3D打印廬山面目

3D打印熱由來

　　3D打印實(shí)際上是對一系列“增材制造”技術(shù)的總稱。所謂增材制造,，是指不經(jīng)過車、銑,、鉆等傳統(tǒng)“減材”切削加工，而是通過堆疊材料來直接形成最終產(chǎn)品的一種制造理念,。這和平面打印機(jī)技術(shù)并無關(guān)聯(lián),，為什么會得到一個(gè)3D打印的美名呢？

　　這要?dú)w功于1990年由美國麻省理工學(xué)院申請的專利“三維印刷技術(shù)”,。該學(xué)院的四名科研人員從噴墨打印機(jī)原理出發(fā),，研制出一種能在平鋪著“塑料”粉末的平面上噴灑各種顏色“膠水”的打印機(jī)。當(dāng)打印生成一層平面后,，在平面上薄薄地鋪一層新粉末,，再繼續(xù)打印。打印完畢后,，吹走多余的粉末,，就能得到一個(gè)彩色的實(shí)體物品。

　　自這項(xiàng)專利見諸報(bào)端后,，所有的增材制造技術(shù)就逐漸被媒體統(tǒng)稱為3D打印了,。運(yùn)用麻省理工學(xué)院的這個(gè)專利，一些企業(yè)造出了按三維空間位置制造產(chǎn)品的“打印機(jī)”,。其打印過程新增數(shù)字化三維模型構(gòu)建,，用處理軟件生成不同高度的模型橫截面圖，將圖形轉(zhuǎn)化為打印控制代碼,。最終,，3D打印機(jī)通過執(zhí)行這段代碼，逐層打印,、固化,，生成理想中的物品。

　　3D打印既縮短了生產(chǎn)時(shí)間,，又減少了原材料浪費(fèi),，還能做出減材制造做不出來的超復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

　　既然3D打印技術(shù)大多是上世紀(jì)研發(fā)成功的，為何從2012年起才受到如此大規(guī)模的高度關(guān)注,？原因見仁見智,，但桌面級開源（用于客戶端且開放源代碼的）3D打印機(jī)在其中起到重要作用。

　　以Reprap（三維打印原型機(jī)）為代表的桌面級3D打印機(jī),，作為開源硬件通過“創(chuàng)客運(yùn)動(dòng)”（使用數(shù)字工具設(shè)計(jì)制造產(chǎn)品并通過互聯(lián)網(wǎng)分享成果）在全球呈現(xiàn)爆炸性增長,。特別是1992年取得美國專利的“熔融沉積成型技術(shù)”（FDM）在2009年過期后，以美國Makerbot公司為代表的一批硬件創(chuàng)業(yè)公司開始大規(guī)模銷售廉價(jià)的開源FDM 3D打印機(jī),，并鼓勵(lì)用戶復(fù)制,、改進(jìn)相關(guān)設(shè)計(jì)，最終把FDM 3D打印機(jī)帶到普通大眾身邊,，也讓媒體,、政府、相關(guān)領(lǐng)域的科研和工業(yè)界人士對3D打印有了更深的理解,。

　　挑破泡沫

　　目前國內(nèi)外對于3D打印的熱捧導(dǎo)致某些報(bào)道有點(diǎn)玄乎,，比如能直接打印汽車、打印腎臟云云,。在了解以上3D打印信息之后,，讓我們再以一種冷靜的眼光重新審視這些“神技”吧。

　　美國,、加拿大公司聯(lián)合研制的所謂“3D打印車”Urbee已問世一年有余,。它是一種兩人乘坐的三輪混合動(dòng)力車，其主要?jiǎng)恿�為電��,，輔以燃料乙醇,，目標(biāo)是成為最綠色的汽車�,？上�媒體報(bào)道時(shí)通常偏離其環(huán)保目標(biāo),，而稱它為“第一輛完全通過3D打印制造的車”。真是這樣嗎,？事實(shí)是現(xiàn)在仍無法僅通過3D打印的方式制造汽車?yán)锏年P(guān)鍵部件,，比如電機(jī)。這輛車全身上下唯一用3D打印來制造的部分只有外殼而已,。Urbee團(tuán)隊(duì)本想用玻璃鋼制造車外殼,，但在對比后選擇了FDM 3D打印技術(shù)。最終,，他們通過2500小時(shí)打印,，得到50個(gè)零件并組裝出了Urbee的外殼。

　　由此可見,，3D打印并不意味著將車的設(shè)計(jì)文件輸入機(jī)器,，就能夠無中生有造出一臺功能完整的車,。就連寶馬、現(xiàn)代等傳統(tǒng)車商,，迄今也剛剛做到用FDM 3D打印技術(shù)加速開發(fā)新型方向盤和儀表面板,。

　　現(xiàn)在看來，想用3D打印作為生產(chǎn)方式來取代大規(guī)模生產(chǎn)不太可能,。且不說3D打印技術(shù)目前尚且不具備直接生產(chǎn)像汽車這樣復(fù)雜的混合材料產(chǎn)品,，即使該技術(shù)在未來取得長足進(jìn)步，完全打印一輛車只怕要耗時(shí)好幾個(gè)月,，在成本上遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大規(guī)模生產(chǎn)車時(shí)均攤到每輛車上的成本,。所以，對于生產(chǎn)有大量剛性需求的產(chǎn)品來說,，具有規(guī)模經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢的大規(guī)模生產(chǎn)仍比重點(diǎn)放在個(gè)性化,、可定制的3D打印生產(chǎn)方式更加經(jīng)濟(jì)。

