迈克尔·富勒:3D 打印改变制造业

2017-09-27  来源:复材在线 浏览次数:1099 收藏  |  分享

我觉得 10 年内,更大的去中心化制造业图景会初步得到证明,也就是到了应用这一步。这将创建一个完全不同类型的企业。它意味着供应商不再仅通过仓储提供硬件,他们还会在有执照的前提下,通过当地设备制造并提供设计和 IP。10 年内我们就能看到如此规模。而可扩展性是最重要的,它意味着更高的生产率——我指的是,相对于传统制造技术,生产率会有成百倍的提升。既然我们见证了它开始生根,我们就能看到这些机器通过生态系统服务应用公司在全球范围扩散。一个新的、协同合作的高性能集聚型家庭手工业,将会具有更快的制造反应能力,带来更
迈克尔·富勒(Michael Fuller)在最高级别的赛车比赛做了 10 多年的工程师。在 F1 的工作经验让他想到了一个潜在的赚钱点子:用 3D 打印做一个热交换器,其重量将是现有的一半。热交换器——一种要么使热量进入设备的某部,要么使热量散发出来的仪器,不仅对于汽车业来说很重要,对于航空业、化学制造业和制冷业等无数其他行业来说也很有意义。当你想要达到某一速度或把一些东西运上太空,关键部件的重量减半可是件大事儿,可见富勒的设计可谓是变革性的。这一发明的市场容量也许会令你大吃一惊:到 2020 年,热交换器产业预计能有 200 亿美元左右的价值。

对于富勒来说,热交换器只是个开始。他把自己的公司 Conflux Technology 视为我们造东西的道路上一个更大的革新的一部分。他的公司为开拓者们提供围绕 3D 打印新技术方面的帮助,这能使大型工程项目中重要部件的组装不再需要外包给第三世界国家去完成。这样一来,关键部件和技术标准都可以就近送达。他预见说,制造业的基础将会更小、更快、更具活性,性能上是我们现如今的上百倍。

当然啦,人们谈论 3D 打印的潜能已经谈了一段时间了。前些日子富勒也曾说,F1 用 3D 打印这一技术来做样机研究,后来用来生产一些小部件。更进一步的制造目前还不太可能,毕竟现在的科技水平还不能够满足表面公差和抗张强度的需求。但在过去的 1 年里,他强调,3D 打印已经发展得足够成熟了。相关的企业要当心了。

近期我与他的对话,就是围绕着他对于制造业未来的设想是如何产生来展开的。

你小时候知道自己长大了想做什么吗?

我小时候,父亲总带我和弟弟去卡丁车跑道。没多久我就意识到,我不会成为下一个埃尔顿·塞纳(Ayrton Senna,译者注:传奇赛车手,曾经于 1988 年、1990 年、1991 年三度夺取 F1 世界冠军),但我仍很爱赛车,所以就总跟大家说我要做一个造赛车的。这样过了差不多两年,我父亲让我坐下来并告诉我说,要么行动,要么闭嘴。他帮我打了草稿,并帮我把信寄给了每一位 F1 的老板,信上写道:“嗨,我叫迈克尔·富勒,现居澳大利亚,今年 12 岁了。如果我想要在 F1 工作,我该做些什么准备呢?”令我震惊的是,我竟收到了一些回复。

迈克尔·富勒,Conflux Technology 创始人

13 岁开始,我在当地的一家赛车队做志愿者。我做些清扫、照看轮胎的工作,并很快决定我不要做技工。这使我决心要成为 F1 高级工程师,也让我明确了我需要在大学学什么专业——当然,也让我在中学时要做的选择简单了起来。现在看来,那真是完美,因为在大家都在摇摆不定的时候,我知道自己在做什么,并且知道是为什么。这种清晰度带给我一种难以置信的目的性。这让我能够忍受学习微分学的痛苦。想法或许有些模糊……但是目标一直都是做赛车。

F1 SA07,超级亚久里F1车队在 2007 年 F1 赛季的赛车(Flickr/nhayashida)F1 SA07,超级亚久里 F1 车队在 2007 年 F1 赛季的赛车(Flickr/nhayashida)

F1 这个行业是怎样的呢?

