3D打印不是萬能的，但FDM技術也沒那么LOW

作者：李剛


導語：以第四次工業(yè)革命、革新制造業(yè)之名，3D打印技術一度被推上神壇，然而至今并不大的市場規(guī)模（全球百億美金）讓從業(yè)者似乎看不清未來，GE、HP、西門子等體量較大的世界500強公司也在推動變革，不過3D打印給人的印象是，似乎什么都能做，似乎也做不了什么。


3D打印一個人的頭像能產生什么價值呢？


3D打印技術造房子

      今天要寫這篇文章的目的也很簡單，我們每天看到的新聞，打印火箭、打印汽車、打印房子、打印人體關節(jié)、打印細胞、打印文物、打印家具等等，3D打印似乎無所不能，但是這些新聞的技術應用是概念炒作還是未來方向，包括我在內的大眾其實很難判斷，我們該怎么去利用好這些技術，從哪里入手仍然是一個不太好回答的問題。


FDM技術打印出不同顏色的物品

      所以這篇文章的初衷還是希望大家更加理性客觀的去理解3D打印技術，了解技術的應用，之前寫過關于全彩3D打印的分享《挑戰(zhàn)色彩管理極限 揭秘3D打印彩色物體》，今天主要和大家聊的是3D打印技術里最容易使用、最基礎的技術，也就是FDM技術，下面結合我過去6年接觸和使用FDM技術和產品的理解，還有周圍朋友將FDM玩到極致的DBS以及康濕傅等人，讓我對FDM技術的理解更加深刻。


筆者當年見到第一臺3D system的Cube打印出來的小瓶子

       首先要和大家分享一個概念，3D打印技術學名增材制造，是一類技術的統(tǒng)稱，根據技術原理、材料以及應用的不同，技術類型又分為7大類，小的細分技術數十種，這些技術的共通點都是將三維模型離散為二維切片數據，然后逐層堆積或燒結固化材料，最終將三維數據變?yōu)榱Ⅲw實物。


FDM雙頭雙色打印打印的雙色模型

      3D打印技術一定不能萬能，客觀來講，它最初是為了實現快速原型而發(fā)明的，隨著技術和材料的發(fā)展，現在在向工業(yè)化的直接制造發(fā)展，無論是工業(yè)4.0還是國家提倡的《中國制造2025》，都離不開這個技術，這項技術與傳統(tǒng)的機加工、模具注塑、金屬注塑（MIM）等技術工藝一樣，能夠應對更復雜和優(yōu)化的設計、單件和小批量加工，有一定的技術特點，與其它工藝應該是互補的關系，目前還不能臆斷的去講3D打印技術可以替代傳統(tǒng)工藝，可以理解為是一種面對客戶的定制化需求、快速原型以及優(yōu)化設計的快速加工工藝和技術。


2011年之前的FDM打印機是這個樣子

      我們最容易接觸的3D打印細分技術之一是FDM技術（熔融堆積），所使用的材料大部分是高分子線材，比如廉價穩(wěn)定的PLA、ABS等，但是也有物理性能更好的材料，比如復合碳纖維、尼龍、PEEK、PC、PP等材料，由于該技術門檻低，最廉價的有幾百元的硬件，但是定位工業(yè)應用FDM設備數百萬，然而仍然有不少人認為這個技術太初級，沒有什么技術門檻，和激光燒結技術、噴射類技術、光固化技術相比，略微有點LOW，但是我卻不這么認為。

3D打印和航空航天關聯(lián)最多的案例是3D打印航空發(fā)動機葉片或者噴油組件，然而東方航空的技術公司早已經利用FDM 3D打印技術來進行飛機客艙內的配件維修和更換，所使用的材料ULTEM 9085是一種通過美國聯(lián)邦航空管理局認證的材料，具有很好的強重比和阻燃性。


東方航空技術公司利用FDM技術打印的座椅書報架

      截止到2017年，東方航空技術有限公司增材制造實驗室開發(fā)出客艙零件30多種，共生產了500多件成品零件裝配在飛機客艙內，實現了飛機上標準零件的快速制造和定制化零件的設計、開發(fā)、生產，解決了過去易損零件訂貨周期長訂貨成本高的問題。


東方航空技術公司利用FDM技術打印iPad支架，用于查閱飛行手冊

      上次采訪東航維修公司的時候，他們在使用一臺Stratasys Fortus 450在進行飛機客艙內飾零件的生產，一臺設備就已經產生不小的經濟效應。


東方航空技術公司利用FDM技術打印iPad支架，用于查閱飛行手冊

      所以，我們大部分人對FDM技術和材料的理解還處于比較初級的階段，而在實際的應用中，具有一定生產能力的FDM技術3D打印機已經很好的完成了從實驗到商業(yè)的轉化。

