song)達之后。在(zai)這(zhe)個過程中(zhong),一(yi)旦有問題出(chu)現,比(bi)如(ru)(ru)在(zai)噴漆(qi)室的(de)(de)(de)(de)濕度(du)不適宜噴涂的(de)(de)(de)(de)時(shi)候,傳(chuan)感器(qi)(qi)就會偵(zhen)測出(chu)來,向機器(qi)(qi)操作者(zhe)發送(song)(song)(song)警(jing)(jing)報(bao)信(xin)號(hao),甚至是(shi)向工(gong)廠管理(li)者(zhe)的(de)(de)(de)(de)手(shou)機發送(song)(song)(song)警(jing)(jing)報(bao)信(xin)號(hao)。
材料設計、合成與加工:新(xin)(xin)機器將(jiang)需(xu)要(yao)新(xin)(xin)材(cai)料,新(xin)(xin)材(cai)料將(jiang)使新(xin)(xin)式機器的(de)制(zhi)造成(cheng)為(wei)可(ke)(ke)能。隨著將(jiang)材(cai)料細分(fen)到原子(zi)或分(fen)子(zi)層(ceng)(ceng)級、幾(ji)乎不需(xu)要(yao)經過漫長的(de)實驗室步驟就(jiu)可(ke)(ke)以進行操縱的(de)進展出現,涂層(ceng)(ceng)、復合材(cai)料和其他(ta)材(cai)料的(de)開(kai)發正(zheng)在加快。借鑒人類基(ji)因(yin)組計劃(Human Genome Initiative)取得的(de)廣受認可(ke)(ke)的(de)成(cheng)功,能源部(bu)(Department of Energy)等美國政府(fu)機構去年發起(qi)成(cheng)立(li)了材(cai)料基(ji)因(yin)組計劃(Materials Genome Initiative),其目(mu)標(biao)是(shi)將(jiang)確定(ding)新(xin)(xin)材(cai)料、把新(xin)(xin)材(cai)料推(tui)向市場所(suo)需(xu)要(yao)的(de)時(shi)間縮短(duan)一(yi)半。目(mu)前這(zhe)個過程(cheng)可(ke)(ke)能需(xu)要(yao)耗(hao)時(shi)幾(ji)十(shi)年,比如鋰離子(zi)電池技術是(shi)20世紀70年代埃(ai)克森(sen)(Exxon)的(de)一(yi)名(ming)員工首次構想(xiang)出來的(de),但一(yi)直要(yao)到90年代才開(kai)始商(shang)業化。這(zhe)個計劃涉及的(de)部(bu)分(fen)工作(zuo),便是(shi)讓(rang)該領域內散落(luo)在世界(jie)各(ge)處、兩(liang)耳不聞(wen)窗外事的(de)研究人員共(gong)享創(chuang)意和創(chuang)新(xin)(xin)。
數字制造技術:工(gong)程師(shi)(shi)和設計師(shi)(shi)使用(yong)(yong)電腦輔助的(de)建(jian)模工(gong)具已(yi)經有些年頭,不僅(jin)用(yong)(yong)于設計產品,還(huan)以數字方(fang)(fang)式對產品進行檢(jian)(jian)測、修正、改良(liang),常常省略了更費(fei)錢、更費(fei)時的(de)實體檢(jian)(jian)驗過程。云計算(suan)和低成(cheng)本3D掃(sao)描(miao)儀(現在用(yong)(yong)iPhone就(jiu)可以做一次簡單(dan)的(de)3D掃(sao)描(miao))正在將這些方(fang)(fang)法從尖(jian)端實驗室里搬出來,使之進入(ru)主流,讓創業者能(neng)夠用(yong)(yong)上。Autodesk制作了一套免(mian)費(fei)的(de)的(de)全(quan)功能(neng)CAD軟件(jian)(jian)“123 Design”,汽車(che)制造商(shang)一度要用(yong)(yong)大型計算(suan)機才(cai)能(neng)完成(cheng)的(de)事情(qing),個人(ren)拿這套軟件(jian)(jian)就(jiu)可以做了。
