3D打印不是萬能的,，但FDM技術(shù)也沒那么LOW

作者：李剛


導(dǎo)語：以第四次工業(yè)革命、革新制造業(yè)之名,，3D打印技術(shù)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(chǎn)生什么價值呢？


3D打印技術(shù)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(guān)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(shù)應(yīng)用是概念炒作還是未來方向,，包括我在內(nèi)的大眾其實很難判斷，我們該怎么去利用好這些技術(shù),，從哪里入手仍然是一個不太好回答的問題,。


FDM技術(shù)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(shù)，了解技術(shù)的應(yīng)用,，之前寫過關(guān)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(shù)里最容易使用、最基礎(chǔ)的技術(shù),，也就是FDM技術(shù),，下面結(jié)合我過去6年接觸和使用FDM技術(shù)和產(chǎn)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(shù)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(shù)學名增材制造,，是一類技術(shù)的統(tǒng)稱,，根據(jù)技術(shù)原理、材料以及應(yīng)用的不同,，技術(shù)類型又分為7大類,，小的細分技術(shù)數(shù)十種，這些技術(shù)的共通點都是將三維模型離散為二維切片數(shù)據(jù),，然后逐層堆積或燒結(jié)固化材料,，最終將三維數(shù)據(jù)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(shù)一定不能萬能,，客觀來講,，它最初是為了實現(xiàn)快速原型而發(fā)明的,，隨著技術(shù)和材料的發(fā)展,，現(xiàn)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(shù),，這項技術(shù)與傳統(tǒng)的機加工,、模具注塑,、金屬注塑（MIM）等技術(shù)工藝一樣，能夠應(yīng)對更復(fù)雜和優(yōu)化的設(shè)計,、單件和小批量加工,，有一定的技術(shù)特點，與其它工藝應(yīng)該是互補的關(guān)系,，目前還不能臆斷的去講3D打印技術(shù)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(shè)計的快速加工工藝和技術(shù),。


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(shù)之一是FDM技術(shù)（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(fù)合碳纖維,、尼龍,、PEEK,、PC,、PP等材料，由于該技術(shù)門檻低,，最廉價的有幾百元的硬件,，但是定位工業(yè)應(yīng)用FDM設(shè)備數(shù)百萬，然而仍然有不少人認為這個技術(shù)太初級,，沒有什么技術(shù)門檻,，和激光燒結(jié)技術(shù)、噴射類技術(shù),、光固化技術(shù)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(guān)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(shù)公司早已經(jīng)利用FDM 3D打印技術(shù)來進行飛機客艙內(nèi)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(shù)公司利用FDM技術(shù)打印的座椅書報架

      截止到2017年,，東方航空技術(shù)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(chǎn)了500多件成品零件裝配在飛機客艙內(nèi),，實現(xiàn)了飛機上標準零件的快速制造和定制化零件的設(shè)計,、開發(fā)、生產(chǎn),，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(shù)公司利用FDM技術(shù)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(nèi)飾零件的生產(chǎn),，一臺設(shè)備就已經(jīng)產(chǎn)生不小的經(jīng)濟效應(yīng)。


東方航空技術(shù)公司利用FDM技術(shù)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(shù)和材料的理解還處于比較初級的階段，而在實際的應(yīng)用中,，具有一定生產(chǎn)能力的FDM技術(shù)3D打印機已經(jīng)很好的完成了從實驗到商業(yè)的轉(zhuǎn)化,。

汽車工業(yè)的規(guī)模和產(chǎn)值在制造業(yè)占有極為重要的位置，汽車的生產(chǎn)制造也正在經(jīng)歷著諸多變革,。在生產(chǎn)線上,，優(yōu)化部門既要保證生產(chǎn)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(shù)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(shù)3D打印機進行工裝夾具和量具的設(shè)計優(yōu)化，而通用汽車已使用3D打印用于產(chǎn)品開發(fā)三十多年,，并且在過去的十年中,，使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)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(shè)計優(yōu)化更重要

      全新的零件設(shè)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(xiàn)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(shù)制造的輕量化支架也隨著i8Roadster的批量化生產(chǎn)而進入到量產(chǎn)領(lǐng)域,。


XEV利用FDM技術(shù)打印電動車的車體結(jié)構(gòu)和內(nèi)飾件，輸出3D打印生產(chǎn)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(shù)進行汽車制造,，世界首款量產(chǎn)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(jù)了解XEV這家公司的主要業(yè)務(wù)是輸出3D打印汽車的生產(chǎn)解決方案。