汽車工業(yè)的規(guī)模和產值在制造業(yè)占有極為重要的位置，汽車的生產制造也正在經歷著諸多變革。在生產線上，優(yōu)化部門既要保證生產不停，又要完成對工裝夾具的優(yōu)化和試裝，相信不少車廠都會遇到同類的問題。


北京奔馳在利用FDM技術3D打印進行工裝夾具優(yōu)化


北京奔馳的工具車間打印的一個量具模型

      我們知道北京奔馳在用FDM技術3D打印機進行工裝夾具和量具的設計優(yōu)化，而通用汽車已使用3D打印用于產品開發(fā)三十多年，并且在過去的十年中，使用3D打印技術生產了超過250000個零部件。


通用利用3D打印機打印工裝夾具


金屬3D打印直接制造的金屬零件，設計優(yōu)化更重要

      全新的零件設計，與原來的部件相比，重量減少40%，機械強度提高20%，原有的8個組裝零件變?yōu)?個，從而實現了無需組裝、一體化成型。

       寶馬i8Roadster的軟頂采用3D打印鋁制部件，呈Z字型折疊，通過粉末床金屬3D打印技術制造的輕量化支架也隨著i8Roadster的批量化生產而進入到量產領域。


XEV利用FDM技術打印電動車的車體結構和內飾件，輸出3D打印生產線

       除了這些大廠之外，中國電動車公司也在利用3D打印技術進行汽車制造，世界首款量產3D打印電動車LSEV由意大利電動車制造商XElectricalVehicle(XEV)與中國3D打印廠商Polymaker公司合作制造，然而據了解XEV這家公司的主要業(yè)務是輸出3D打印汽車的生產解決方案。


XEV的內飾零件也是3D打印的

      在汽車工業(yè)中，幾乎所有的車企都在利用3D打印技術積極優(yōu)化設計驗證和終極生產效率，并最終用于零件的制造。可以預想到的是，汽車工業(yè)中不僅需要金屬3D打印技術，還需要大型FDM技術或者專業(yè)級的FDM打印機，比如MarkForged的碳纖維3D打印機。

當提到金屬3D打印的時候，業(yè)內大部分會認為SLM技術（激光燒結金屬粉末）或者EBM（電子束燒結金屬粉末）技術是主流，然而該技術的工業(yè)級3D打印機的使用門檻還是比較高的。


FDM技術結合MIM工藝打印金屬零件

      FDM技術同樣能夠制造金屬零件，目前有兩大類利用FDM技術來生產金屬零件，一種是用FDM技術打印可以用失蠟法鑄造的模具，然后用傳統(tǒng)這鑄造工藝來進行小批量金屬件的生產。


FDM技術結合MIM工藝打印金屬零件，燒結之后的金屬零件成品

      還有一類工藝是利用FDM技術結合MIM工藝，也就是像Desktop Metal或MarkForged的方案，直接打印金屬注塑材料，然后清洗、燒結，最終產出金屬零件。


FDM技術結合MIM工藝打印金屬零件（左：金屬件；右：綠坯）


MarkForged Metal X打印的金屬零件


MarkForged Metal X打印的金屬零件


FDM技術打印的PolyCast材料進行金屬鑄造


FDM技術打印的PolyCast材料進行金屬鑄造


FDM技術打印的PolyCast材料進行金屬鑄造

      無論是鑄造還是金屬注塑工藝，都是將傳統(tǒng)技術、材料和FDM技術進行了結合，所以目前FDM技術是可以用于金屬零件的生產加工，優(yōu)勢是硬件更靈活，成本更低。

PEEK，學名聚醚醚酮，英文名稱polyetheretherketone（簡稱PEEK），它是分子主鏈中含有鏈節(jié)的線性芳香族高分子化合物。其構成單位為氧-對亞苯基-氧-羰-對亞苯基，是半結晶性、熱塑性塑料。


FDM技術打印PEEK零件

      聚醚醚酮(PEEK)樹脂是一種性能優(yōu)異的特種工程塑料，與其他特種工程塑料相比具有更多顯著優(yōu)勢，耐正高溫260度、機械性能優(yōu)異、自潤滑性好、耐化學品腐蝕、阻燃、耐剝離性、耐磨性、不耐強硝酸、濃硫酸、抗輻射、超強的機械性能可用于高端的機械、核工程和航空等科技。


FDM技術打印PEEK零件

      PEEK這種材料不僅物理特性好，而且具有非常好的生物兼容性，能夠像鈦合金一樣作為人體植入物來使用。


FDM技術打印PEEK零件

      目前，不少FDM技術的企業(yè)已經推出了針對PEEK材料的3D打印機，結合PEEK這種性能卓越的熱塑性材料進行個性化零件的加工和生產，比如德國的Apium，要加工PEEK這種材料，打印機要具備高溫、恒溫和高精度加工能力。