可持續制造:其目標即便不好(hao)實(shi)現,理解起來(lai)也還是(shi)(shi)很容(rong)易的,就是(shi)(shi)將每(mei)一丁(ding)點物質、每(mei)一焦耳能量最大化地(di)用到生產當中(zhong),盡可能地(di)減少浪費。高(gao)(gao)能效制造是(shi)(shi)其中(zhong)的一個(ge)重(zhong)點領域(yu)。比如,制造業工(gong)程師常常會說到“無(wu)燈”工(gong)廠(chang)的潛力,這種(zhong)工(gong)廠(chang)在黑暗中(zhong)持續運轉,不需要(yao)加(jia)熱或制冷,因為它們(men)基(ji)本(ben)上(shang)都(dou)是(shi)(shi)由機器人(ren)或其他(ta)機器操作(zuo)。隨著規(gui)模更小(xiao)、高(gao)(gao)度自動化的本(ben)地(di)工(gong)廠(chang)變得(de)更加(jia)普遍,再制造和(he)回收或許會變得(de)更加(jia)重(zhong)要(yao),本(ben)地(di)供(gong)應的材(cai)料也會更受重(zhong)視。
納米制造:一納(na)米等于一米的(de)10億分(fen)之一,所以納(na)米制造(zao)(zao)的(de)意(yi)思就是(shi)能夠在(zai)(zai)分(fen)子(zi)、甚(shen)至原子(zi)層(ceng)面操縱材料(liao)。預(yu)計納(na)米材料(liao)將來(lai)會在(zai)(zai)高(gao)效太陽能電(dian)(dian)池(chi)板(ban)、電(dian)(dian)池(chi)的(de)生產過程中(zhong)發揮作(zuo)用,甚(shen)至會在(zai)(zai)基于生態系統的(de)醫學應用當(dang)中(zhong)發揮作(zuo)用,比如(ru)在(zai)(zai)體(ti)內安置(zhi)傳(chuan)感器,可以告訴醫生癌癥已經消失(shi)。未來(lai)幾(ji)代的(de)電(dian)(dian)子(zi)設備和(he)運算設備或(huo)許也(ye)會非(fei)常依(yi)賴于納(na)米制造(zao)(zao)。
柔性電子制造:比如坐在上面的(de)(de)時(shi)候會(hui)產生彎(wan)曲(qu)的(de)(de)平板電腦,與體溫連線、在你需要(yao)(yao)的(de)(de)時(shi)候提供制冷的(de)(de)衣服(fu)等。這些(xie)柔性技(ji)術已經(jing)在向(xiang)主流進發,預計會(hui)定(ding)義下一(yi)代的(de)(de)消費(fei)設備和運算設備,成(cheng)為未來10年增(zeng)長最快的(de)(de)產品門(men)類之一(yi)。但這需要(yao)(yao)極為先進的(de)(de)制造工藝。
生物制造:該領域利用(yong)生物有機體(ti)或生物有機體(ti)的一部分以人工方式生產產品,如開發藥物和復方藥。(生產奶(nai)酪不算。)但它可(ke)以用(yong)到(dao)很多領域,比如能效的提(ti)高、納米制(zhi)造(zao)新方法的創造(zao)等(deng)。
增材制造:3D打(da)印機(ji)(ji)不(bu)僅有希(xi)望(wang)在產量只有一(yi)(yi)件(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)時候(hou)就能(neng)夠實現很高的(de)(de)(de)(de)(de)質量,還(huan)(huan)有希(xi)望(wang)為全新的(de)(de)(de)(de)(de)設(she)計(ji)、材料(liao)(liao)結(jie)構與材料(liao)(liao)組合創造條(tiao)件(jian)。能(neng)夠打(da)印1,000多種材料(liao)(liao)(硬塑(su)(su)料(liao)(liao)、軟塑(su)(su)料(liao)(liao)、陶瓷和(he)金屬等(deng))的(de)(de)(de)(de)(de)打(da)印機(ji)(ji)已經開發出來。