对赛车业来说它是尖峰,也是革新的温床。这意味着事情的变动非常迅速。比如说过去,F1 做刹车散热管是这么一个流程:空气动力学家会提出一个概念和模型,把它给到设计师,他们会用 CAD 给它塑型。之后模型制作者会制作一个模型并放进风洞。工程师对成果进行检验,之后会回到模型设计师环节,他可能会在模型两旁各做五次修改来做测试。这意味着模型制作者现在有 10 个版本要建模,而且这些模型都要被认真检查,确保在第二次进风洞做检测时是精确无误的。某种意义上来讲,大概比赛之前 4 周,研发环节就得停止,然后说:“好了,我们可以就用那项设计了。”这是因为碳纤维复合材料刹车散热管有 60 多个部分的工具组件;制造全尺寸的汽车零部件时,复杂度是非常高的。所以你可以想象造一辆 F1 赛车的整个流程有多复杂了吧。

当然,3D 打印机改变了一切。因为现在你可以直接用电脑做原型设计的部分,并且时不时地做些改进和调整。用我们刚才说的例子来打比方,这就意味着由于制造业的生产周期大幅缩短,我们能够将研发阶段延续得更长。我们不再需要在比赛开始 4 周前就停工了,因为现在把它打印出来只要 48 个小时。尽管优势对我们来说是显而易见的,对更年轻一代的工程师而言尤其如此,但它还需要一段时间做一些改变。让每个人都加入进来大概需要 4-5 个月的时间。这对其他的工程学科来说已经快得不可思议了,但对 F1 来说简直有冰河世纪那么长。

你什么时候想到要做 Conflux Technology 这样一家公司的?

在我的职业生涯中,做过相当多的发动机安装,负责把所有的系统连接起来。从科技角度来讲,我想这算是物理层面的系统整合。我感到不足的地方在于热交换器的性能。因为有无数种方法能让它失效——它们的尺寸、重量、热效率,以及流量限制造成的功率损耗等等。我一直对发掘金属加层制造业,也就是 3D 打印技术的潜能很感兴趣,你可以把金属粉末铺开,然后一层层地熔合。这都是多年前我在 F1 时尝试过的,但那时能够达到的尺寸和密度都还没达标,这个技术当时还不够成熟。

大约一年前,我觉得差不多时机成熟了。那时我冒出了一个想法,那是一款利用几何自由度设计的热交换器,只能通过加层制造来实现。一天早上我在冲澡的时候(也正是我的好点子诞生的时候),一个概念突然从我脑海里冒了出来,我意识到我可以把它做出来了。于是我在 CAD 里把几个形状拼在了一起。当时我还咨询了墨尔本高校里和高级制造有关的学院,听说莫纳什大学孵化的科技公司 Amaero 可以提供商业原型设计服务。所以过去的半年里,在维多利亚州政府补助和我自有资金的扶持下,我们完成了无数次迭代打印,终于完成了实用的测试样机。

你的设计特别在哪里?

热转换器的意义远比表面看起来要深远,它们是热力学第一定律在实际中的应用。有时候你需要给系统加热,有的时候你需要散热。那该怎么处理热量的问题呢?这可能是一个封闭的循环,液体将正在运作中的机器的热量带走,转化为气体。举例来说,汽车散热器就是一个典型的水 - 汽热转换器。水被泵压到发动机周围,带走了一部分热量,最终蒸发到大气里。我们的皮肤其实也是一样,我们吃进食物,把食物的化学势能转化为动能,为我们的行为(比如呼吸、动作等)提供能量,同时也有一部分热量也通过皮肤散发到大气里。无论何时,只要做好身体能量管理,提升效率,就能让你的行为持续得更久,力量更大。
测试阶段的热转换器在工作中
不过在过去的 20 年里,工业的这个领域里几乎没有任何革新。历史性技术已经发展到了巅峰水平,损耗性制造技术,比如蚀刻、弯曲挤压板、钎焊、熔焊技术等等已经登峰造极,是时候搞下一代热交换设备了。我从历史上的设计中吸取了一些元素,并以全新的几何构型来组合它们。这就造就了一款紧凑型热换器,高密度、低压降,同时热力转换性能很高。我们刚完成的概念测试表明,我们的热交换器表现已超越目前世界最佳水平,并且重量减少了 50%,这是相当惊人的。