   前面聊的是具有一定生產能力的工業(yè)級FDM技術的3D打印機的應用價值，下面，我舉三個利用普通的桌面級FDM 3D打印機來進行創(chuàng)作的例子，因為桌面機價格和使用門檻都很低，對大部分個人都能去使用，但是有的人能用來創(chuàng)作大型作品，有的人比如我，也就能打一些小玩意，在專業(yè)玩家手里，依舊能產生巨大的價值，再次證明了FDM技術的3D打印機并不LOW，只是我們大部分人沒有將它的價值發(fā)揮到最大。


@康康康濕傅制作的1:1鋼鐵俠機甲

      @康康康濕傅花費了近10年的時間，利用FDM技術3D打印機完成了可穿戴帶交互的1:1鋼鐵俠機甲的開發(fā)和制作，在此過程中，付出了巨大的心血和精力，當我們看到成品的時候，你很難想象，這就是一套用最普通的FDM 3D打印機完成的開發(fā)和制造。


FDM技術3D打印機打印的全部零件


噴漆后的鋼鐵俠機甲零件


同樣是使用FDM技術3D打印機來打印

      在此過程中，@康康康濕傅還是借助FDM技術3D打印機完成了大量電影道具的開發(fā)工作，積累了3D打印和影視實體道具開發(fā)的全部經驗和技術儲備。

藝術家劉泳岐在2015年幫助藝人歐豪身穿的機械外骨骼設定，這套機械外骨骼經過三維設計，整套裝備80%的零件經過數十臺FDM 3D打印機不分晝夜的打印了上百組零件，然后進行精工裝配，呈現了未來戰(zhàn)士的先鋒科技感。


打印機械外骨骼的FDM技術3D打印機


利用FDM打印技術制作的機械外骨骼

      它創(chuàng)作的時間是在2015年，3D打印行業(yè)應該沒有太多人關注到這個項目，而歐豪穿的這套機械外骨骼的零件，大部分由FDM 3D打印機制作完成，在沒做任何表面處理的情況下毫無粗糙感和違和感，這需要對FDM技術有非常好的理解才可以發(fā)揮到很極致。


歐豪MV中的道具機械外骨骼

      關于3D打印和設計，這個項目負責人劉泳岐的理解是：“design這個詞很多人說是包豪斯定義的，不管是誰定義，設計其實就是在那個背景應運而生，而工業(yè)革命和兩次世界大戰(zhàn)的大時代命運，人們不得不加快生產效率，設計是一種迫切的目的，所以引發(fā)新一輪的工具和材料的變革，人們發(fā)明各種設備在各種行業(yè)里從事更快更“好”的生產，所以設計一開始就是目的為先不是理念為先。而3D打印算是一個新的工具的發(fā)明，如何使用它的經驗方法就是3D打印設計，3D打印的料性、特征、機理、以及效率等因素需要不斷洗刷從前的工業(yè)設備及材料認識，所以3D打印一定會幫助更多設計師，同時也會破壞一定的平衡，比如我經常會思考的一個問題是傳統(tǒng)行業(yè)是該保留還是該滅亡”。

近期，張飛打印正式發(fā)布了曾侯乙編鐘交互裝置，去年開啟的項目暫時告一段落，這套編鐘復制品看上去近乎接近于原品，而且還能發(fā)聲，整體以FDM 3D打印打印技術為主，輔助使用交互芯片，最終實現一個與兩千多年前編鐘發(fā)聲相同的互動媒體裝置。


3D打印編鐘交互裝置

      以聞名遐邇的“曾侯乙編鐘”作為原始參照模型，在尊重國之重器時，創(chuàng)新出更具時代氣息的3D打印編鐘。鈕鐘，形體上取曾侯乙鈕鐘造型，鐘體銘文替換成“北京工業(yè)大學藝術設計學院”以作紀念。


利用FDM 3D打印技術機型實體制造


利用FDM 3D打印技術機型實體制造

      張飛打印過去利用FDM 3D打印技術制做了大量的藝術裝置和作品，包括《馬上張飛》、《李小龍》、《瑪麗蓮夢露》等等太多數不過來，每年帶著學生利用FDM 3D打印機進行畢業(yè)作品的創(chuàng)作。最終呈現出來的作品，將我們帶回到歷史的那個年代，重新思考藝術與創(chuàng)新、藝術與技術。

      結語：再次重申一下我的觀點，3D打印并非萬能，而FDM技術的3D打印也沒有大家想象中和認知中的那么低端，我們更多的應該去思考，這項技術應該用在哪里，怎么去發(fā)揮技術和材料的特性，最終帶來價值。然而，無一例外的是，我們看到的這些成果，使用者和他們的團隊在背后都付出了巨大的心血，無論是創(chuàng)意和設計層面的思考，還是對技術的理解，以及最后的精細化處理和涂裝，結合了先進技術和傳統(tǒng)工藝的優(yōu)勢，在我看來，這就是創(chuàng)新的關鍵所在，所以，請讓我們心懷敬畏之心參與到創(chuàng)新加工的時代中。