3D打印的仲夏/ The midsummer of 3D printing

2013.7

如果还有什么比这个气温频频破表的夏天更为火热的东西,那一定是3D打印了!从专业人士到普通百姓大家都在热议这一技术的应用和前景,更有人大胆预测它将是继,蒸汽、电力、信息技术后的第四次产业革命。奥巴马在国情咨文中多次提到3D打印,并将其视为振兴美国制造业的一剂良药,而中国各地也在筹划自己的3D打印产业园。从服饰到出行,从建筑到医疗3D打印刮起的旋风席卷了生活的方方面面,那3D打印究竟是什么,它是如何让无数人为止痴迷的呢?就让我们来共同领略它的魅力。

3D打印又称加法制造(AdditiveManufacturing),它究竟是一个什么样的技术呢?打个不太严谨的比方,普通的喷墨打印机打出的是墨水,我们试想把墨水替换成塑料或者金属,喷头往复打印在同一个区域,固态的“墨水”就会因为一层层的重复,而堆积出立体形态,逐层制造,层层堆叠可以说就是3D打印的技术核心。

与传统的生产技术相比它能快速而精确的制造出结构复杂的产品,它不需要借助成本高昂的刀具或者模具。更重要的是传统生产必须达到几万、甚至几十万的产量才能收回制造成本,但3D打印生产一件或者几千件的单件费用几乎相同,这就方便了小规模,定制化,快速生产的需求,显然更符合当下个性化消费的潮流。

3D打印的普及中,最让普罗大众着迷的也许是服饰上3D打印的应用了。荷兰服装设计师Iris van Herpen的灵感来自各种自然原素,她希望使用立体的方式而非传统蕾丝或印花的平面工艺来体现其设计,并创造出突破性的视觉体验,而传统制造工艺,很难达到她所希望的效果。经过各种实验探索后,自2010年起她便使用3D打印完成高端定制系列作品。Iris的作品有着狂放的想象力,极富张力的造型和令人咋舌的细节,而这一切只有依靠3D打印才能完成。从最初无法贴身的固态塑料FDM技术,到最新系列中由麻省理工Media Lab开发的可贴和人体曲线的柔性材料技术,Iris的作品,几乎可以成为3D打印技术在服装界应用的范本被大家学习。

用可以承受的花费,拥有一台独一无二的汽车,是无数人的梦想,通过3D打印人们的这一愿望便能成为现实。因为它不依靠上百万美元的金属冲压模具进行生产,所以极大的降低了单车的生产成本。设计师们可以在不改变底盘结构的基础上根据顾客的需求,设计出各种天马行空的造型。加拿大的KOR Ecologic公司便是这方面的先驱,利用FDM技术,它们制作出了史上第一辆3D打印汽车取名Urbee。它采用油电混合动力,双座的车型,如果只单独采用电池亦能行驶320公里。虽然底盘和机械结构仍然采用传统金属焊接工艺制造,但遥想当年莱特兄弟的简陋飞机谁预知它将达到什么样的高度呢?



如果你认为3D打印只能制作小件产品那就大错特错了。通过对固定装置和机械传动结构的改进,技术人员可以制造出各种规格的3D打印机,来生产体量惊人的作品。荷兰的DUS ArchitectsUniverse Architecture和英国的Softkill三个独立团队目前都在力争完成世界第一栋3D打印建筑。每个团队都有自己独特的打印技术。Universe Architecture的合作方是由意大利工程师Enrico Dini领导的D-shape打印机公司,采用沙子与粘合剂相混合的材质,目前已经能打印6×9米面积,高度不限的物体。

如果你觉得这些挑战还不够惊人,那欧洲宇航局和Norman Foster爵士更展开了3D打印月球空间站的研究计划!同样使用D-shape打印机,但材料变成了月球尘埃与特质粘合剂混合制剂。空间站的建造成本中一大部分是地球到月球的火箭快递费,而通过这一技术只需将3D打印机和粘合剂从地球运到月球,总成本自然将急剧下降,人们还能更方便的在月球上扩建新的空间站。

