先進制造技術的幾大看點

來源:華爾街日報/JOHN KOTEN
日期:2013/09/23 07:24 

普遍稱為3D打印的增材制造(Additive manufacturing)已經成為新一輪工業革命的旗幟。它明顯不同於以往，專業人士和愛好者都可用上，而且帶有《星際迷航》(Star Trek)那樣的高科技性感色彩。一層一層地，就像是無中生有一樣，一件東西就那麼神跡般地做出來了。還記得星際飛船“進取號”(Enterprise)上面的那台復制器嗎？

但增材制造不過是未來幾年有望給很多東西的制造方式帶來重大變革的一系列新興技術之一。甚至增材制造也非僅限於3D打印。一項剛剛嶄露頭角的工藝名叫“冷噴塗”，就是通過噴嘴噴射金屬顆粒，由於速度很高，這些顆粒會相互結合、組成形狀。通過精確控制噴嘴，機器操作員就可以像利用3D打印機打印一樣制造出齒輪之類的三維金屬物體。物體就像是通過噴繪畫出來的一樣，哪怕是用鈦之類的不常見金屬，也都是可以完成的。



除此以外還有什麼呢？奧巴馬總統發起成立的先進制造業合作委員會(Advanced Manufacturing Partnership)對未來做了一下展望。該組織劃出了11個技術領域，認為這些領域將對制造業競爭力的決定起到關鍵作用，應當成為全國研發行動的重點。

這裡簡單介紹一下該委員會強調的一部分內容：

傳感、測量和過程控制：幾乎所有先進制造技術都有一個共通的東西：它們都由處理巨量數據的電腦驅動。正因如此，那些捕捉並記錄數據的東西才如此重要，如監測濕度的傳感器、確定位置的GPS跟蹤器、測量材料厚度的卡尺等。這些設備不僅越來越多地用於智能手機的智能化，還使得智能、靈活、可靠、高效的制造技術成為可能。在一座現代化的工廠裡面，傳感器不僅有助於引導日益靈敏的機器，還提供管理整個工廠的運營所需要的信息。產品從誕生到送達都可以跟蹤，某些情況下還可以跟蹤到送達之後。在這個過程中，一旦有問題出現，比如在噴漆室的濕度不適宜噴塗的時候，傳感器就會偵測出來，向機器操作者發送警報信號，甚至是向工廠管理者的手機發送警報信號。

材料設計、合成與加工：新機器將需要新材料，新材料將使新式機器的制造成為可能。隨著將材料細分到原子或分子層級、幾乎不需要經過漫長的實驗室步驟就可以進行操縱的進展出現，塗層、復合材料和其他材料的開發正在加快。借鑒人類基因組計劃(Human Genome Initiative)取得的廣受認可的成功，能源部(Department of Energy)等美國政府機構去年發起成立了材料基因組計劃(Materials Genome Initiative)，其目標是將確定新材料、把新材料推向市場所需要的時間縮短一半。目前這個過程可能需要耗時幾十年，比如鋰離子電池技術是20世紀70年代埃克森(Exxon)的一名員工首次構想出來的，但一直要到90年代才開始商業化。這個計劃涉及的部分工作，便是讓該領域內散落在世界各處、兩耳不聞窗外事的研究人員共享創意和創新。

數字制造技術：工程師和設計師使用電腦輔助的建模工具已經有些年頭，不僅用於設計產品，還以數字方式對產品進行檢測、修正、改良，常常省略了更費錢、更費時的實體檢驗過程。雲計算和低成本3D掃描儀（現在用iPhone就可以做一次簡單的3D掃描）正在將這些方法從尖端實驗室裡搬出來，使之進入主流，讓創業者能夠用上。Autodesk制作了一套免費的的全功能CAD軟件“123 Design”，汽車制造商一度要用大型計算機才能完成的事情，個人拿這套軟件就可以做了。

可持續制造：其目標即便不好實現，理解起來也還是很容易的，就是將每一丁點物質、每一焦耳能量最大化地用到生產當中，盡可能地減少浪費。高能效制造是其中的一個重點領域。比如，制造業工程師常常會說到“無燈”工廠的潛力，這種工廠在黑暗中持續運轉，不需要加熱或制冷，因為它們基本上都是由機器人或其他機器操作。隨著規模更小、高度自動化的本地工廠變得更加普遍，再制造和回收或許會變得更加重要，本地供應的材料也會更受重視。

納米制造：一納米等於一米的10億分之一，所以納米制造的意思就是能夠在分子、甚至原子層面操縱材料。預計納米材料將來會在高效太陽能電池板、電池的生產過程中發揮作用，甚至會在基於生態系統的醫學應用當中發揮作用，比如在體內安置傳感器，可以告訴醫生癌症已經消失。未來幾代的電子設備和運算設備或許也會非常依賴於納米制造。

柔性電子制造：比如坐在上面的時候會產生彎曲的平板電腦，與體溫連線、在你需要的時候提供制冷的衣服等。這些柔性技術已經在向主流進發，預計會定義下一代的消費設備和運算設備，成為未來10年增長最快的產品門類之一。但這需要極為先進的制造工藝。

生物制造：該領域利用生物有機體或生物有機體的一部分以人工方式生產產品，如開發藥物和復方藥。（生產奶酪不算。）但它可以用到很多領域，比如能效的提高、納米制造新方法的創造等。

增材制造：3D打印機不僅有希望在產量只有一件的時候就能夠實現很高的質量，還有希望為全新的設計、材料結構與材料組合創造條件。能夠打印1,000多種材料（硬塑料、軟塑料、陶瓷和金屬等）的打印機已經開發出來。一家德國制造商開發了一套一層層地堆積木漿的工藝， 地亞哥一家名叫Organovo的公司正在通過3D打印打印實驗用的人體組織。現在有些打印機可以疊加不止一種材料，還可以將內置傳感器和電路編織到智能部件中，如助聽器或動作感應手套等。市場上甚至還有一種名叫“復制機”(Replicator)的東西，它是英國公司Cybaman Technologies開發的一套系統，先是堆出基本形狀，然後用機器將粗糙的物體打磨成精確、光鮮的成品。

工業機器人：工業機器人可以每天24小時、每周七天地運轉，精度可重復且越來越高，時間上可以精確到幾百分之一秒，空間上可以精確到人眼都看不到的程度。它們精確地匯報進展，在接受效率測試的時候做出改進，如果安裝了先進的傳感系統，還會變得更加靈巧。（它們也很少發牢騷。）隨著機器人變得越來越普遍，它們的經濟性也在提高：據麥肯錫全球研究院(McKinsey Global Institute)的一份報告，1990年以來與人工相比的機器人相關成本已經下降高達50%。另外，隨著生物技術和納米技術的進步，預計機器人能夠做的事情將越來越精巧，如藥品加工、培植完整人體器官等。

先進成形與連接技術：當前大部分機器制造工藝基本上還是依靠傳統技術、特別是針對金屬的技術，如鑄型、鍛造、加工和焊接等。但專家認為，這個領域的創新時機已經成熟，可以用新的方法來連接更多種類的材料，同時提高能源和資源效率。比如冷成型技術就有可能作為一項修復技術或先進焊接技術而發揮重大作用。