3D 打印机要革“制造业”的命

发布时间:2013年01月11日 00:34 来源:慧聪研究

摘要:最近一段时间,“3D打印”这个词在媒体上出现的频率极高,一会能打印房子,一会能打印自行车,甚至还可以打印出一把可以射出真子弹的步枪……听到这里,你可能以为笔者在说故事,描述科幻电影中

【前言】

  美国科幻作家罗伯特?希克利曾写过一个“万能制造机”的故事,故事里的人们带着一台“万能制造机”飞往太空。尽管,“想要什么就生产什么”的现实还远没有科幻小说描述的那般轻松随意,但现在:

  有这么一类打印机,它可以打印出能飞的飞机、可骑行的自行车,或一块能吃的蛋糕、一只断臂再植的手臂,一座浑然一体的建筑物,甚至是一把突击步枪…… 这不是科幻电影,而是已经存在的现实。

 

  一、 “打”出来的世界

  毕业于内蒙古大学工程学院的杨工,最近乐得合不拢嘴,因为她得了一件神器,一台能使效率提升数倍打印机。这不仅减少她熬夜加班的次数,还免去了图纸会审时的纷争扯皮。最关键的是,结构设计可以和水暖电同步进行,使得二维线条从电脑跃然桌面,变化成3D实体模型。

  从事工民建设计的杨工,历经了从父辈手工绘图到2D制图的蜕变,十多年对于二维线条熟练的拖拽,使她拥有了自己的独立工作室,同事们习惯称她“杨大拿”。作为呼市最早一家民营设计公司的首席结构设计师,为掌控眼前这件神器,两个月的3D制图学习让她颇费了一番功夫。凭借着一次次打印实物竞标亮相,在甲方惊叹的同时,业务领域从传统的房地产,向城市规划、景观设计迈进。

  售价在66,650美元的ZPrinter 650 全彩三维打印机,让同行足以羡艳,登门取经者纷至沓来。在点击“Printing”键后,这台由Z Corporation 公司生产,貌似双缸洗衣机大小的银灰色打印机,“咝咝”地神奇般工作了。在电脑三维数据图像的控制下,6个打印喷头以20微米的厚度,一层层喷出液态材料,极薄地堆叠出建筑的主体部分。这是一种光敏树脂,在紫外线的照射下会立刻变硬。其余的部分则喷出的是填充材料,每喷一层,就进行一次紫外线照射,液态材料随即变硬。

  “600x450dpi的全彩分辨率,每分钟2-3层的打印任务,24色定模,完成一件模型需要2-3小时”,在一口气说出它的打印参数后,杨工从打印机机舱内拿出了一个立方体,经过十几分钟“洗澡”工序,冲去了填充材料,一件色彩逼真的3D建筑物模型跳入眼帘。

  3D打印机带来的变革不仅在建筑和景观上,位于北京海淀区魏公村的北大口腔医院,是卫生部三级甲等医院。刚从国外考察回来的主任谢医师,正向科室同事们汇报学习成果。呈现在投影幕上的图片,是利用3D打印技术,进行牙齿正畸和数字化种牙的PPT。

  “一改传统凭医生经验直接种牙,现在可以先扫描你的牙齿。获得3D数据图后打印出牙模,准确种牙位置,可以大大减少手术风险和患者疼痛。”长期专攻口腔修复的谢主任,极力推荐,她对这项技术的引进十分重视。

  有着同样想法的不止一人。卜春城——首都博物馆的研究员,古陶瓷鉴定专家。在近期的一次学术交流会中,对于馆藏的镇馆之宝——元青花凤首扁壶,再次修复方向提出了大胆的设想。48枚残片沉睡于北京朝阳区北土城路的元大都遗址内,已近八百年,出土后,虽经上海著名修复世家的复原。但是在釉色、晕撒效果上与苏麻离青料存有差异,在复原后器型上,局部与蒙元时期的典型特征不能吻合。能否在修复前,通过三维扫描,立体复原。即保持原有器物的神采,又能供文物研究并留下数字资料呢?这是卜研究员数年的主攻课题之一。

  摒弃原始的“锯钉”的方式,一改沾拼、重新上花纹的工艺,根据现存残片和史料,标出遗失部件的位置,通过三维拼出图形、适用3D处理软件,可以最大程度让古文物“重现天日”。这对提高文物修复和复原效果,促进馆藏重器的文化交流,有着不可估量的推动作用。3D打印机的采用,不但对于首博,同样对每月复原效率仅在1-2件的故宫博物院的古瓷修复专家们来说,同样是一件具有变革意义的喜讯。

