《老子》(六十四章)有云:“合抱之木,生于毫末;九层之台,起于累土。”以两千年前思想大家老子的这句话作为全书的开篇,应是再合适不过了。首先,它几乎准确地“预言”了3D打印的过程:从“毫”米级(如标准的1.75毫米、3.0毫米)的细丝或更细的粉“末”开始,通过逐层“累”积的方式,制造出3D物体。其次,以3D打印机这么小小的一台机器,谁又能想到它竟被英国著名经济学杂志《经济学人》声称将引发史诗般宏大的全球第三次工业革命呢?通过老子的这句深含哲理的话,我们可以领悟到:不要小看了事物的毫末之始,新工业革命的“九层之台”正由它而立起!

在本章中,我们从3D打印“神话般”的造物体验说起,也对目前社会上关于3D打印的一些质疑进行了探讨。实际上,如果只把眼光局限于3D打印目前的产能,让它与大规模流水线上的“大块头”工业机器们比速度、比谁的力气大、比谁干的活儿多,就着实“大材小用”了。3D打印与智能数字化是一对孪生兄弟,如果没有了智能数字化这个兄弟,3D打印也确实只能去拼力气、比活儿多了。而当有了智能数字化,结合创客们的创新精神,“中国制造”必将抓住“中国智造”的历史机遇,给中华文明谱写崭新的篇章。


1.1 3D打印:体验造物奇迹

近年来,我们经常能听到“3D”这个名词,且往往跟高科技联系在一起,如3D显示、3D电影、3D扫描、3D打印等等。按理说,人类每天就生活在三维空间中,3D对我们来说本应是一个再寻常不过的概念。3D之所以被认为是“高科技”,很大程度上归因于我们通过高科技的数字化手段,使得客观世界中的3D实体能够在虚拟世界中得以高精度重建(3D扫描)、智能化编辑(3D设计)、真实感高清展示(3D显示),乃至重新返回至客观世界(3D打印)。就学科专业而言,3D技术横跨计算机视觉、计算机图形学、模式识别与智能系统、复杂系统与自动控制、数据挖掘与机器学习、工程材料学、光机电一体化等,是名副其实的“技术密集型”高科技。

3D打印(三维打印)是增材制造技术(AMAdditive Manufacturing)的俗称。3D打印,名为“打印”,实为“制造”,结合智能数字化,更可实现“创造”!实际上,在大量的英文文献中,3D打印(3D Printing)常被称作3D Fabrication3D制造),这更准确地描述了3D打印的本质。

与传统的“切削去除材料”的加工技术(如3D雕刻)完全不同,3D打印以经过智能化处理后的3D数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可热熔粘合材料,通过分层加工、叠加成形的方式“逐层增加材料”来生成3D实体。由于可采用各种各样的材料(液体、粉末、塑料丝、金属、沙子、纸张、甚至巧克力、人体干细胞等),而且可以自由成形(任意复杂的中空镶嵌形状),所以3D打印机是名副其实的“万能制造机”。

1.1-1是一幅关于3D打印的漫画,一个人把自己给打印了出来,相信一定会让你印象深刻。接下来,就让我们一起体验3D打印带来的造物奇迹吧!

1.1-1  一幅关于3D打印的漫画,一个人打印出了自己 (图片来源:《经济学人》)

如图1.1-2所示的这些雕塑是由Bathsheba Grossman用复杂的激光烧结而成。对于要求具有复杂的内部中空、凹陷、互锁或者有大量规则细节图案的形状加工,3D打印机是首选的制造设备。智能数字化设计(下图左上)可对零件进行优化,减轻重量,同时保持原有强度和其他关键性能。由于是一次成形,使产品成为一个整体,这样也减少(或免除)零部件的装配。

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1.1-2  3D打印出的任意复杂设计形状,传统制造工艺无法加工 (图片来源:Bathsheba Sculpture

