韦旭刚:4个小故事讲述人类制造简史

3D打印快讯
2019
10/09
10:21
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作者:南极熊3D打印智库成员  韦旭刚

本文共计4300多字,大概需要阅读6-8分钟。

人类掌握了语言文字,从此与其他动物有了显著区别。
人类掌握了制造技术,从此成为万物主宰,地球霸主。

数万年,乃至数十万、数百万年的人类发展历史过程中,人类关于制造技术又产生了哪些有趣的历史呢?那些标志性事件又意味着什么呢?

本文尝试用简短的文字记录漫长的人类制造历史,故名制造简史。

一、制造石器,漫长进化很不简单。

时间:约1万年以前的一个白天
坐标:今非洲东岸某区域

七个智人正安静的埋伏在草丛里、大树后、石块下,紧张的等待着猎物慢慢进入。这些智人今天运气不好,狩猎一天了还没有逮到猎物。正当他们灰心丧气的时候,忽然发现一只落单的大象远远的向他们走了过来。于是他们迅速算计好埋伏区域,准备捕猎这只大象。虽然大象不是他们很合适的猎物,但是现在也管不了那么多了,哪怕有死伤也要拼死一搏了。

智人之所以敢与大象硬钢,是因为他们已经会制造锋利、结实的石器作为狩猎武器,那些尖锐的木头武器更是不在话下。同时,智人们已经形成了强悍的团队作战模式,靠着这些原始的装备,多少凶猛的野兽都成为了智人们的盘中餐。

狩猎的过程是刺激又血腥的,这只迷途大象虽然拼命想逃,奈何七个智人都是战斗经验丰富的猎人,等待大象命运的只能是死亡。七个智人都挂了彩,还有2个受伤特别严重。

这样的情节,假如你看过电影《史前一万年》、《轩辕大帝》等,可能会有更直观的了解。

这时的人类还处于石器时代,已经可以制造数十种石器了,尽管费时费力,好歹已经掌握了一点制造技能。各个部落之间的竞争,就看谁的石器制造水平更高、更硬、更锐。
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△古代人制造的石器(图片来源:网络)

那时那刻,石器制造就代表了最高端的制造业。制造水平差的部落,就只能靠人数、组织能力、天意等求生存。

制造石器这么一个看上去很简单的事情,却花费了人类200多万年的时间,前后经历了旧石器、中石器、新石器三个漫长的时代。当然,石器时代,称其为制造技术,讲真,还是有点勉强的。

在新石器时代,人类还逐渐掌握了农业种植、家畜饲养、陶瓷制造等。随着这些技能树被点亮,人类征服大自然的能力也在日积月累,也逐渐从普通动物属性脱离,进化为有想法、有纪律的高级群居动物。

也许在老虎、狮子、豹子这些猛兽看来,人也只不过是一个猎物而已,但是这些猛兽也知道,人不是那么好惹的。

终于有一天,人类偶然掌握了冶金技术,才磕磕绊绊的进入到了制造金属器件的时代。于是,人类前进的步伐开始慢慢加速了。

二、红铜青铜,等材制造金属冶炼。

时间:约公元前3000年
坐标:今中东伊拉克区域

在雄伟的巴比伦城堡外5公里处,驻扎着一支大军,军营很大,占地近万亩,数万大军在此操练。在军营东北角处,分布着一个兵工厂,几百个壮汉夜以继日的在制造兵器。具体的说,他们在冶炼一种红铜(天然铜),将其制造成铜制武器,变为古巴比伦帝国对外扩张的杀手锏。

因为最早掌握了红铜的制造技术,巴比伦的铜师傅、能工巧匠们制造出了更长、更复杂、更尖锐的兵器,大大领先于石器部落。于是,凭着武器代差的优势,古巴比伦国王带领军队四处征伐,版图不断扩大,逐渐成为一个日益兴盛的庞大帝国。

当其他国家逐步掌握了红铜制造技术,古巴比伦帝国又将制造技术升级换代到青铜时代,继而又掌握了铁器制造技术,继续保持对其他国家的技术碾压,维持着其辉煌的地位。

公元前2000年左右,华夏大地上的青铜器制造技术也已经炉火纯青了。对了,“炉火纯青”这个成语说的就是青铜合金的冶炼过程。当冶炼炉里的火焰变成青色了,说明青铜合金里面的杂质全部挥发完毕,一个完美的青铜器就可以出炉了。
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△司母戊大方鼎(图片来源:网络)

