橡樹嶺國家實驗室的機器人假肢看起來像是中世紀的東西——一隻手穿著鎖子甲，更適合揮舞闊劍而不是端著一杯咖啡。底層的骨架和薄的網狀皮膚都是由鈦製成的，以使手部耐用、靈巧且輕便。驅動手指的強大的微型液壓系統依賴於整合到假肢結構中的管道網路——無需鑽孔、軟管或接頭。
然而，這款機器人手特別之處不在於它能製造或做什麼，而在於它是如何製造的以及它代表著什麼。橡樹嶺的這項發明在計算機上構思，並透過所謂的增材製造（更廣為人知的名稱是 3D 列印）由幾十個列印部件組裝而成，它讓人得以一窺製造業的未來——在未來，以前不可能的設計可以在數小時內按需打印出來。
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橡樹嶺能源材料專案主任克雷格·布魯說：“您正在看到一個非常非常複雜的設計，它具有內部液壓管道，可以承受超過每平方英寸 3,000 磅的壓力。” “您有網狀結構使其成為輕量化結構，僅在需要的地方放置材料。除了增材製造之外，當今沒有任何技術可以製造出 [機器人手]。”
隨著 3D 列印技術日趨成熟，能夠製造出其他任何方式都無法制造的複雜機械，波音和通用電氣等大型批次製造商開始將這項技術應用於其先進的產品線。增材製造不是像過去那樣從一大塊材料中雕刻出可用的零件，而是逐層構建物體。這種思維方式的轉變有可能影響到製造業的方方面面——從原型設計到批次生產的產品。
然而，技術挑戰仍在困擾著 3D 列印。與普通的減材製造相比，增材製造可能速度較慢，其材料的配合和表面處理也不一致。此外，3D 印表機在用多種材料構建物體方面存在困難，並且它們還無法在不燒燬電路的情況下整合電子元件。
研究人員正在努力克服這些侷限性——並且很少有人懷疑，對於可定製的小批次應用，增材製造具有巨大的潛力。隨著這項技術擴充套件到大眾市場，3D 列印可能會開始推動一場廣泛的製造業革命。
增材製造的進步
3D 列印的起源可以追溯到 1980 年代後期，當時初創公司和學者——最著名的是德克薩斯大學奧斯汀分校——發明了可以在幾分鐘內構建數字設計三維模型的機器。幾十年來，這些系統和類似的型別（最初售價約為 175,000 美元）因其能夠幫助發明家和工程師快速且相對廉價地生產原型而聲名鵲起。
從那時起，3D 列印走上了兩條道路。在一個極端，愛好者和潛在的企業家可以使用成本為 2,000 美元甚至更低的機器來製作塑膠模型。這些廚房檯面裝置允許使用者發明新物體——這項技術引發了人們將 3D 列印與個人計算機進行比較。“正如網際網路、雲和開源軟體讓小型團隊可以靠拉麵生活六個月並構建一個應用程式，釋出它並看看是否有人感興趣一樣，我們開始看到同樣的現象蔓延到製成品，”白宮科技政策辦公室副主任湯姆·卡利爾說。
在另一個極端，大型製造商正在培養先進的工業強度方法，以生產飛機零件和生物醫學裝置，例如人工髖關節。執行此操作所需的機器成本超過 30,000 美元，其中製造高質量金屬產品的雷射裝置售價高達 100 萬美元。這些印表機可以使用聚合物、金屬或其他液態或粉末狀材料。物體從數字檔案開始，使設計師可以在構建開始之前調整其工作，而對成本幾乎沒有影響。
國家情報委員會（一個支援國家情報總監辦公室的分析師團隊）去年 11 月釋出的《2030 年全球趨勢：另一種世界》報告稱，到 2030 年，3D 列印可能會取代某些傳統的批次生產工藝，例如鑄造、模塑和機械加工，尤其是在小批次生產或旨在生產更多定製產品的製造商的情況下。航空航天公司處於這一趨勢的前沿。通用電氣航空已經制造飛機發動機近一個世紀，最近收購了兩家專門透過增材製造工藝製造飛機零件的供應商。波音公司已經使用 3D 列印技術製造其民用和軍用飛機上使用的超過 22,000 個零件。
