令人惊叹的工业即时模型

自从 19 世纪现代制造业诞生以来，新产品上市的最大障碍就是制造业所谓的中间地带，它类似于天文学的黑洞，可以耗去数不清的时间和金钱。我们如今生活在数字化时代，从移动电话到汽车发动机的零部件，所有这些耐用品都是利用计算机辅助设计（CAD）生产出来的。但是，除了少数简单的金属物品外，大多数这类设计图样都还无法直接输入数控机器如计算机数字控制（CNC）的机床里，将它们即时变成三维实物。

大多数金属和塑料产品和零部件根本不是用机器制作的，而是数以千件铸造和冲压而成的。在开始制作耗资巨大的工具即模具之前，制造业公司先要用黏土、木头、塑料或其他材料制造出手工模型。然后在设计小组、营销人员、甚至由客户组成的专家组之间征求意见，找出不足之处。有些模型，如发动机零部件还必须要有足够的硬度以便进行上机测试。图样设计确定下来之后，制造商开始制作模具。模具的制作过程非常繁琐，简直就像古埃及人和中国人制造首饰和武器用的蜡模具的制作过程一样。

这个中间地带可以耗去好几年时间。但是，一项犹如电影《太空旅程》中宇宙飞船翘曲飞行驱动器一样的制造技术刚刚问世，使制造业跨越这个黑洞。请看照片上两个青年企业家展示的盘状污染滤清器。这些滤清器是一台机器根据计算机辅助设计的图样直接用陶瓷制作的。这种机器采用类似于电脑打印机的喷墨方式，但它使用的不是墨，它把粘着剂喷涂在每层瓷粉之间制作出各种各样的形状。这样，既不用手工制作模型，又省去了速度慢且开支大的模具制作过程。再见吧，古埃及人和中国人！

在此之前根本不可能

这个由麻省富兰克林的特种模型公司（Specific Surface）生产的滤清器还有一个很独特的方面。它们的内部结构是分层的。如果用传统的方法，例如用模具铸造或用机器制作，根本不可能实现这种复杂的结构。这些滤清器的内部面积是老式滤清器的八倍，另一种专门为电厂设计的滤清器，过滤火电厂烟囱粉尘的效率要比老式产品高出十倍。第一批这类滤清器不久将在南方公司（Southern Co. ）靠近阿拉斯加州伯明翰的两家工厂投入使用。

由于这种滤清器的制作工艺省去了从计算机辅助设计图样到生产之间的所有工序，它们已成为一种发展迅速的新技术的典范，这就是即时模型技术（Rapid Prototyping, 简称 RP ）。据科罗拉多州柯林斯堡一家研究公司沃勒斯合伙公司（Wohlers Associates）的负责人、即时模型专家特里•沃勒斯（Terry Wohlers）估计，即时模型设备和相关服务项目的销售额在 1997 年猛增 43%，达到 6.15 亿美元。

就像袋鼠在育子袋里还有一只幼小的袋鼠一样，即时模型技术里还包含着一项较小但却激动人心的新技术，这就是有望成为市场增长新动力的快速制造技术。即时模型设备有更广泛的应用，它不仅能制造出模型，而且还能制造出像滤清器这样的可以直接销售的成品。从另一个角度看待这种正在蓬勃发展的快速制造技术：即时模型设备能在极短的时间内制造出模具，是投入批量生产的一条捷径。

即时模型技术的主要作用就是迅速制作出所要求的产品和零部件的模型，这为制造企业节省了成百上千万美元。大大小小的公司，从底特律的汽车制造厂到小型的设计店，都已成为即时模型设备的热情用户。这种即时模型设备的价格从五万美元到 50 万美元不等。对这种模型快速制作机最着迷的要数底特律的克莱斯勒汽车公司即时模型实验室负责人托马斯•索罗韦茨（Thomas Sorovets）。为了消除制造业在产品设计阶段的黑洞，在他的实验室里，有十台即时模型设备在无人看管的情况下连续运行。这些设备一年生产出 3,000 个各式各样的模型，包括仪表板、变速器和汽车发动机上面的通风管。用透明塑料制造一个外形像章鱼的通风管只需要四至八天。如果用弯曲和焊接钢管的老方法则需要长达三个月的时间。

3M 公司不仅用即时模型技术制作产品模型，也用来制造本公司生产所用的机器的零部件。他们制作的模型种类从防毒面具到磁带长度计量仪，种类繁多。3M公司在圣保罗的即时模型中心的一位高级工程师玛吉•哈特菲尔（Marge Hartfel）说：“3M 公司投资的每一个项目几乎都采用了即时模型技术。”使用即时模型技术，仅仅一个项目就可以节省几十万美元甚至上百万美元，这在 3M 公司和其他公司都已成为司空见惯的事了。

模型制作设备运用各种方法把计算机辅助设计的图样变成实物。虽然如此，但所有这些技术都有一些相通之处。计算机以塑料、淀粉、陶瓷、金属粉或者纸为材料，按计算机辅助设计的图像加工成三维实物的层面。大多数即时模型设备用激光来确定每层的外形。