我们经常所说的司母戊大方鼎就是殷商时期制造的,是现在发掘出来的古代最重的青铜器,达830多公斤。既高大威猛,又精巧绝伦,代表了青铜制造技术的极高水平。按现在的说法,这样的镇国神器,只能是由国家级的制造机构才能搞定。

从制造过程所需要的材料是否增减来定义,今天的专家学者把古人的冶金制造技术概况为等材制造。总的来说,人类的等材制造技术已经存在了6000年—7000年。

这一时期,冶金铸造技术还是标准的手工劳动,是打铁匠们、能工巧匠们甩开膀臂,哼哧哼哧、乒乒哐哐敲打出一件件金属器件,成为人类改造大自然的利器,也扮演着改朝换代的杀器。

冷兵器时代的刀光剑影,留下了多少茶余饭后的谈资,人类文明史就这样随着金属制造水平的提升而降临、沉沦、升华,螺旋式前进。

毛主席对人类社会的发展通过极富诗意的语言做过描述,写成了一首词,叫做《贺新郎 读史》。

人猿相揖别。
只几个石头磨过,小儿时节。
铜铁炉中翻火焰,为问何时猜得?
不过几千寒热。
人世难逢开口笑,上疆场彼此弯弓月。
流遍了,郊原血。
一篇读罢头飞雪,但记得斑斑点点,几行陈迹。
五帝三皇神圣事,骗了无涯过客。
有多少风流人物?
盗跖庄蹻流誉后,更陈王奋起挥黄钺。
歌未竟,东方白。

也只有像毛主席这样的大政治家、大军事家、大思想家、大文学家,才能用如此浓缩、简洁的文字把几百万年的人类史,通过短短135个字概括出来!

相比漫长的200多万年的石器时代,有了金属制造技术的加持,人类社会自身的发展仅仅经过数千年,就已经把自己的活动半径无限扩大,势不可挡。这一时期,人类也从高级动物进化为具有文明史可以记载的新物种。

三、工业革命,减材制造登峰造极。

时间:18世纪
坐标:英国

1764年的一天,天阴沉沉的,英国的纺织工詹姆斯·哈格里夫斯的心情有点糟。因为工厂的纺纱机不仅慢,还容易出错,他已经被老板威廉怒骂了好多次。

哈格里夫斯忙碌了一天,终于把事情都理顺了,天色已晚,他拖着疲惫的身体往家里赶。家里的光线比较暗,哈格里夫斯开门后不小心一脚踢翻了他妻子正在使用的纺纱机,他赶紧想要把纺纱机扶正。但是当他弯下腰来的时候,却突然愣住了,原来他看到那个被踢倒的纺纱机还在转,只是原先横着的纱锭变成直立的了。

作为一个勤于思考的纺织工程师,他的灵感霎时涌现出来:如果把几个纱锭都竖着排列,用一个纺轮带动,不就可以一下子纺出更多的纱了吗?

哈格里夫斯非常兴奋,马上动手开干。第二天,他就制造出用一个纺轮带动八个竖直纱锭的新纺纱机,效率一下子提高了八倍。他激动又兴奋的拉着妻子跳起了英格兰舞蹈来,他知道,凭着这个机器,他的家庭会很快富裕起来。

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△图片来源:网络

女儿珍妮在一边静静的看着爸爸妈妈又蹦又跳,有点懵逼。哈格里夫斯一把抱起女儿,亲了她一下,叫喊着:“我看,我们就把这台机器叫作珍妮纺纱机,对,珍妮机,这真是太棒了!”

珍妮机是一台真正意义上的机器,虽然仍然是人力手摇的纺纱机,但是它的纺纱能力提高了8倍,迅速碾压了传统的手工业纺车,成为第一次工业革命的开端。

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△瓦特发明的蒸汽机(图片来源:网络)


当时间推进到1776年,英国发明家瓦特,终于制造出了第一台有实用价值的蒸汽机。此后经过持续的改进,新型蒸汽机成为万能的原动机,广泛应用于各行各业,人类由此进入了机器大工业时代。

当科技发明的大门被打开后,当人类敢于想象、脑洞大开后,就再也没有什么力量可以阻挡人类的前进步伐了。于是,第二次工业革命、第三次工业革命相继引爆,比上一次更加猛烈,耗时更短,变革更大。