测试阶段的热转换器在工作中测试阶段的热转换器在工作中

这项技术可以应用在哪些方面?

我们当前正处于加层制造业技术发展的黄金时代。就像我们所说的,3D 印刷设备变得更快、更大,应用更广。创造一个产品来颠覆热交换器行业并不是我们的主要目的。相反,这是我用来测试去中心化制造假设的第一步,现在也才到达能用它来制造零部件的地步而已。人们已经讨论这项技术多年,然而我们现在才来到技术发展曲线上一个较低的点:它是可能实现的。现在的问题是,3D 打印能不能被用来制造零部件,如果可以的话,商业上的可行成本和交货进度会大幅变动,从而真正颠覆现代工业。

一旦这个模式被应用到其他制造行业,这将会是革命性的变化。让我举几个例子来说明一下。想象一下,一家工程公司要给一座山开条隧道,在这个过程中他们要消耗一定数量的组件。这就意味着这些组件需要在他们预计用完的几个月前就要下订单订购,由此也创造了复杂到令人难以置信的全球供应链。有了这项技术,就不需要再去地球的另一边采购专家制造的零部件再进行装配了,只要有关键零部件和专业知识,你就可以在现场或者在附近制造出设备来。我们将推进 3D 打印金属加层机器应用到这个阶段;与工程公司一同开发这项工程设计,在现场打印就能付诸现实。这意味着更高的生产率、更快的交货时间、更少的供应链风险,以及更低的环境及财务成本。

这个过程中遇到过什么困难?

工业业内人士还没准备好做我现在想做的事,就是 3D 打印金属部件的连续生产。曾经为我制作出我的原型机的公司 Amaero 在制造阶段做得很好,但他们也不打算建立一个连续生产的设备。就跟在 F1 的时候一样,在没有资源的时候,时间总是很难熬,令人沮丧。我是一个不习惯长时间等待的人。不过我还是想说,澳大利亚的创新生态系统还是很赞的。

接下来会变得有趣的一步是试点生产厂的融资。我们将为此投资 1100 万美金。筹到这个数字并不难(我很擅长做这方面的预算),在澳大利亚的前景提升才是更重要的。我想要在澳大利亚完成这件事,是因为这儿非常完美。我们有着非常优秀的工程师和丰富的人才储备,参与全球竞争毫无压力。试想一下,从名义上来说,3D 打印机在中国的售价和这里一样,一旦把劳动力这个因素从成本里扣除,那障碍就只剩下政府监管框架和原材料供给了。这就意味着我们可以与中国及其他国家在一个环境下竞争。

制造业的未来何去何从?

我觉得 10 年内,更大的去中心化制造业图景会初步得到证明,也就是到了应用这一步。这将创建一个完全不同类型的企业。它意味着供应商不再仅通过仓储提供硬件,他们还会在有执照的前提下,通过当地设备制造并提供设计和 IP。10 年内我们就能看到如此规模。而可扩展性是最重要的,它意味着更高的生产率——我指的是,相对于传统制造技术,生产率会有成百倍的提升。既然我们见证了它开始生根,我们就能看到这些机器通过生态系统服务应用公司在全球范围扩散。一个新的、协同合作的高性能集聚型家庭手工业,将会具有更快的制造反应能力,带来更高的价值增值能力。全球产业链将会实现去中心化、大众化。

从根本上讲,科技代表着我们能用更少的东西创造更大的价值。而这对地球上的每个人而言都很有意义。

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