這些公司正在發現，3D 列印在能源和材料方面也可能比傳統生產更有效率。“如果您要機械加工一個零件，那麼您開始使用的 [材料] 塊中的 80% 到 90% 最終可能會變成地板上的碎片或廢料，這並不罕見，”科羅拉多州柯林斯堡增材製造諮詢公司 Wohlers Associates 的首席顧問兼總裁特里·沃勒斯說。
打破模具
儘管有這些優勢，製造商仍然主要將 3D 列印視為製造原型而不是工業級產品的一種方式。原因有三方面：速度慢、質量不穩定以及難以構建複雜物體。
首先，增材製造工藝相對較慢，具體取決於所需的細節水平。在首席設計師朗尼·洛夫的帶領下，橡樹嶺的工程師花費了 24 小時製造其 1.3 磅重機器人手的零件，又花了 16 小時組裝它。（他們正在開發硬體，該硬體將一次性打印出整個假肢。）賓夕法尼亞州立大學透過直接數字沉積創新材料加工中心聯合主任理查德·馬圖卡尼茨說：“如果您要構建一個壘球大小的東西，並且您想要精細的特徵和清晰度，您可以想象這需要六到八個小時才能構建。” 按照這樣的速度，使用 3D 印表機構建數千個單元將需要數年時間。
一些增材製造系統的工作速度更快。為美國海軍開發的那些系統每小時可以沉積 20 到 40 磅的材料。然而，在這種情況下，速度是以特徵清晰度為代價的，特徵清晰度很差；成品零件還需要後處理機械加工，馬圖卡尼茨說。為了加快速度，研究人員正在研究以可變速度列印的系統——快速鋪設散裝材料，但在零件需要更多細節時減速。“現在人們對此非常關注，因為人們看到了增材製造工藝在生產力方面的侷限性，”他指出。
提高速度的另一種選擇是在多個製造設施之間分配工作負載。然而，這種方法需要比目前存在的更高水平的標準化。通用電氣噴氣發動機的關鍵部件應該看起來、感覺起來並且執行可靠，無論通用電氣（或其供應商之一）如何或在何處製造它。美國材料與試驗協會（ASTM International，前身為美國材料試驗協會）是一個積極制定 3D 列印標準的組織，儘管其工作尚處於早期階段。
科學家們還在嘗試製造自我監控的 3D 印表機，這種印表機可以快速生產出一致的設計。布魯說，該系統將分析物體在構建過程中的高速影片，或使用紅外熱成像技術來檢測缺陷，然後立即糾正這些缺陷，而無需停止構建過程。“您將零件的計劃下載到印表機，每次都能獲得完美的零件，”他補充道。
產品日益增長的複雜性——其中越來越多地包含許多不同的材料以及嵌入式電子元件——對 3D 列印提出了進一步的挑戰。一種方法是開發具有多個擠出頭的 3D 印表機，每個擠出頭沉積不同型別的材料。其中一個頭可以用於在裝置構建過程中直接嵌入電線。
橡樹嶺、德克薩斯大學埃爾帕索分校的 W. M. 凱克 3D 創新中心和其他地方的研究人員正在設計也可以列印電路的 3D 印表機。挑戰在於避免在新增周圍的塑膠或金屬層時過熱和損壞電氣元件。研究人員正在測試在電氣元件周圍列印絕緣材料以保護它們的方法。“在未來十年內，您將看到印刷電子產品與其他材料的結合，”布魯說。
綜上所述，這些進步為橡樹嶺的機器人手帶來了良好的前景，更不用說任何使用它的人了。科學家們設想，醫生將能夠掃描一個人的健康手，以電子方式製作其映象，然後打印出新的、預組裝好的假肢以供使用。