人们不满足于现状往往会成为发明创造的动力。对于只有十多年历史的即时模型行业来说也是如此。今年 58 岁的查尔斯•赫尔（Charles W. Hull）是这个行业的鼻祖。1986 年他帮助在加利福尼亚州瓦伦西亚创建了从事即时模型业的 3D 系统公司（3D Systems ），目前仍担任这家公司的副董事长兼首席技术官。当时，作为一名工程师，他时时为要耗费很长时间来制作塑料模型的模具而烦恼。他回忆说，当时完全是用手工方式来制作模型。如果这种模型不只需要一个──在制造工业，这是很常见的──那就得用机器逐个地加工出制造塑料模型的模具。

他的过去在工作中的尝试为建立一个改善的工艺流程奠定了牢固的基础。赫尔过去一直在一家小公司里工作，那家小公司用紫外线灯来加固涂在玻璃或其他物品上的塑料感光层。他提出的设想之一就是用激光来代替紫外线灯。赫尔回忆说：“但是，把这种设想变成一种实用的机器要经历一个缓慢的过程，”需要做几年爱迪生式的探索。

研究的结果是 3D 系统公司在 1987 年生产出了第一台模型制作机。这种机器只需几个小时至多几天时间，就可以把计算机辅助设计的图样制作成小型的透明塑料部件。它制作出来的模具是分层次的，从底层开始一层层地来制作。激光从上而下对一个装满感光树脂的容器照射，其作用就是在照射到这种树脂表面时促使液体树脂的分子熔化。激光先在树脂表面画出每一层的轮廓。然后，就像一位艺术家在素描时使用层次变化的技法一样，激光束对已被选中的区域再进一步交叉照射以使其固化。下一步，把放着支撑模具的升降台降下来，以便使这一层完全浸没在液体树脂里。激光再接着去对另一层进行加固工作，以此类推。这种半透明的实物在制作完成后从容器中拿出来时，简直就像刚刚从大海里显现出来的美人鱼，晶莹欲滴。

赫尔把这项工艺称为立体印刷术，而且这种技术目前在即时模型技术中仍占主导地位。这种树脂无论是过去还是现在都非常昂贵。丙烯酸树脂和感光液体混合物价格很高，一加仑达 750 美元。但是，由于工业界对模型有着巨大的需求，而目前能够用手工制作这种模型的高薪艺人越来越少，并且对于市场来说时间就是金钱，因此，设计商都乐于不惜任何代价购买第一批即时模型设备。3D 系统公司已经发展成为年利润达 8,000 万美元的上市公司，目前仍在该领域处于遥遥领先的地位。

象疯狂的冰上舞蹈运动员

时隔不久，其他发明者也纷纷加入这个行列。一位移民美国的俄罗斯工程师迈克尔•费伊金（Michael Feygin）提出了用廉价的纸条制作模型的设想。他所在的公司，即位于加利福尼亚州托兰斯的赫利西斯公司（Helisys），通过一种被称为层压物品制作的工序生产出了更加坚硬的实物。一束蓝色的二氧化碳激光通过燃烧来画出每一层的轮廓。激光的移动方式就像一个疯狂的冰上舞蹈运动员那样，划出时而笔直，时而弯曲的线条。层与层之间再用粘着剂粘起来。赫利西斯公司既生产汽车方向盘和保险杠的模型，也生产其他形状的模型。所有这些模型的手感都好像是摸着木头一样。赫利西斯公司目前已成为一家年收入达 1,200 万美元的上市公司。

与此同时，由于即时模型技术还没有能力用陶瓷和金属来制作模型，就更不用说制作模具和产品零部件了，对此，伊曼纽尔•萨克斯（Emanuel Sachs）率领的一批麻省理工学院的发明者感到极为不满。萨克斯是一位机械工程学教授，他身材瘦小，为人谦逊。早期的即时模型设备虽然也可以制作金属模型，但其工序非常繁杂。先给塑料模型“赋予”，或者说裹上一层抗热材料如陶瓷。然后再把模型“献祭”或者说熔化，就像古埃及人将一个蜡模型熔化在一个模具内，以便用铜来铸造。这样就生产出了一个可以制作金属或塑料模型的模具了。

萨克斯问，为什么不能跳过这个阶段，直接把计算机辅助设计的图样变成坚硬的零部件呢？他和他领导的由 30 人组成的麻省理工学院研究小组如今已经成为即时模型一个领域的领先者。这种技术和电脑打印机通过喷头喷墨来打印文件的原理完全相同。所不同的是，采用麻省理工学院这项专利的即时模型设备喷出的不是墨，而是向用滚筒摊平的一层层钢粉、陶瓷粉或甚至淀粉上面喷粘着剂。

根据萨克斯的这种设想生产出来的、被称为 3D 打印机的模型制作机，按照即时模型的标准，价格相当便宜，是这个标准价格范围的最低限，即五万美元。这种体积较大的 3D 打印机如今终于实现了萨克斯的目标，即根据计算机辅助设计的图样直接生产出商业上可用的金属物品和模具。位于加利福尼亚州北里奇的索利根公司（Soligen）获麻省理工学院授权生产出了喷墨机。这是一家由移居美国的以色列工程师耶霍拉姆•于齐耶尔（Yehoram Uziel）于 1992 年创建的公司，75 页图片所示陶瓷滤清器是 Specific Surface 公司用这种机器生产出来的。在这种机器上， Soligen 公司还根据计算机辅助设计图样制作陶瓷模具。这些模具可用来铸造硬度达到商业产品标准的汽车金属零件，也可用来进行测试和少量生产。