  3D打印机(3D Printers),在中国刮起的技术变革之风,其实最早源自美国军方的“快速成型”技术。自美国Stratasys公司于1992首台商用3D打印机问世以来,该技术的发展之快令世界始料未及。

  2011年3月,英国设计出一款名为Airbike的自行车,用3D打印机一次成型地打印出车轮、轴承和车架,而后进行组装。这辆自行车采用尼龙材料,坚固程度与钢铝材料不相上下,但重量却减少65%,关键是——它可以骑。几个月后,世界首辆3D打印机制造的汽车现身加拿大。几乎与此同时,英国南安普顿大学“打印”了一台时速100英里的飞行器,2米长的机翼、集成操纵系统和舱门,均由打印机制作而成。

  3D打印技术质的飞跃,是在最近两年逐步发展起来的。在过去一年里,“魔幻现实主义”般的新闻层出不穷。美国康奈尔大学,在实验室里打印出一块有草莓酱的巧克力蛋糕。越来越多的美国大片中,开始使用3D打印机制造道具,《阿凡达》、《钢铁侠》、《变形金刚3》以及《复仇者联盟》中都有应用。更有甚者,3D打印机的传奇用途,再一次被改写。

  2012年7月,美国《大众科学》报导,一名枪械师打印出一支AR-15突击步枪,这支“打印步枪”竟可以速射出200发子弹。而它的成本,仅仅是30美元的塑料材料。

  事实证明,3D打印的新技术,正在重塑全球制造业的格局,并渗透至每一个行业里:建筑设计、食品制作、模型、复杂结构、零配件,诸多制造领域已展开应用。

 

  二、 耗材决定打印边界

  看似神奇的3D打印技术其实并不复杂。与传统制造业的做减法不同,它奉行的是加法原则。简单点说,可以理解为把物体分为若干个横截面,三维打印机将这些横截面一次一层的沉淀、堆积,最终形成所需的实体。

  在这一核心“秘籍”的指导下,不同的打印机有不同的流派打法,而使用的“墨水”则是其中的关键,它是实实在在的原材料。概括来讲,有两大类打印“耗材”,一类是使用粉末微粒作为打印介质,如金属粉、石膏粉,喷洒在铸模托盘上,形成一层极薄的粉末层,然后由喷头喷出液态胶水粘合剂进行固化。如上文提到的打印牙齿、甚至人体骨骼,其主要材料成分是磷酸钙,额外还添加了硅和锌以便增强其强度。

  再有一种叫做“熔积成型”技术(FDM),是将一根塑料绳,在喷头内融化成型,业内称之为“3D打印机焊条”,如PLA。其熔点比ABS较低,流动较快,不易堵喷嘴。打印出来的模型硬度好、强度高,作为结构件经久耐用。常见的有建筑材料、模具、模型、异性构件等。

  受耗材的限制,3D打印最初的应用局限在部件和样品上。汽车制造商和一些依赖模具开工的企业,在设计之初,仅需几个小时设计,就可以代替之前开模、定型、锻造、打磨和抛光等一系列繁琐的工艺流程。从客户的要求到选型,规模化生产,仅需数天时间。较传统工艺而言,大大节约了时间和成本。

  随着打印耗材的进一步发展,3D规模化生产(包含难以手工和机械工具完成)已经成为可能,按照输出物体的大小和材质不同,有小、中、大等不同类型的立体打印机。不仅在实验室,3D打印机在实战中暂露头角。2011年,波音公司开始用钛合金和不锈钢材料,直接打印飞机的机翼。当然,这种打印机的体积和价格都在另一个层面。

  现有的耗材中,常见的以塑料、树脂、食材、泥沙、金属等可塑性材料居多。从一块精细的骨骼,到庞然飞行器,只要能想到的,在耗材允许的条件下,3D都能打印。有一组数据,可以支持这种断言,Obiet 公司已经可以使用14种基本材料,混搭出上百种材料,3D打印理论上没有边界。

  不过,目前暂时无法实现木质、石头等可塑性不高的物品加工,未来这可能成为3D打印机发展方向之一。现阶段,3D打印还存在一定的局限性,如精度也只能精确到几十毫米,在规模化生产方面也不具备优势。但无论如何,3D打印趋势势必成为一种可能。

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