　　不過,，也正因?yàn)檫@個(gè)原因,，在某些生產(chǎn)規(guī)模無法達(dá)到“汽車”規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)的領(lǐng)域，3D打印正逐漸成為主力生產(chǎn)方式之一,。飛機(jī)工業(yè)就是一個(gè)典型,。由于飛機(jī)產(chǎn)量較小,，結(jié)構(gòu)復(fù)雜,，用傳統(tǒng)制造方式成本高昂，浪費(fèi)原料,，周期很長,。因此，波音公司正借助3D打印生產(chǎn)某些零件,，并已裝配到美國空軍現(xiàn)役戰(zhàn)機(jī)上,；中國西北工業(yè)大學(xué)正嘗試用“電子束熱熔”技術(shù)制造飛機(jī)用鈦合金零件；2012年度中國國家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)項(xiàng)目正是“飛機(jī)鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件激光成形技術(shù)”,。

　　在需要高度定制化的某些醫(yī)療領(lǐng)域,，3D打印也可以大展拳腳！今年3月初,，一位美國患者借助3D打印技術(shù)及計(jì)算機(jī)斷層掃描/磁共振成像數(shù)據(jù),，用美國“牛津高性能材料”公司的生物兼容塑料替換了自己75%的受損顱骨。

　　無獨(dú)有偶,，美國男孩盧克因膀胱頻繁滲尿,，導(dǎo)致腎功能受損。美國威克森林再生醫(yī)學(xué)研究所曾用3D打印技術(shù)為盧克定制了膀胱模子,，并使其自身細(xì)胞在模子內(nèi)發(fā)育成可發(fā)揮膀胱功能的器官,。這個(gè)人造器官讓盧克避免了終生依賴透析的命運(yùn),。但這種打印技術(shù)目前還無法制成有實(shí)用價(jià)值的腎臟等結(jié)構(gòu)、功能更復(fù)雜的器官,，此前媒體盛傳的3D打印腎臟還深藏在實(shí)驗(yàn)室中,，不能植入人體。目前,，威克森林研究所正嘗試?yán)�用噴墨打印機(jī)原理,，用細(xì)胞替代墨水，直接打印制造人體組織和器官,。

　　此外,，3D打印技術(shù)還可用于博物館展品復(fù)制、個(gè)性化玩具及首飾定制等等需要精確仿造或異想天開的設(shè)計(jì)等領(lǐng)域,。

　　懸疑待解

　　3D打印雖好,，但還不是一種像傳統(tǒng)平面打印那樣人人可用的技術(shù)。拋開價(jià)格不談,，設(shè)計(jì)三維模型這個(gè)技能就不是人人都能掌握,。雖然Makerbot Digitizer等廉價(jià)3D掃描儀已經(jīng)問世，但其主要功能是復(fù)制現(xiàn)有物品,，3D打印粉絲們則更希望創(chuàng)造全新物品,。

　　即便有了三維模型后，在逐層打印時(shí)仍需針對預(yù)設(shè)結(jié)構(gòu),，調(diào)整被打印物的朝向和打印參數(shù),，這道工序需要豐富的3D打印經(jīng)驗(yàn)才能較好完成。此外,，已達(dá)實(shí)用水平的所有3D打印技術(shù),，在打印完成后都需做各種后期處理：比如用水溶解或者人工剝離支撐材料；沖洗零件表面多余的光敏樹脂,；甚至通過烤制去除混入材料的連接劑,。

　　但是也別灰心。以生產(chǎn)吸塵機(jī)器人Roomba聞名于世的美國iRobot公司今年初提交了一項(xiàng)專利申請,，提出簡化3D打印設(shè)想：如果能讓在任意位置,、擺出任意角度的工業(yè)機(jī)器人作為打印平面，就能消除目前主流打印技術(shù)對支撐結(jié)構(gòu)的依賴,，在逐層打印時(shí)就無需考慮朝向或參數(shù)問題,。等這個(gè)專利所描述的機(jī)器人面世那一天，任何人都有望像操作平面打印機(jī)一樣操作3D打印機(jī)了,。不過值得關(guān)注的是,，3D打印也有“雙刃劍”效應(yīng)。如果生活是一部電影,，編劇就一定會讓大反派利用3D打印來制造武器,，這已不是影視作品的夸張渲染了,。美國德州大學(xué)奧斯汀分校的學(xué)生科迪?威爾遜就以設(shè)計(jì)、分享可供3D打印的槍支零件為己任,。依據(jù)美國法律,，擊發(fā)并自動(dòng)退殼的步槍下機(jī)閘是受管制部件。但威爾遜使用“光固化立體造型”打印技術(shù)制成下機(jī)閘,并與其他美境內(nèi)可自由購買的步槍零件組裝成一把仿AR-15自動(dòng)步槍,。在歷經(jīng)兩次改進(jìn)和第三版設(shè)計(jì)后,，該步槍在打光預(yù)存的600余發(fā)子彈后完好無損。也許威爾遜有一天會因此進(jìn)監(jiān)獄,，但正如媒體驚呼,，難道“已經(jīng)沒有人能阻止互聯(lián)網(wǎng)傳播這些武器設(shè)計(jì)了嗎”？

　　目前來看,，雖然作為生產(chǎn)方式,，3D打印還難以取代大規(guī)模生產(chǎn)而成為最主流的生產(chǎn)方式，但卻能滿足散布在世界各地的種種個(gè)性化需求,；作為快速原型制造工具,，3D打印使得硬件創(chuàng)新更加容易，帶動(dòng)了硬件的復(fù)興,；作為一種思想,，3D打印讓我們看到了科幻作品中描述的未來科技成真的曙光；作為一種制造幾乎任何物品的能力,，3D打印讓我們對“自由”重新思考,。