如图1.1-3所示,3D打印的衣服和鞋子亮相巴黎时装周。仔细查看衣服上无数精细花纹,我们可以知道:精美的手工刺绣和针线活已被智能数字化和3D打印取而代之。

在材料上,服装师们也已经有了更多更好的选择,比如Materialize公司最新研发的TPU92A-1合成材料,可用于设计很酷的时装:这种材料拥有非常好的弹性和韧性,能够在受到高强外力的情况下快速恢复原来形状。

3D打印不仅可以用来制造独具个性的高跟鞋(图1.1-3右上角),还可以帮助设计师实现更多灵感。图右下角的这双鞋的设计灵感来自大自然中的树根,3D打印技术能够建立错综复杂、相互交织的须状鞋跟,模仿树根在脚下扭曲和盘旋。这是其他任何一项制造技术都做不到的。

1.1-3  3D打印的衣服和鞋子闪耀亮相巴黎时装周 (图片来源:Reuters

耐克(Nike)“Vapor Laser Talon ”跑鞋,如图1.1-4所示,抛弃了传统制鞋工艺,使用3D打印制造,只有158.7克(相当于3枚鸡蛋的重量),可以帮助运动员在草地赛场上“飞”起来。这款鞋子仅在7个月之内,就已经试做、试用了成百上千双,直到最终满意定型。传统工艺在如此短的时间内根本无法做到,只能通过3D打印来实现。

1.1-4  耐克的定制跑鞋,仅3枚鸡蛋重,让运动员找到“飞一样”的感觉 (图片来源:Nike

3D打印的OpenReflex胶片单反相机(如图1.1-5所示),成本相当便宜(不到200元人民币),只需要15小时的3D打印及1小时的组装就能使用了。这台相机虽然只能使用1/60秒快门,却可以兼容任何镜头,可谓相当强悍,其主要部件都是用ABS材料打印。

3D打印的胶片单反相机

1.1-5  3D打印的胶片单反相机,成本不到200 (图片来源:Thingiverse

俄罗斯大皇冠是为1762年凯瑟琳的加冕礼打造的。它作为官方权力的象征,每任君王都需要戴着它。通过智能数字化扫描和设计,3D打印机已精确复制出原版皇冠,如图1.1-6所示。复制品采用WIC-100树脂以及14K白金打造。由于使用了3D打印机,将制造时间由预计的一年缩短到两个月,而且所达到的精准度超越了手艺人采用的常规方式。

沙俄珠宝大皇冠采用3D打印钻石

1.1-6  沙俄大皇冠完美复制品采用3D打印珠宝钻石 (图片来源:Envisiontec

维也纳科技大学推出的“纳米级3D打印机”可打印出纳米级的物件,让很多人惊叹的微雕作品现在就可以通过这台打印机轻松搞定。如图1.1-7所示,我们看到的是3D打印出的维也纳圣史蒂芬大教堂和F1赛车模型,直径不超过人类的头发丝,比一粒沙子还小。纳米级3D打印机使用液态树脂,通过激光使树脂硬化成形,此技术被称为“双光子光刻”,而且打印速度非常快,可达5/秒,创造出了一个新的世界纪录。

 

1.1-7  纳米级3D打印问世,实现微雕制作 (图片来源:维也纳科技大学)

美国国家航空航天局(NASA)宇航员前往火星需要携带大量食物,3D打印机可以按照“数字菜谱”混合各种粉末,制造色香味俱全且营养可口的太空食品。食物原料从藻类、甜菜叶及昆虫等可持续资源中提取,经过脱水处理后,保质期可延至30年左右。这个计划很快就会得以实现,不信?请看看目前3D打印机所打印出来的各种饼干、巧克力和糖品,如图1.1-8所示,诱人否?

