三維印刷:從比基尼到飛機

李微

從三維印刷機里“打印”出來的，可以是一件比基尼泳裝，也可以是一個燈罩，或一把小提琴，甚至是飛機的零部件。自從人類開始工業(yè)化生產(chǎn)以來，制造的過程一直都是一場“減法游戲”——切削并加工零件。而以三維印刷為代表，最新的“增材制造技術(shù)”，卻以“做加法”的方式，徹底顛覆制造業(yè)的傳統(tǒng)思路

今夏“最潮”的服裝是由美國“連續(xù)體時裝公司”（Continuum Fashion）和“型路技術(shù)公司”（Shapeways）合作生產(chǎn)的一件比基尼泳裝。這件于6月初最新發(fā)布的泳裝之所以時髦，不是因為它的色彩和外形設計，而是因為其制作工藝—— 它被稱為世界上第一件完全通過三維印刷技術(shù)“印制”出來的成衣產(chǎn)品。

你現(xiàn)在就可以通過型路技術(shù)公司的網(wǎng)站來訂制一件比基尼，也許它不是最時尚的泳裝，但該公司可以根據(jù)你發(fā)來的身體尺碼專門立即為你“印制”一件最合身的。組成這種比基尼的纖維，是由“犀?！庇嬎銠C輔助設計系統(tǒng)根據(jù)專門的運算法則而生產(chǎn)出來的。和以往的三維印刷產(chǎn)品所不同的是，這件比基尼泳裝并非展示品，而是可以正式投入生產(chǎn)銷售的“現(xiàn)貨”。它的出現(xiàn)，標志著可以在計算機系統(tǒng)輔助下，使用三維印刷技術(shù)根據(jù)每一位顧客的體型來定做個性化的服裝。

制造技術(shù)：從“減法”到“加法”

如果你對直接“印制”出服裝還覺得新鮮的話，那么你能想象，可以像印刷報紙一樣快速、高效地“打印”出各種復雜的機器零部件嗎？通用電氣公司（GE）的科學家正運用“新型增材制造技術(shù)”，可以一步就將零件加工到最終的形狀，因而顯著不同于傳統(tǒng)意義上的鍛造、鑄造或者切削加工的制造過程。在GE全球研發(fā)中心最近成立的“增材制造實驗室”中，他們已經(jīng)開始使用三維印刷等增材制造技術(shù)印制超聲波探頭等機器零件，他們甚至有印制飛機零部件的計劃。

“自從人類開始生產(chǎn)東西以來，制造的過程一直都是一場‘減法游戲，你必須切削并加工零件，直到變成你想要的形狀?！睋蜧E超聲探頭項目領導人的機械工程師普拉布交特.辛格（Prabhjot Singh）說，“盡管制作流程有所改善，但那種傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式仍浪費了大量的時間和材料?，F(xiàn)在的增材制造技術(shù)，如三維印刷和激光沉積技術(shù)，將徹底顛覆傳統(tǒng)的制造方式。這類新技術(shù)總的原理是，通過逐層添加材料而不是切削，來節(jié)省大量的時間和成本，并減少更多的原材料?！?/p>

以三維印刷為例，它的工作原理非常簡單：首先在電腦上繪制產(chǎn)品草圖，并細化修補其形狀和著色。接著按下印刷按鈕，印刷機開始運作，產(chǎn)品慢慢成型。三維印刷機可以根據(jù)產(chǎn)品的不同部位、不同原材料，而選擇不同的作業(yè)方式，產(chǎn)品在原材料的層層添加過程中慢慢成型。最終出爐的，可以是一個汽車零部件，也可以是一個燈罩，或一把小提琴。

最宜運用三維印刷的首先是醫(yī)療設備產(chǎn)品。隨著電子元件微型化技術(shù)的不斷進步，超聲波成像控制臺的成本在大幅降低，但超聲探頭的成本幾乎保持不變。這是因為，探頭的探測面周圍需要非常復雜的部件，才能獲得高清晰成像，所以需長時間的切割和打磨材料，超聲探頭從而也成為超聲設備中最昂貴、勞動最密集的部件。GE的研究人員正運用新型增材制造技術(shù)將探頭上這些復雜部件一次印刷成形，以免去數(shù)小時的切削及精細加工。

在印制超聲探頭的過程中，首先要在打印臺面噴撒一薄層含有光敏聚合物的陶瓷漿料。通過一個能反映物體形狀的掩膜將這層物質(zhì)暴露在紫外燈光下。光敏聚合物受到紫外光照射就會被固化，并將漿料內(nèi)的顆粒粘合起來。然后，打印臺面向下移動幾分之一毫米的距離，放置不同的掩膜，再重復上述操作。工序完成后，除去固化形狀以外的多余漿料，再放入爐內(nèi)加熱，使陶瓷分子熔結(jié)在一起。