一(yi)(yi)家德(de)國(guo)制造商開發了一(yi)(yi)套一(yi)(yi)層層地堆(dui)積木漿的(de)(de)(de)(de)(de)工藝, 地亞哥一(yi)(yi)家名(ming)叫Organovo的(de)(de)(de)(de)(de)公司正在通過3D打(da)印打(da)印實驗用(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)人體組織(zhi)。現在有些打(da)印機(ji)(ji)可(ke)以疊加不(bu)止一(yi)(yi)種材料(liao)(liao),還(huan)(huan)可(ke)以將內置傳感(gan)(gan)器(qi)和(he)電路(lu)編織(zhi)到智能(neng)部件(jian)中,如(ru)助聽器(qi)或動(dong)作(zuo)感(gan)(gan)應手套等(deng)。市場上甚至還(huan)(huan)有一(yi)(yi)種名(ming)叫“復(fu)制機(ji)(ji)”(Replicator)的(de)(de)(de)(de)(de)東西,它是英(ying)國(guo)公司Cybaman Technologies開發的(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)(yi)套系統,先是堆(dui)出基本形狀,然后用(yong)機(ji)(ji)器(qi)將粗(cu)糙的(de)(de)(de)(de)(de)物體打(da)磨成精確、光鮮的(de)(de)(de)(de)(de)成品。
工業機器人:工(gong)業(ye)機(ji)(ji)器(qi)人(ren)(ren)(ren)可以(yi)每天(tian)24小時(shi)、每周七天(tian)地運轉,精(jing)(jing)度可重(zhong)復且越(yue)來(lai)(lai)越(yue)高,時(shi)間上可以(yi)精(jing)(jing)確(que)到幾百分之一秒,空(kong)間上可以(yi)精(jing)(jing)確(que)到人(ren)(ren)(ren)眼都看不(bu)到的(de)程度。它(ta)們精(jing)(jing)確(que)地匯報進展,在接受(shou)效率測試的(de)時(shi)候做出改進,如(ru)(ru)果安(an)裝(zhuang)了先進的(de)傳(chuan)感系(xi)統,還會變(bian)得(de)更加(jia)靈巧。(它(ta)們也很少發(fa)牢騷。)隨(sui)著機(ji)(ji)器(qi)人(ren)(ren)(ren)變(bian)得(de)越(yue)來(lai)(lai)越(yue)普遍,它(ta)們的(de)經濟(ji)性也在提高:據麥肯(ken)錫(xi)全(quan)球研(yan)究院(yuan)(McKinsey Global Institute)的(de)一份報告,1990年以(yi)來(lai)(lai)與人(ren)(ren)(ren)工(gong)相比的(de)機(ji)(ji)器(qi)人(ren)(ren)(ren)相關(guan)成(cheng)本(ben)已經下降高達50%。另外,隨(sui)著生物(wu)技(ji)術和(he)納米技(ji)術的(de)進步(bu),預計(ji)機(ji)(ji)器(qi)人(ren)(ren)(ren)能(neng)夠做的(de)事情將(jiang)越(yue)來(lai)(lai)越(yue)精(jing)(jing)巧,如(ru)(ru)藥品加(jia)工(gong)、培植完整人(ren)(ren)(ren)體器(qi)官等。
先進成形與連接技術:當前大部分機(ji)器制造工(gong)藝基本上還是依(yi)靠(kao)傳統(tong)技(ji)(ji)(ji)術(shu)、特別是針對金屬的(de)(de)技(ji)(ji)(ji)術(shu),如(ru)鑄型、鍛造、加工(gong)和焊(han)接等(deng)。但專家認為(wei),這個領域的(de)(de)創新(xin)時(shi)機(ji)已(yi)經(jing)成(cheng)(cheng)熟,可以用(yong)新(xin)的(de)(de)方法來連接更多(duo)種類(lei)的(de)(de)材料,同時(shi)提高能源(yuan)和資源(yuan)效率。比(bi)如(ru)冷成(cheng)(cheng)型技(ji)(ji)(ji)術(shu)就(jiu)有可能作為(wei)一項修復技(ji)(ji)(ji)術(shu)或先進焊(han)接技(ji)(ji)(ji)術(shu)而發揮重(zhong)大作用(yong)。