1.1-8  3D打印机所打印出来的各种饼干、巧克力和糖品 (图片来源:Evil Mad Scientist Lab

荷兰建筑师Janjaap Ruijssenaars所主导的3D打印项目如图1.1-9所示,这将是全球首个3D打印的大型建筑物。他的计划是打印6×9米的模块框架,这些模块由沙子和无机粘结剂组成,然后使用钢纤维混凝土填充,最终的产品将是一幢二层楼。这是一个“莫比乌斯带”(Möbius band)式的建筑(它没有正反面之分,在上面一直走,可一次走完所有面)。由于采用了创新的3D技术进行打造,因此它将成为一座兼具延伸性和适用性的建筑。与此同时,麻省理工学院(MIT)的研究人员正在开展另一项研究,如何利用3D打印在一天之内打印出房屋主要结构,而利用传统的建筑团队则需要一个月的时间才能完成。

1.1-9  荷兰建筑师设计的“莫比乌斯环”建筑,将采用3D打印进行建造 (图片来源:Janjaap Ruijssenaars

如图1.1-10所示,美国研究人员花了4个月设计时间,3D打印出无人飞机,巡航时速可达到45英里,成本仅2,000美元。该飞机翼展约2米,所有零部件都是通过3D打印机制造出来的。经打磨喷漆处理之后。外形也非常时尚。而在5年前,光制造塑料涡扇发动机的成本就约为25万美元,还需要花上两年时间。

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1.1-10  3D打印出的无人飞机,巡航时速45英里,成本仅2,000美元 (图片来源:弗吉尼亚大学)

美国重型机车厂OCC,利用大型的商用3D打印机成功打造出一款咆哮的“中国龙”型摩托车,如图1.1-11所示。该车由一位中国客户定制,龙头部分由3DS Max软件设计后,输出到3D打印机一次性打印成型,然后直接组装和整合到机车上就可以了,大大简化了龙头的设计和生产周期,同时也极大地降低了制造成本。劳斯莱斯,纯手工打造?可以肯定的是,手工打造以后将不再显得那么金贵。

1.1-11  3D打印出的一款咆哮的“中国龙”型摩托车 (图片来源:OCC

随着外科修复科技的日益发展与手术理念的日渐人性化,假肢不仅很舒适而且也可以很时尚!如图1.1-12所示,由于每个人的身材和喜好不同,所以需要进行完全个性化的定制。首先使用3D扫描仪取得用户腿部详细数据,然后根据用户自身数据、年龄、性别、特殊要求等,设计出适合的假肢款式,用户觉得满意后,再通过3D打印机进行制造。

颠覆传统认知的杰作!世界十大3D打印模型

1.1-12  3D打印出的时尚义肢,根据用户身体和喜好完全个性化定制 (图片来源:3D Systems

如图1.1-13所示的这只美洲雕2005年曾被误伤,从此生活不能自理。如今,通过3D扫描嘴喙的残缺部分并使用SolidWorks对数字化模型进行编辑处理,然后再用尼龙聚合物材料将假体3D打印出来。于是,这只海雕得以顺利回归了大自然。从图片上可以看到,鹰嘴具有精细的内部中空结构,而3D打印的再造能力丝毫不亚于最好的整形医生。

1.1-13  3D打印帮助美洲雕再造完美的鹰嘴 (图片来源:Nate Calvin

之前已有报道3D打印可制造出真正有触觉的生物人耳(不只是装饰性的模型)。现在,普林斯顿大学的研究人员利用3D打印的细胞和纳米粒子,结合小型线圈天线软骨组织创造了一只仿生耳,如图1.1-14所示,竟能够听到超越人类所能听到的无线频率!以后,生物打印机将使用病人自身的干细胞,那么器官移植后的排异反应将会减少。随着整个世界逐渐变得越来越电子化和数字化,我们将制造出一些新型器官,以便和手机和便携式电脑进行直接交流。

1.1-14  3D打印的硅树脂仿生耳,人类未来可获“第六感” (图片来源:普林斯顿大学)

