橡树岭国家实验室的机器人假肢看起来像是中世纪的东西——一只手穿着锁子甲，更适合挥舞阔剑而不是端着一杯咖啡。底层的骨架和薄的网状皮肤都是由钛制成的，以使手部耐用、灵巧且轻便。驱动手指的强大的微型液压系统依赖于集成到假肢结构中的管道网络——无需钻孔、软管或接头。
然而，这款机器人手特别之处不在于它能制造或做什么，而在于它是如何制造的以及它代表着什么。橡树岭的这项发明在计算机上构思，并通过所谓的增材制造（更广为人知的名称是 3D 打印）由几十个打印部件组装而成，它让人得以一窥制造业的未来——在未来，以前不可能的设计可以在数小时内按需打印出来。
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橡树岭能源材料项目主任克雷格·布鲁说：“您正在看到一个非常非常复杂的设计，它具有内部液压管道，可以承受超过每平方英寸 3,000 磅的压力。” “您有网状结构使其成为轻量化结构，仅在需要的地方放置材料。除了增材制造之外，当今没有任何技术可以制造出 [机器人手]。”
随着 3D 打印技术日趋成熟，能够制造出其他任何方式都无法制造的复杂机械，波音和通用电气等大型批量制造商开始将这项技术应用于其先进的产品线。增材制造不是像过去那样从一大块材料中雕刻出可用的零件，而是逐层构建物体。这种思维方式的转变有可能影响到制造业的方方面面——从原型设计到批量生产的产品。
然而，技术挑战仍在困扰着 3D 打印。与普通的减材制造相比，增材制造可能速度较慢，其材料的配合和表面处理也不一致。此外，3D 打印机在用多种材料构建物体方面存在困难，并且它们还无法在不烧毁电路的情况下集成电子元件。
研究人员正在努力克服这些局限性——并且很少有人怀疑，对于可定制的小批量应用，增材制造具有巨大的潜力。随着这项技术扩展到大众市场，3D 打印可能会开始推动一场广泛的制造业革命。
增材制造的进步
3D 打印的起源可以追溯到 1980 年代后期，当时初创公司和学者——最著名的是德克萨斯大学奥斯汀分校——发明了可以在几分钟内构建数字设计三维模型的机器。几十年来，这些系统和类似的类型（最初售价约为 175,000 美元）因其能够帮助发明家和工程师快速且相对廉价地生产原型而声名鹊起。
从那时起，3D 打印走上了两条道路。在一个极端，爱好者和潜在的企业家可以使用成本为 2,000 美元甚至更低的机器来制作塑料模型。这些厨房台面设备允许用户发明新物体——这项技术引发了人们将 3D 打印与个人计算机进行比较。“正如互联网、云和开源软件让小型团队可以靠拉面生活六个月并构建一个应用程序，发布它并看看是否有人感兴趣一样，我们开始看到同样的现象蔓延到制成品，”白宫科技政策办公室副主任汤姆·卡利尔说。
在另一个极端，大型制造商正在培养先进的工业强度方法，以生产飞机零件和生物医学设备，例如人工髋关节。执行此操作所需的机器成本超过 30,000 美元，其中制造高质量金属产品的激光设备售价高达 100 万美元。这些打印机可以使用聚合物、金属或其他液态或粉末状材料。物体从数字文件开始，使设计师可以在构建开始之前调整其工作，而对成本几乎没有影响。
国家情报委员会（一个支持国家情报总监办公室的分析师团队）去年 11 月发布的《2030 年全球趋势：另一种世界》报告称，到 2030 年，3D 打印可能会取代某些传统的批量生产工艺，例如铸造、模塑和机械加工，尤其是在小批量生产或旨在生产更多定制产品的制造商的情况下。航空航天公司处于这一趋势的前沿。通用电气航空已经制造飞机发动机近一个世纪，最近收购了两家专门通过增材制造工艺制造飞机零件的供应商。波音公司已经使用 3D 打印技术制造其民用和军用飞机上使用的超过 22,000 个零件。
这些公司正在发现，3D 打印在能源和材料方面也可能比传统生产更有效率。“如果您要机械加工一个零件，那么您开始使用的 [材料] 块中的 80% 到 90% 最终可能会变成地板上的碎片或废料，这并不罕见，”科罗拉多州柯林斯堡增材制造咨询公司 Wohlers Associates 的首席顾问兼总裁特里·沃勒斯说。
打破模具
尽管有这些优势，制造商仍然主要将 3D 打印视为制造原型而不是工业级产品的一种方式。原因有三方面：速度慢、质量不稳定以及难以构建复杂物体。
首先，增材制造工艺相对较慢，具体取决于所需的细节水平。在首席设计师朗尼·洛夫的带领下，橡树岭的工程师花费了 24 小时制造其 1.3 磅重机器人手的零件，又花了 16 小时组装它。（他们正在开发硬件，该硬件将一次性打印出整个假肢。）宾夕法尼亚州立大学通过直接数字沉积创新材料加工中心联合主任理查德·马图卡尼茨说：“如果您要构建一个垒球大小的东西，并且您想要精细的特征和清晰度，您可以想象这需要六到八个小时才能构建。” 按照这样的速度，使用 3D 打印机构建数千个单元将需要数年时间。
一些增材制造系统的工作速度更快。为美国海军开发的那些系统每小时可以沉积 20 到 40 磅的材料。然而，在这种情况下，速度是以特征清晰度为代价的，特征清晰度很差；成品零件还需要后处理机械加工，马图卡尼茨说。为了加快速度，研究人员正在研究以可变速度打印的系统——快速铺设散装材料，但在零件需要更多细节时减速。“现在人们对此非常关注，因为人们看到了增材制造工艺在生产力方面的局限性，”他指出。
提高速度的另一种选择是在多个制造设施之间分配工作负载。然而，这种方法需要比目前存在的更高水平的标准化。通用电气喷气发动机的关键部件应该看起来、感觉起来并且运行可靠，无论通用电气（或其供应商之一）如何或在何处制造它。美国材料与试验协会（ASTM International，前身为美国材料试验协会）是一个积极制定 3D 打印标准的组织，尽管其工作尚处于早期阶段。
科学家们还在尝试制造自我监控的 3D 打印机，这种打印机可以快速生产出一致的设计。布鲁说，该系统将分析物体在构建过程中的高速视频，或使用红外热成像技术来检测缺陷，然后立即纠正这些缺陷，而无需停止构建过程。“您将零件的计划下载到打印机，每次都能获得完美的零件，”他补充道。
产品日益增长的复杂性——其中越来越多地包含许多不同的材料以及嵌入式电子元件——对 3D 打印提出了进一步的挑战。一种方法是开发具有多个挤出头的 3D 打印机，每个挤出头沉积不同类型的材料。其中一个头可以用于在设备构建过程中直接嵌入电线。
橡树岭、德克萨斯大学埃尔帕索分校的 W. M. 凯克 3D 创新中心和其他地方的研究人员正在设计也可以打印电路的 3D 打印机。挑战在于避免在添加周围的塑料或金属层时过热和损坏电气元件。研究人员正在测试在电气元件周围打印绝缘材料以保护它们的方法。“在未来十年内，您将看到印刷电子产品与其他材料的结合，”布鲁说。
综上所述，这些进步为橡树岭的机器人手带来了良好的前景，更不用说任何使用它的人了。科学家们设想，医生将能够扫描一个人的健康手，以电子方式制作其镜像，然后打印出新的、预组装好的假肢以供使用。