但是,从制造原材料增减的角度来说,不管这300来年的科技变化多么巨大,仍然被归类到减材制造,存在着很大的材料浪费。一些领域的产品,材料浪费甚至高达80%以上。减材制造技术发展至今,已经到了登峰造极的地步,也到了人类重新寻找新玩法的临界点了。

如今,第四次工业革命已经刚刚入门,人类早已经不满足于称霸地球,不满足于遨游太空,而是希望成为宇宙万物的改造者、主宰者。总之,人类想要自己封神。


四、从无到有,增材制造三十而立。

时间:1983年
坐标:美国

工程师出身的查尔斯·胡尔已经44岁了,他在紫外线设备生产商UVP公司做技术副总裁。公司除了设备生产,还做一些服务,就是利用紫外光来硬化家具和纸制品表面的涂层。

技术原理很简单,就是液态的光敏树脂一碰到紫外线就变成固体。

胡尔每天的工作就是摆弄各种各样的紫外线灯,把液态树脂变为固体。对大部分人来说,这样的工作很单调,也很无聊,貌似没有多少技术含量。

但是,谦虚又勤奋的胡尔依然那么敬业,对这样的神奇过程像初恋般充满热情。有一天,胡尔看着液态树脂固化的过程,突然,他冒出一个大胆的想法:如果能够让紫外线一层一层地照射光敏树脂的表面,使其一层一层地变为固体,由点到线,再由线到面,然后再将成百上千的薄层叠加在一起,那不就可以制造出任何三维物体了吗?

胡尔为自己的这个idea激动起来,作为工程师的他,立马行动起来。在实验室里反复试验几个月后,胡尔终于成功的制造出了样机,并且制造出了第一件3D打印物品。他成功了!

1984年8月,以胡尔为发明人,UVP公司申请了世界上第一件SLA专利,这是全球最早的3D打印专利。1986年3月11日,胡尔正式获得专利授权。

1986年,由于原公司没能力、没意愿支持这个新技术的进一步开发,胡尔离职,创立了3D Systems公司,致力于将自己的发明技术商业化。

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1988年,3D Systems推出第一台商业设备SLA-250,该设备的面世成为了3D打印技术发展史上的一个里程碑事件,光固化快速成型技术在世界范围内得到了迅速而广泛的应用。

早期的产品总是显得大而笨,今天的一台3D打印机,尺寸比它小很多,性能和功能可以超越它几百倍以上。想想从早期的计算机到如今的智能手机,也就短短几十年的变化。

要说明的是,世界这么大,一门技术的源头可能有多个来源。胡尔其实并不是光固化技术最早的研究人员。

早在1977年,美国的Swainson教授提出使用射线来引发材料相变,制造三维物体。但是由于资金问题,该项目于1980年终止。同时,其他实验室也在开展类似的研究,不过最后都不了了之。

胡尔最终能够成为全球3D打印之父,并进入美国发明家名人堂,有人生际遇的因素,更主要的是他创立的公司一直傲立潮头,成为全球3D打印产业的巨头公司。

在早期阶段,这类技术的名称还比较多,比如:快速原型制造,三维打印,实体自由制造等等。

经过30多年的进化,专家们根据它的制造材料是逐渐增加,产品成形是从无到有,从0到1的过程,将该类技术统一称为“增材制造”,俗称“3D打印”。

时间到了2019年,增材制造技术已经发展了36年,和早期相比,已经进步了何止百倍。增材制造技术早已经广泛深入的应用于各行各业,开始了大规模的定制化生产制造历程,它已经成为人类第四次工业革命的核心技术之一。

如果说数字化的信息技术经过几十年的迭代发展,孕育出了伟大的互联网科技时代,衍生出大数据、云计算、人工智能、VR等科技,那么,数字化的增材制造技术,正在让人类摆脱束缚,想我所想,造我所造,如梦如幻,正在对12万亿美元规模的全球制造业带来革命性的冲击。

未来几十年,我们将切身经历第四次工业革命,见证增材制造技术的伟大变革,人类有望从必然王国走向自由王国。

面对未来,亲爱的读者,你憧憬吗?你做好准备了吗?




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2019-10-9 16:04:23 来自手机 | 显示全部楼层
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