美国国家航空航天局(NASA)使用直接金属激光烧结的3D打印技术制作了火箭喷射器部件,如图1.1-15左边所示。据悉可承受1,400磅每平方英尺的压力并可耐6,000华氏度的高温。而且该喷射器在削减成本方面迈出了一大步,因为它仅由2个零件组成,而此前传统技术制造的同类喷射器由115个零件组成。而更让人唏嘘的是,美国加州大学的学生也用3D打印制造了一种微型火箭进行了成功的点火测试,如图1.1-15右边所示,他们在短短8个月内就完成了火箭金属发动机的设计,且火箭的全部制造费用只有6800美元。

 

1.1-15  左:NASA利用3D打印技术制作的火箭喷射器部件;右:学生也用3D打印制作微型火箭 (图片来源:NASA

3D打印技术集概念设计、技术验证与生产制造于一体,这必将极大缩小武器装备从“概念”到“定型”的时间差,从而加快武器装备的更新周期,如图1.1-16所示。据媒体报道,歼-10战斗机研发用了近10年时间,而运用3D打印技术后,我国仅用3年就推出了第一款舰载机歼-15。目前,3D打印技术已被全面应用于第一款本土隐形战斗机歼-20和第五代战斗机歼-31的研发中。不容置疑,3D打印技术正在制造空军发展的“中国速度”。

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1.1-16  3D打印技术用于战斗机研发 (图片来源:vx.com

再说个喜庆点的案例。你完全可以自己在计算机上设计戒指的形状,打印出专属的订婚戒指,如图1.1-17所示。拿着这样的戒指求婚,相信没有一个女孩会说不。

 

1.1-17  3D打印的戒指和吊坠 (图片来源:Shapeways

目前在北京、西安、武汉等地都相继开设了3D照相打印馆。本书第5章“3D智能数字化与3D照相馆”将从零起步、手把手地将会你开设3D照相馆,包括3D人像扫描和3D打印塑像,如图1.1-18所示。

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1.1-18  上:作者本人的照片、3D数字化模型;下:3D打印后的头像

打印了3D头像,再打印个3D头盔吧!国外一名叫Ryan Brooks的创客,用塑料打印出了钢铁侠头盔,如图1.1-19所示。整个开发和微调过程大约花了100小时。头盔采用Adafruit加速度传感器和Arduino Pro迷你伺服机构,可自动开启或关闭头盔的面罩。

 

1.1-19  国外创客打印的钢铁侠头盔 (图片来源:Ryan Brooks

最后再介绍“宅男”们的最爱──人体模型制作。如图1.1-20上方所示,日本的DIY爱好者借助3D数字化技术和3D打印技术制作了动漫形象的立体人偶。而如图1.1-18下方所示,日本东京一家公司利用3D打印技术,对新娘进行克隆,制作出仿真模型,以留住她们人生当中最美好的时刻。相信在未来,这个方向将大有可为。

 
日本时髦新娘钟爱3D打印技术 日本时髦新娘钟爱3D打印技术克隆人生精彩时刻

1.1-20  3D打印技术进行仿真人体模型制作 (图片来源:Danny Choo

通过以上的一番体验,你是不是开始感觉到3D打印已经渗透进我们生活中的“衣食住行”等各个方面了呢?实际上,3D打印可广泛用于工业制造、珠宝首饰、玩具设计、机器人、生物医学、建筑与城市规划、食品制作、航空航天、考古科研等领域。以音乐乐器为例,目前大多数乐器,如吉他、小提琴、喇叭、钢琴等,已经有几百年都没再改进过。而使用3D打印,你不仅可以自由设计出奇形怪状的创意乐器(比如将一把马头琴变成印有你自己3D头像的琴),而且更重要地,你可以发挥3D打印轻松制造任意复杂空腔(共鸣腔)的优势,设计制造出一把发声效果最佳的、属于我们21世纪的新型乐器出来,演奏属于我们这个全新智造时代的新乐章!