主宰未来制造业的11个技术领域

上网时间: 2013年09月24日? 作者:华尔街日报? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:制造业? 3D打印? 增材制造?

普遍称为3D打印的增材制造(Additive manufacturing)已经成为新一轮工业革命的旗帜。它明显不同于以往,专业人士和爱好者都可用上,而且带有《星际迷航》(Star Trek)那样的高科技性感色彩。一层一层地,就像是无中生有一样,一件东西就那么神迹般地做出来了。还记得星际飞船“进取号”(Enterprise)上面的那台复制器吗?

但增材制造不过是未来几年有望给很多东西的制造方式带来重大变革的一系列新兴技术之一。甚至增材制造也非仅限于3D打印。一项刚刚崭露头角的工艺名叫“冷喷涂”,就是通过喷嘴喷射金属颗粒,由于速度很高,这些颗粒会相互结合、组成形状。通过精确控制喷嘴,机器操作员就可以像利用3D打印机打印一样制造出齿轮之类的三维金属物体。物体就像是通过喷绘画出来的一样,哪怕是用钛之类的不常见金属,也都是可以完成的。

除此以外还有什么呢?奥巴马总统发起成立的先进制造业合作委员会(Advanced Manufacturing Partnership)对未来做了一下展望。该组织划出了11个技术领域,认为这些领域将对制造业竞争力的决定起到关键作用,应当成为全国研发行动的重点。

这里简单介绍一下该委员会强调的一部分内容:

传感、测量和过程控制:几乎所有先进制造技术都有一个共通的东西:它们都由处理巨量数据的电脑驱动。正因如此,那些捕捉并记录数据的东西才如此重要,如监测湿度的传感器、确定位置的GPS跟踪器、测量材料厚度的卡尺等。这些设备不仅越来越多地用于智能手机的智能化,还使得智能、灵活、可靠、高效的制造技术成为可能。在一座现代化的工厂里面,传感器不仅有助于引导日益灵敏的机器,还提供管理整个工厂的运营所需要的信息。产品从诞生到送达都可以跟踪,某些情况下还可以跟踪到送达之后。在这个过程中,一旦有问题出现,比如在喷漆室的湿度不适宜喷涂的时候,传感器就会侦测出来,向机器操作者发送警报信号,甚至是向工厂管理者的手机发送警报信号。

材料设计、合成与加工:新机器将需要新材料,新材料将使新式机器的制造成为可能。随着将材料细分到原子或分子层级、几乎不需要经过漫长的实验室步骤就可以进行操纵的进展出现,涂层、复合材料和其他材料的开发正在加快。借鉴人类基因组计划(Human Genome Initiative)取得的广受认可的成功,能源部(Department of Energy)等美国政府机构去年发起成立了材料基因组计划(Materials Genome Initiative),其目标是将确定新材料、把新材料推向市场所需要的时间缩短一半。目前这个过程可能需要耗时几十年,比如锂离子电池技术是20世纪70年代埃克森(Exxon)的一名员工首次构想出来的,但一直要到90年代才开始商业化。这个计划涉及的部分工作,便是让该领域内散落在世界各处、两耳不闻窗外事的研究人员共享创意和创新。

数字制造技术:工程师和设计师使用电脑辅助的建模工具已经有些年头,不仅用于设计产品,还以数字方式对产品进行检测、修正、改良,常常省略了更费钱、更费时的实体检验过程。云计算和低成本3D扫描仪(现在用iPhone就可以做一次简单的3D扫描)正在将这些方法从尖端实验室里搬出来,使之进入主流,让创业者能够用上。Autodesk制作了一套免费的的全功能CAD软件“123 Design”,汽车制造商一度要用大型计算机才能完成的事情,个人拿这套软件就可以做了。

可持续制造:其目标即便不好实现,理解起来也还是很容易的,就是将每一丁点物质、每一焦耳能量最大化地用到生产当中,尽可能地减少浪费。高能效制造是其中的一个重点领域。比如,制造业工程师常常会说到“无灯”工厂的潜力,这种工厂在黑暗中持续运转,不需要加热或制冷,因为它们基本上都是由机器人或其他机器操作。随着规模更小、高度自动化的本地工厂变得更加普遍,再制造和回收或许会变得更加重要,本地供应的材料也会更受重视。

纳米制造:一纳米等于一米的10亿分之一,所以纳米制造的意思就是能够在分子、甚至原子层面操纵材料。预计纳米材料将来会在高效太阳能电池板、电池的生产过程中发挥作用,甚至会在基于生态系统的医学应用当中发挥作用,比如在体内安置传感器,可以告诉医生癌症已经消失。未来几代的电子设备和运算设备或许也会非常依赖于纳米制造。

柔性电子制造:比如坐在上面的时候会产生弯曲的平板电脑,与体温连线、在你需要的时候提供制冷的衣服等。这些柔性技术已经在向主流进发,预计会定义下一代的消费设备和运算设备,成为未来10年增长最快的产品门类之一。但这需要极为先进的制造工艺。

生物制造:该领域利用生物有机体或生物有机体的一部分以人工方式生产产品,如开发药物和复方药。(生产奶酪不算。)但它可以用到很多领域,比如能效的提高、纳米制造新方法的创造等。

增材制造:3D打印机不仅有希望在产量只有一件的时候就能够实现很高的质量,还有希望为全新的设计、材料结构与材料组合创造条件。能够打印1,000多种材料(硬塑料、软塑料、陶瓷和金属等)的打印机已经开发出来。一家德国制造商开发了一套一层层地堆积木浆的工艺, 地亚哥一家名叫Organovo的公司正在通过3D打印打印实验用的人体组织。现在有些打印机可以叠加不止一种材料,还可以将内置传感器和电路编织到智能部件中,如助听器或动作感应手套等。市场上甚至还有一种名叫“复制机”(Replicator)的东西,它是英国公司Cybaman Technologies开发的一套系统,先是堆出基本形状,然后用机器将粗糙的物体打磨成精确、光鲜的成品。

工业机器人:工业机器人可以每天24小时、每周七天地运转,精度可重复且越来越高,时间上可以精确到几百分之一秒,空间上可以精确到人眼都看不到的程度。它们精确地汇报进展,在接受效率测试的时候做出改进,如果安装了先进的传感系统,还会变得更加灵巧。(它们也很少发牢骚。)随着机器人变得越来越普遍,它们的经济性也在提高:据麦肯锡全球研究院(McKinsey Global Institute)的一份报告,1990年以来与人工相比的机器人相关成本已经下降高达50%。另外,随着生物技术和纳米技术的进步,预计机器人能够做的事情将越来越精巧,如药品加工、培植完整人体器官等。

先进成形与连接技术:当前大部分机器制造工艺基本上还是依靠传统技术、特别是针对金属的技术,如铸型、锻造、加工和焊接等。但专家认为,这个领域的创新时机已经成熟,可以用新的方法来连接更多种类的材料,同时提高能源和资源效率。比如冷成型技术就有可能作为一项修复技术或先进焊接技术而发挥重大作用。

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