3D打印真面目

張浩

“3D打印”概念近來熱到燙手，但人們對它的印象卻仍然模糊。盡管如此，從美國到中國的3D打印粉絲們都期待它能像機械化、大規(guī)模生產(chǎn)和互聯(lián)網(wǎng)那樣，深遠地改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)方式、生活方式乃至人類的歷史。

3D打印熱由來

3D打印實際上是對一系列“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。這和平面打印機技術(shù)并無關(guān)聯(lián)，為什么會得到一個3D打印的美名呢？

這要歸功于1990年由美國麻省理工學院申請的專利“三維印刷技術(shù)”。該學院的四名科研人員從噴墨打印機原理出發(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。當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，就能得到一個彩色的實體物品。

自這項專利見諸報端后，所有的增材制造技術(shù)就逐漸被媒體統(tǒng)稱為3D打印了。運用麻省理工學院的這個專利，一些企業(yè)造出了按三維空間位置制造產(chǎn)品的“打印機”。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)時間，又減少了原材料浪費，還能做出減材制造做不出來的超復雜結(jié)構(gòu)。

既然3D打印技術(shù)大多是上世紀研發(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打印機在其中起到重要作用。

以Reprap（三維打印原型機）為代表的桌面級3D打印機，作為開源硬件通過“創(chuàng)客運動”（使用數(shù)字工具設(shè)計制造產(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)模銷售廉價的開源FDM 3D打印機，并鼓勵用戶復制、改進相關(guān)設(shè)計，最終把FDM 3D打印機帶到普通大眾身邊，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打印的熱捧導致某些報道有點玄乎，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力車，其主要動力為電力，輔以燃料乙醇，目標是成為最綠色的汽車?？上襟w報道時通常偏離其環(huán)保目標，而稱它為“第一輛完全通過3D打印制造的車”。真是這樣嗎？事實是現(xiàn)在仍無法僅通過3D打印的方式制造汽車里的關(guān)鍵部件，比如電機。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團隊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小時打印，得到50個零件并組裝出了Urbee的外殼。

由此可見，3D打印并不意味著將車的設(shè)計文件輸入機器，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)像汽車這樣復雜的混合材料產(chǎn)品，即使該技術(shù)在未來取得長足進步，完全打印一輛車只怕要耗時好幾個月，在成本上遠遠高于大規(guī)模生產(chǎn)車時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)濟優(yōu)勢的大規(guī)模生產(chǎn)仍比重點放在個性化、可定制的3D打印生產(chǎn)方式更加經(jīng)濟。

不過，也正因為這個原因，在某些生產(chǎn)規(guī)模無法達到“汽車”規(guī)模經(jīng)濟效應的領(lǐng)域，3D打印正逐漸成為主力生產(chǎn)方式之一。飛機工業(yè)就是一個典型。由于飛機產(chǎn)量較小，結(jié)構(gòu)復雜，用傳統(tǒng)制造方式成本高昂，浪費原料，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)機上；中國西北工業(yè)大學正嘗試用“電子束熱熔”技術(shù)制造飛機用鈦合金零件；2012年度中國國家技術(shù)發(fā)明一等獎獲獎項目正是“飛機鈦合金大型復雜整體構(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)及計算機斷層掃描/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。

無獨有偶，美國男孩盧克因膀胱頻繁滲尿，導致腎功能受損。美國威克森林再生醫(yī)學研究所曾用3D打印技術(shù)為盧克定制了膀胱模子，并使其自身細胞在模子內(nèi)發(fā)育成可發(fā)揮膀胱功能的器官。這個人造器官讓盧克避免了終生依賴透析的命運。但這種打印技術(shù)目前還無法制成有實用價值的腎臟等結(jié)構(gòu)、功能更復雜的器官，此前媒體盛傳的3D打印腎臟還深藏在實驗室中，不能植入人體。目前，威克森林研究所正嘗試利用噴墨打印機原理，用細胞替代墨水，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制、個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)。拋開價格不談，設(shè)計三維模型這個技能就不是人人都能掌握。雖然Makerbot Digitizer等廉價3D掃描儀已經(jīng)問世，但其主要功能是復制現(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，在逐層打印時仍需針對預設(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)驗才能較好完成。此外，已達實用水平的所有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)吸塵機器人Roomba聞名于世的美國iRobot公司今年初提交了一項專利申請，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，在逐層打印時就無需考慮朝向或參數(shù)問題。等這個專利所描述的機器人面世那一天，任何人都有望像操作平面打印機一樣操作3D打印機了。

不過值得關(guān)注的是，3D打印也有“雙刃劍”效應。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。美國德州大學奧斯汀分校的學生科迪·威爾遜就以設(shè)計、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)并自動退殼的步槍下機閘是受管制部件。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自動步槍。在歷經(jīng)兩次改進和第三版設(shè)計后，該步槍在打光預存的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，帶動了硬件的復興；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。

（作者為科普作家）