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超级技术：改变未来社会和商业的技术趋势 [:1704607203]
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超级技术：改变未来社会和商业的技术趋势 第10章 制造业的新材料[1]
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新材料与新技术的结合将同时改变可以生产什么以及怎么生产。
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宝马i3是一款令人震撼的电动汽车，正如人们预期的那样，这是一款充满新技术的汽车，其最有力的创新来自制造车辆的材料及制造方式。它使用的材料是碳纤维，是一种非常坚固但又很轻巧的复合材料。用这种材料制造汽车的过程更像是纺织行业，而不是金属加工业。这种制造方式的巨大改变将颠覆全世界工厂生产各种产品的方式。这将推翻制造业的传统经济理论，破坏长期以来的贸易流通和供应链。
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“编织”汽车
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从i3的生产过程中我们能够瞥见事情的不同之处。与传统汽车从一块铁板开始不同，这辆汽车始于日本人造纤维厂的一卷聚丙烯腈，由一种合成热塑性塑料拉成丝，就像钓鱼线，然后将其绕成卷并运往美国，在美国被烤制成直径仅有7微米（百万分之一米）的碳化线，然后把大约50000根这样的黑线纺织成一根较粗的纱线，再把较粗的线绕成卷。这些线轴被运往慕尼黑附近的工厂，纱线被一台巨型的类似针织机的机器编织成地毯状的织物。当这些织物送到莱比锡的宝马汽车厂时，它们被切割成各种形状并堆叠在一起。这些织物片被注入树脂压在一起并固化形成刚性、轻质的汽车零件。最后，机器人把这些零件黏合在一起组成车身。
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宝马i3的生产线与其他汽车厂有很大不同。首先，工厂里面极其安静，没有冲压金属零件的轰鸣声或者焊接的爆裂声，也没有巨大的、昂贵的油漆车间对金属零件进行清洗和防腐处理（碳纤维不会生锈）。公司的与众不同之处还在于：整体而言，i3的生产比使用传统工艺和材料生产这样的汽车节省50%的能源和70%的水。
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莱比锡工厂在使用新材料和改进材料方面一直走在前沿，不断地把实验室的研究成果应用到生产中。这次的新材料革命不仅仅是碳纤维，还有很多其他复合材料，如新颖的合金、专用涂料，塑料和金属的混合材料，具有生物功能的有机材料，具有形状记忆功能和自我修复甚至自我组装功能的智能材料。另外，通过在分子尺度对材料进行操作，越来越有可能定制具有新特性的物质或改变物质的属性，例如，对光、电、水和热的反应，也能进一步提高现有老材料的性能。
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成功发明新材料和改良现有材料的关键是具有在商业上大规模应用的能力，这个过程可能需要几年。例如，碳纤维技术已经出现几十年了，已用于制造战斗机、高尔夫球杆、高性能山地自行车、F1赛车等，主要优势是其比钢的强度更大，但至少轻50%。这种高强度是来自碳化合物的分子结构之间的强化学键，就像钻石的结构一样。通过调整纤维之间排列的角度，可以在需要的地方增加强度，能够做到刚柔并济。
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随着应用经验的积累，在商业航空航天领域碳纤维被用来替代铝，重量更轻的飞机消耗的燃料和排放的废气都更少。现在，波音787以及空客A380、A350等飞机的材料中，碳纤维占了一半左右。但其价格昂贵，主要是因为其生产工艺复杂、费用高昂、生产速度慢、劳动密集度高。对于小众的专业领域，如昂贵的山地自行车和飞机，价格不太敏感，但汽车产业是一个大众市场。
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黑色艺术品
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通过研发速度更快、成本更低的碳纤维生产工艺，宝马公司正在率先进入碳纤维材料的大规模生产领域。分析师预测，到21世纪20年代中期，碳纤维将成为主流的生产材料，大量取代钢铁和铝。到2050年，大部分的汽车都将是电力驱动以及自动驾驶的，轻质碳纤维可以让这些汽车的空间更大、抗冲击性更强。
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大量其他的新材料也将在汽车和其他制造业取得突破性进展，基础科学方面的研究趋势也正在推动这个进程。首先，在最小微观尺度上人们对物质属性的认知有了进一步的提高。材料科学家不断地从最近一个世纪物理和化学的突破中吸收知识。研究人员现在拥有更好的仪器，如电子显微镜、原子力显微镜、质谱仪和X射线同步加速器等，可以比以前更好地测量和探索材料的结构细节。
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这些细节延伸到物质最基本的组成部分。每种材料都是由原子组成的，每个原子的行为取决于其属于哪种化学元素。这些元素具有不同的化学性质，化学性质与原子外层电子云的结构相关。互相配对的原子及其共享的电子组成分子，分子是化学元素或者化合物的最小颗粒元素。如果能在分子层面设计材料，将为材料处理消除很多不确定性。