不過，要將該技術(shù)運用于大規(guī)模生產(chǎn)還需做更多的工作。研究人員之所以首選超聲探頭作為試驗模型，是因為它復雜的幾何形狀能夠?qū)β暡ㄆ鸬骄酆献饔?，同時制造探頭所用的材料——陶瓷，比金屬在傳統(tǒng)的切削和鉆孔的加工精度上更難得到保證，而這一點卻很容易通過三維印刷成型得到。

一場制造業(yè)的革命

以三維印刷為代表，增材制造技術(shù)的優(yōu)點顯而易見：無需產(chǎn)品生產(chǎn)線，可大幅削減成本；制造同一件產(chǎn)品，三維印刷機所需的原料僅為傳統(tǒng)制造技術(shù)的1/10，極大減少了原材料浪費；再次，三維印刷允許操作者對各種產(chǎn)品零部件進行任意創(chuàng)作改造，這在傳統(tǒng)的制造技術(shù)中則無法實現(xiàn)。

相比以往的“減法”游戲，這種“做加法”的生產(chǎn)方法，其最大魅力還在于：將設計者的思想從現(xiàn)有的局限中解放出來。由于以往傳統(tǒng)加工條件的限制，設計者們經(jīng)常要用到很多零件，這使得他們對產(chǎn)品外形的設計無法最優(yōu)化。而三維印刷技術(shù)則給設計師們帶來了更廣闊的創(chuàng)作空間，使零部件設計更加靈活。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，這種逐層添加材料的增材制造技術(shù)能制造出更多不同幾何形狀的零件。

此外，增材制造技術(shù)將眾多產(chǎn)品零部件集成合一，從而減少了裝配環(huán)節(jié)，同時也降低了產(chǎn)品重量——這一點在航天領域尤為重要。將這種“打印”技術(shù)運用于航空工業(yè)，可節(jié)省制造飛機發(fā)動機所用的原材料。

這項技術(shù)的另一美妙之處在于，它使產(chǎn)品制造得以脫離大型工廠。小型產(chǎn)品可以經(jīng)由一臺放置在辦公室、商場、家庭客廳里的臺式電腦完成；大型產(chǎn)品如自行車框架、車身金屬板、飛機零部件則需要更大型的印刷設備及更多的空間。GE全球研究生產(chǎn)技術(shù)負責人盧阿納.埃爾里奧（Luana Iorio）表示，他們正致力于如何將該項技術(shù)應用于所有商業(yè)領域，從航天到發(fā)電，再到消費產(chǎn)品。

如今的三維印刷機已然可以與注塑成型法匹敵，單次可制造大約1000件產(chǎn)品。這個數(shù)字還會不斷攀升。它降低了進入制造業(yè)的門檻。如果你可以在電腦上設計產(chǎn)品，就可以把它變?yōu)楝F(xiàn)實。先少量制作一些成品以試探市場，如果市場反應良好，便可繼續(xù)制造，并從早期用戶的反饋中形成改進設計的一手資料，這將給創(chuàng)新者和制造業(yè)起步者帶來極大的便利。

正因如此，三維印刷機天然地帶有推廣創(chuàng)新設計的基因。如同開源程序員通過分享軟件代碼達成合作，三維印刷機的工程師們已經(jīng)開始在產(chǎn)品設計及硬件開發(fā)上達成了合作。

三維印刷技術(shù)給制造業(yè)帶來的影響絕不止于對資本和工作崗位的重新分配，還在于對知識產(chǎn)權(quán)規(guī)則帶來的沖擊。當產(chǎn)品設計的所有數(shù)據(jù)都保存于一個數(shù)字檔案中時，這個檔案就極易被復制、傳播以及盜版。這種情況在數(shù)字音樂行業(yè)已經(jīng)極為普遍，因而為三維印刷技術(shù)的使用制定新法律極為必要。對此，知識產(chǎn)權(quán)領域的律師們已經(jīng)摩拳擦掌，躍躍欲試了。

在歷史上，沒有人預料到1450年發(fā)明的印刷機、1750年創(chuàng)造的蒸汽機及1950年發(fā)明的晶體管等新技術(shù)帶來的深遠影響。同樣，現(xiàn)在沒有人可以預測三維印刷技術(shù)的廣泛影響力。三維印刷技術(shù)來勢洶洶，很可能打亂它要涉入的每一個領域。盡管三維印刷技術(shù)在短期內(nèi)就會分出在其應用上的勝利者和失敗者；但從長遠來看，它必將擴大整個印刷行業(yè)的版圖，也將迅速擴展人們的想象力，并引發(fā)出制造業(yè)的一場革命。