由于3D打印能够方便快捷的完成定制,因此它在医学领域的应用可谓突飞猛进。定制的3D打印矫正牙套可以保证矫正过程符合使用者的个人生理特征;3D打印的金属人造骨骼,其力学性能和贴合度更是远超普通的金属/陶瓷植入物,3D打印的骨折支架不仅比石膏来的更为轻便,透气的设计更将极大的缓解骨折恢复期的不适。更有多个团队在研究3D打印人体组织的新技术,其中美国的Organovo公司利用人体干细胞技术培育打印的人体血管已经得到了突破,而下一步的研究对象是更为复杂的人体器官,说不定今后,我们都有可能换上12个和天生器官完全一致,但更为年轻的人造“零件”来延年益寿呢。

除了上述这些“严肃”的应用之外3D打印还有许多令人称奇的实例。美国的夫妻档The sugar Lab就用3D打印机试制3D砂糖。培乐多彩泥最近也推出了他们的Play-Doh 3D Printer。孩子们可以利用特质的Ipad软件设计各种形态,打印机会根据设计挤出一条条彩泥,逐层堆积并最终成型。

衣食住行玩,3D打印已经无所不包,但同所有的新技术一样,它仍然面临了很多的问题。首先多数3D打印所生产的成品其力学性能都无法与传统制造出的产品相比,也就是说他们还过于脆弱。其次3D打印还受到打印速度的影响,哪怕打印头跑的比飞机还快,但由于精度和层层堆积的成型原理,其批量制造速度,还无法与传统生产相比。更深刻的还有安全和版权问题。去年美国人Cody Wilson制作了第一把3D打印塑料手枪,因此能躲过任何安检设备,将图纸公布在网上后,任何人都可以下载图纸自行生产。Cody的手枪因为塑料部件只能发射一次而采用SLM技术打印的金属枪,则能完全和正常枪支一样使用。由于数字化的图纸和低廉的单件生产成本,只要有电子图纸,任何人都能利用3D打印机制造一台与原型相同的产品,而这对版权的保护无疑也是一个巨大的漏洞。

人类总是在解决问题,创造问题,解决新问题的循环中螺旋发展,而3D打印现在的问题也许在不久之后都能被我们解决。它因为数字化的便捷生产方式使无数人为止倾倒,而本地化、个性化的商业模式业已成为一种潮流。我相信随着越来越多的人加入到3D打印的浪潮中,它的热度还会持续,而“沸点”也许就在不远的将来。



表一(3D打印与传统生产的优势对比)

 

3d打印

传统规模生产

快速生产

一般

小批量生产

生产复杂造型产品

较差

初期投资

新产品生产追加投资

 

1984年首台3D打印机问世以来,不同的研发团队开发了各种不同的3D打印技术,它们都有各自的优势和相对应的材料应用,但万变不离其宗的是逐层堆积的加法原则。

表二(常见的3D打印成型技术)

全称

简称

技术特点

使用材料

主要应用范围

光固化成型 Stereo Lithography Apperarance

SLA

紫外线激光逐点固化槽斗内的液态光敏树脂

光敏树脂

模型、消费类产品、艺术品

激光选区烧结

Selective Laser Sintering

SLS

激光逐点烧结或熔化粉末材使其固化成型

热塑性塑料,金属粉末,陶瓷粉末

结构零件,消费类产品

激光选区熔化

Selective laser Melting

SLM

SLS类似,但使用功率更高的激光使得粉末材料彻底融合,形成致密的材料结构

钛合金粉,铝合金粉等各种金属粉末

有一定强度的金属构件

熔融沉积制造

Fuse deposition modeling

FDM

加热熔化丝状材料,并从喷头喷出熔融态物质,材料经空气冷却后固化

热塑性塑料(例如,聚乙烯、ABS等)

模型、消费类产品、工艺品、艺术品

电子束熔丝制造

Electron Beam Freeform Fabrication

EBFF

与传统电焊类似,在真空环境下,利用高能电子束熔化金属丝并逐层堆积。

各种合金丝

各种大型金属部件

粉末三维喷印Powder bed and inkjet head 3d printing

 

3DP

将可添加染色剂的粘合剂喷涂在粉末材料上,粘合剂中的溶剂蒸发后,留下固态成品。打印完成后根据材料可进一步烘烤或烧结,极大的提高成品结构强度

树脂或是其他无机材料粉末

模型、消费类产品、工艺品、艺术品



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