最需要的是可长期使用的模具

索利根公司的工艺仍有其局限性。它制作的陶瓷模具是一个整块，只能一次性使用，因为要取出零件来就必须把模具毁掉。但是，该公司能按照所要求的速度迅速制作出大量的模具来。即时模型技术的许多用户都急于把这项技术再向前推进一步，希望能够迅速制作出可以反复大量生产的模具。那样就可以大幅度缩小制造业的中间地带，跨越制作经久耐用的模具的传统工艺。传统的制作工艺是先通过计算机数字控制机床和其他机器在一块优质钢上仔细刻出一个模具，然后再进行手工加工，这个过程可能需要几个月时间。

能迅速制作出来并可重复使用的模具已经开始出现，这标志着即时模型技术在快速制造业领域里立足已稳。田纳西州马里维尔的拉伯梅德办公用品公司（Rubbermaid）1996 年从办公用品连锁店斯塔普尔斯公司（Staples）获得了一份紧急订单，订购一批可垂直放置一叠纸张的小塑料支架。拉伯梅德公司找到了达拉斯的一家即时模型技术服务公司，因为该公司有一台得克萨斯州奥斯汀 DTM 公司生产的机器。DTM 公司是“快速制造（desk top manufacturing）”的缩略语，只有十年的历史。该公司开发出了一种新的熔结工艺，用激光把松散的塑料颗粒加热，使其同钢粉一层层地结合在一起，最终形成坚硬的整体。

TDM 公司的机器迅速制作出了一个金属模具，拉伯梅德公司能用这个模具为斯塔普尔斯公司生产出三万多个塑料支架，每个支架的价格为三美元。圣迭戈出版的行业通讯《即时模型报告》（Rapid Prototyping Report）的编辑杰夫•史密斯－莫里茨（Geoff Smith-Moritz）说：“这个产品虽然外表看来并不非常起眼，但它毕竟是个先兆。人们在用这种方式制作出越来越多的模具。”

纯粹从形式上来看，快速制造业将抛弃模具：机器将直接按照计算机辅助设计的图样生产出产品来。宾西法尼亚州欧文的模压搪磨机公司（Extrude Hone）正准备推出一种根据麻省理工学院的喷墨技术生产出来的机器。这种机器不仅可以生产出金属模具，还可以生产可以直接销售的金属零部件。该公司生产的这种机器用粘剂来加固钢粉并掺杂铜粉，这样生产出来的材料是 100% 的金属。

生产出高密度金属

威力强大的新激光束还将打开通向直接制造的大门。在桑迪亚和洛斯阿拉莫斯、密执安大学以及宾西法尼亚州和其他地方的国家实验室目前都在探索这种新型激光。这些激光发射装置很快就可以推向市场了。桑迪亚实验室推出的这种 1,000 瓦钕 YAG（钇－铝－镓）激光可以熔化一层层的粉末状材料，如不锈钢和工具钢、磁合金、以镍为主的超级合金、钛和钨，制造出最终的零部件。这种加工工艺很慢，要制造出一个一立方英寸的物品需要三个小时。但是，这种零部件和传统方法生产出来的零部件在金属密度上完全一样。

桑迪亚实验室副总裁罗伯特•伊根（Robert J. Eagan）说，该实验室的研究员们希望用这种工序来生产军队储备的核武器的零配件。商业界的兴趣也非常大。联信公司（AlliedSignal）和洛克希德－马丁公司（Lockheed Martin）等十家公司参与了这个项目的开发。另外二十家公司支持宾西法尼亚州国家实验室的研究。而该实验室的目标就是要把大件物品如坦克旋转枪架和飞机部件等制作成一个零部件。

一些专家预言，未来的制造业将不再是现在这样充满着噪音的高温环境。他们预测，用激光束制造零部件，用 3D 打印机制作出计算机数字控制机器无法做到的复杂的形状，用没有噪音的制作陶瓷零件的机器取代传统工厂里的噪音污染，而不是像现在这样用模具和机床。未来工厂生产的许多产品在设计过程中可以充分利用快速制造技术。装有药剂的体内移植式药物释放装置可以一次完成制造，因为 3D 打印机能够喷铸出三明治式的产品。

制造业的领先者们对如此前景激动不已。3M 公司的玛吉•哈特菲尔说：“到那时，我们的军舰就不用带一大批零配件了，只要带上一张装着这些零配件数字化图象的三寸软盘、一袋金属粉和一台快速制造设备就够了。”SRI 国际公司技术评估部主任布罗克•欣茨曼（Brock Hinzmann）说：“两三年之内，每一个人都会大谈特谈快速制造。”同时，快速模型制造工艺也将会成为工业界人士热烈讨论的话题。

译者：温新年