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相较于过去，这是一个巨大的变化。当托马斯·爱迪生在1879年发明第一个可用的电灯泡时，他需要依靠不断地试验和试错，测试了1600多种不同的材料，从椰壳纤维到同事的胡须，最后才为他的灯泡找到了合适的灯丝。今天，发明者可以使用超级计算机来寻找合适的候选材料，例如，用于制作更好的发光二极管（LED）的新的半导体材料，在把电转换成光方面，LED比灯丝更有效率，正在取代传统的灯泡。LED是一项材料科学发明，到2050年，新的LED将不再是单独的照明设备，而是融入建筑物天花板的光幕。天花板生产商则需要考虑把自己转变为照明工程师，以免被灯具公司吞并。很多其他的行业也将面临这种业务领域的转变。
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进行大规模的数据采集可以加速这个过程，例如，基于加利福尼亚州劳伦斯伯克利国家实验室超级计算机集群的开源“材料项目”。该项目正在编制大约10万种已知或者预测的化合物的性质，形成了一个“材料基因库”。这意味着不需要像爱迪生那样去寻找具有特定性质（导电率、硬度、弹性、与其他化合物的融合性等）的材料，未来科学家只需要给出所需的材料性质，电脑就可以为他们列出合适的候选材料。
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目前已经找到一些硅的替代品用来制造更快、更强大的计算机芯片，以及生产更好的电池。这里面就包含石墨烯，这种只有一个原子厚度的“神奇材料”是于2004年由曼彻斯特大学发现的。许多其他纳米材料也在开发中。人们之所以对纳米材料如此感兴趣，是因为在微观层面合成物质时会产生很不寻常的现象。为了充分利用新特性或者更优的性能，可以使用现代加工工艺把很多块体材料转化为纳米材料。这些与粒子大小相关的特性包括物理、化学和光学等方面的性质。
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未来新材料方面的突破不仅会改变产品，还会改变人们的生活。未来更好的充电电池能够让电动汽车有更大的活动范围，也可以为移动设备（从智能手机到家用机器人）提供更长时间的续航。新材料也为重塑新能源市场提供了可能，可以把可再生能源存储到电网，或者存储到利用太阳能或者风能发电的建筑以及家庭里。到2050年，很多家庭或者企业可以远离电网，在电力供应方面保持一定的自主性。
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并不是所有的新材料都能够满足人们的预期，很多新材料都将因为未能大规模商业应用而被弃若敝屣。但是正如在发现新材料的过程中计算机提供了重要帮助一样，材料的工业化应用也将如此。在进行任何物理生产之前，越来越多的产品将先使用复杂的三维计算机辅助设计和建模系统进行虚拟原型开发。例如，一辆新车可以用计算机进行定制设计，对其引擎和悬挂系统进行调整，对其空气动力学性能进行优化。同时也可以通过虚拟现实在各种城镇以及道路环境中进行试驾。这些工程设计系统也考虑了材料的各种性质，如负荷、应力以及热力学等，能让利用新材料来改进产品变得更简单。另外，还可以使用计算机来设计和模拟将虚拟想法变成现实所需的生产系统。
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打印出一个新世界
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现实中，人们通常并不只是改造现有的生产方法，还会研发全新的生产工艺。其中一种吸引了很多眼球的技术是叠加制造，即大众更为熟知的3D打印。虽然3D打印在20世纪80年代就已经成形，但直到最近几年由于软件和硬件的改进才让其开始普及，下至低于1000美元的普通产品，上至超过100万美元的专业级工程系统，都可以使用此技术。
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这些机器现在能使用数十种不同的方法打印各种材料的物品，从塑料到玻璃、金属、陶瓷甚至生物物质。技术背后的基本原理都是相同的：把材料一层一层地叠加，而不是像传统工艺那样切割、钻孔、机械加工。这样减少了浪费，因为3D打印机只在需要的地方叠加材料。这些机器还可以生产那些传统生产工具很难或者无法制作的复杂几何形状，甚至是其他固体内部的结构，因为它可以从最底层一层一层地打印。
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开始时，3D打印主要用于快速的原型设计，又快又便宜地生产一次性样品。如果在工厂里调试传统机器来生产一次性样品，又慢又昂贵。但是3D打印机用软件来驱动，并且产品也是用同一个软件设计出来的，所以做完一个物件再做另外一个物件，只需要在软件里面调整一下就可以。叠加工艺现在也用于生产更多的成品。
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有人猜测，将来每个家庭都会拥有一台3D打印机，利用互联网上下载的设计图打印物品。在接下来的半个世纪，除了业余爱好者以及DIY（自己动手）发烧友，这可能不太现实。但是，3D打印将成为批量生产的一个组成部分。行业咨询家特里·沃勒斯预计，3D打印市场将从2016年的67亿美元增长到2040年的1.13万亿美元（见图10–1）。
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一些大型制造企业已经在叠加制造领域处于领先地位。其中通用电气（GE）已经在其位于亚拉巴马州的工厂安装了价值5000万美元的3D打印设备，用钴、铬和钼组成的“超级合金”为其新一代的LEAP飞机发动机生产燃油喷嘴。燃油喷嘴是须承受极高温和极高压的复杂部件，通常由20个左右不同的零件焊接在一起组成。对于LEAP发动机，通用电气使用电脑控制的激光把堆叠成层的原料粉末融化成所需的形状，一次成型将喷嘴打印出来。这样生产出来的喷嘴比原来的轻25%，耐用性高5倍。通用电气预计到2020年将会每年打印10万个燃油喷嘴。
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