XEV的內(nèi)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(shù)積極優(yōu)化設(shè)計驗證和終極生產(chǎn)效率,，并最終用于零件的制造�,？梢灶A(yù)想到的是,，汽車工業(yè)中不僅需要金屬3D打印技術(shù)，還需要大型FDM技術(shù)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(nèi)大部分會認為SLM技術(shù)（激光燒結(jié)金屬粉末）或者EBM（電子束燒結(jié)金屬粉末）技術(shù)是主流,，然而該技術(shù)的工業(yè)級3D打印機的使用門檻還是比較高的,。


FDM技術(shù)結(jié)合MIM工藝打印金屬零件

      FDM技術(shù)同樣能夠制造金屬零件，目前有兩大類利用FDM技術(shù)來生產(chǎn)金屬零件,，一種是用FDM技術(shù)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(chǎn)。


FDM技術(shù)結(jié)合MIM工藝打印金屬零件,，燒結(jié)之后的金屬零件成品

      還有一類工藝是利用FDM技術(shù)結(jié)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(jié)，最終產(chǎn)出金屬零件,。


FDM技術(shù)結(jié)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(shù)打印的PolyCast材料進行金屬鑄造


FDM技術(shù)打印的PolyCast材料進行金屬鑄造


FDM技術(shù)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(shù),、材料和FDM技術(shù)進行了結(jié)合,，所以目前FDM技術(shù)是可以用于金屬零件的生產(chǎn)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(gòu)成單位為氧-對亞苯基-氧-羰-對亞苯基,，是半結(jié)晶性、熱塑性塑料,。


FDM技術(shù)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(shù)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(shù)打印PEEK零件

      目前，不少FDM技術(shù)的企業(yè)已經(jīng)推出了針對PEEK材料的3D打印機,，結(jié)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(chǎn),，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(chǎn)能力的工業(yè)級FDM技術(shù)的3D打印機的應(yīng)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(chǎn)生巨大的價值,，再次證明了FDM技術(shù)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(shù)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(shù)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(shù)3D打印機來打印

      在此過程中,，@康康康濕傅還是借助FDM技術(shù)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(jīng)驗和技術(shù)儲備。

藝術(shù)家劉泳岐在2015年幫助藝人歐豪身穿的機械外骨骼設(shè)定,，這套機械外骨骼經(jīng)過三維設(shè)計,，整套裝備80%的零件經(jīng)過數(shù)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(xiàn)了未來戰(zhàn)士的先鋒科技感,。


打印機械外骨骼的FDM技術(shù)3D打印機


利用FDM打印技術(shù)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(yīng)該沒有太多人關(guān)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(shù)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(guān)于3D打印和設(shè)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(shè)計其實就是在那個背景應(yīng)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(chǎn)效率,，設(shè)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(shè)備在各種行業(yè)里從事更快更“好”的生產(chǎn),，所以設(shè)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(jīng)驗方法就是3D打印設(shè)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(shè)備及材料認識，所以3D打印一定會幫助更多設(shè)計師,，同時也會破壞一定的平衡,，比如我經(jīng)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(fù)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(shù)為主，輔助使用交互芯片,，最終實現(xiàn)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(shù)設(shè)計學院”以作紀念,。


利用FDM 3D打印技術(shù)機型實體制造


利用FDM 3D打印技術(shù)機型實體制造

      張飛打印過去利用FDM 3D打印技術(shù)制做了大量的藝術(shù)裝置和作品，包括《馬上張飛》,、《李小龍》,、《瑪麗蓮夢露》等等太多數(shù)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(xiàn)出來的作品,，將我們帶回到歷史的那個年代，重新思考藝術(shù)與創(chuàng)新,、藝術(shù)與技術(shù),。

      結(jié)語：再次重申一下我的觀點，3D打印并非萬能,，而FDM技術(shù)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(yīng)該去思考，這項技術(shù)應(yīng)該用在哪里,，怎么去發(fā)揮技術(shù)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(shè)計層面的思考,，還是對技術(shù)的理解，以及最后的精細化處理和涂裝,，結(jié)合了先進技術(shù)和傳統(tǒng)工藝的優(yōu)勢,，在我看來，這就是創(chuàng)新的關(guān)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,。