3D打印：將虛擬“打”進(jìn)現(xiàn)實(shí)

理想中的3D打印技術(shù)能夠讓以下場(chǎng)景變成現(xiàn)實(shí)：工廠里不再有流水線，而是一臺(tái)臺(tái)打印機(jī)正在打印不同的產(chǎn)品；家里來客人了，缺少一個(gè)杯子，在網(wǎng)上找個(gè)喜歡的樣子，在家用3D打印機(jī)“打”出來，就可以用了；建筑師有了什么新想法，在電腦上點(diǎn)一下，模型幾個(gè)小時(shí)就可以制作完成。

3D打印機(jī)可以讓任何3D模型從電腦里的虛擬物體變成實(shí)實(shí)在在的物品。這聽起來有點(diǎn)像科幻小說，但是它就是這樣一項(xiàng)正在快速發(fā)展的新技術(shù)。

聽著玄乎，不過3D打印的原理并不復(fù)雜。王飛躍介紹說，首先計(jì)算機(jī)會(huì)將3D模型切分成很多的薄層，然后3D打印機(jī)會(huì)像普通打印機(jī)一樣把每一個(gè)薄層打印出來，只是不是打印在紙上，而是一層層打印出立體的物體。用的材料也不是墨，而是塑料或者陶瓷、金屬粉末等。早期的3D打印用膠水把薄層粘貼起來，當(dāng)所有的薄層被粘貼好后，一個(gè)物體就打印出來了。

快速成長(zhǎng)的3D打印

第一次產(chǎn)業(yè)革命是由機(jī)械取代了手工勞作，誕生了現(xiàn)代意義的“工廠”；第二次產(chǎn)業(yè)革命是電的使用，流水線工業(yè)生產(chǎn)使得規(guī)?；a(chǎn)成為可能。而3D打印則被很多人認(rèn)為將帶來第三次產(chǎn)業(yè)革命。

2012年9月19日，著名科技雜志《Wired》的主編Anderson專門撰文介紹了3D打印機(jī)的進(jìn)展情況，并起來一個(gè)以危言聳聽般的標(biāo)題“The New MakerBot Replicator Might Just Change Your World（新的MakerBot Replicator或?qū)⒏淖兡愕氖澜纾?rdquo;。世界首個(gè)公布3D打印機(jī)開源數(shù)據(jù)信息的科學(xué)家、英國工程學(xué)家阿德里安•鮑耶曾向媒體表示：“3D打印機(jī)將來不是要取代某一個(gè)制造業(yè)，而是要取代幾乎所有的制造業(yè)。”

雖然直到1995年，“3D打印”（3D Printing）這個(gè)名詞正式出現(xiàn)，王飛躍感覺這兩年3D打印的發(fā)展勢(shì)頭出乎意料的快。

據(jù)報(bào)道，MakerBot公司新推出的低端3D打印機(jī)Replicator 2的價(jià)格僅為2199美元，高端的 Replicator 2X也只有2799美元；幾年后價(jià)格可能會(huì)降到非常親民的99美元。而其也已被應(yīng)用于對(duì)設(shè)計(jì)制作要求較高的航天航空、醫(yī)學(xué)健康等多個(gè)領(lǐng)域。

還有一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)最能說明問題，和王飛躍研究員一起工作的沈震博士介紹說，美國兩3D打印公司——3D SYSTEMS和Stratasys，在過去一年里股價(jià)已經(jīng)出現(xiàn)大幅上揚(yáng)，其中Stratasys股價(jià)從30美元漲到80美元左右，而3D Systems股價(jià)增加了約2倍，從15美元漲到近50美元，而同期納斯達(dá)克指數(shù)漲幅僅為約18%。

最大的難題是材料

之所以會(huì)被資本如此看好，是因?yàn)?D打印代表了未來制造業(yè)發(fā)展的新方向——加式制造。王飛躍介紹說，加式制造是相對(duì)于減式制造而言的。減式制造，即通過模具、車銑等機(jī)械加工技術(shù)與工具將原材料轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品的工藝過程與設(shè)備的總稱，其特征為利用縮削、減少材料來生產(chǎn)部件。自古以來，減式制造就是人類生產(chǎn)的主要方式，更是現(xiàn)代制造工業(yè)的基礎(chǔ)。而加式制作是利用逐層增加材料的方式生產(chǎn)各種產(chǎn)品，無需模具，因此也被稱為無形制造技術(shù)（FreeForm Fabrication，簡(jiǎn)稱FF或FFF）。3D打印只是實(shí)現(xiàn)加式制造的一種主要方式。

現(xiàn)代的加式制造有兩個(gè)源頭：照相雕塑（Photosculpture）技術(shù)和地貌成形（Topography）技術(shù)，分別始于1860年法國人Willeme發(fā)明的多照相機(jī)實(shí)體雕塑和1890年美國人Blanther發(fā)明的分層應(yīng)急地貌圖。從上世紀(jì)八十年代起，各種各樣的加式制造技術(shù)大量出現(xiàn)，并在許多領(lǐng)域里進(jìn)行了創(chuàng)造性的應(yīng)用，形成今天的加式制造，特別是3D打印技術(shù)的新局面。

雖然前景很誘人，人們也已經(jīng)用3D打印技術(shù)打印出了心臟瓣膜、下顎骨、電路板、汽車、自動(dòng)步槍、飛機(jī)零部件等很多東西。但“目前來看，還沒有能力立刻取代傳統(tǒng)制造業(yè)。”王飛躍表示，目前3D打印主要應(yīng)用于小批量生產(chǎn)，以及小尺寸、高價(jià)值、高復(fù)雜度和高難度部件等的制造，從而消除制造過程對(duì)部件模具和機(jī)器工具的需求，實(shí)現(xiàn)降低成本、縮短工期的目的。

美國有研究將主要問題歸納為下面七個(gè)方面：材料的刻畫，材料的研制，過程控制問題，過程的建模與分析，機(jī)器的驗(yàn)證與標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)器的模塊化構(gòu)造與組合，設(shè)計(jì)工具與軟件。

王飛躍認(rèn)為，其中最難解決的是材料問題。目前，不但能夠用于3D打印的材料非常有限，主要為塑料、陶瓷等容易塑形的材料，而且很多材料的硬度強(qiáng)度都無法達(dá)到預(yù)期。例如，打印一把可以使用的錘子就比較困難，因?yàn)閺?qiáng)度達(dá)不到要求。此外，大部分3D打印所使用的材料必須是顆粒、粉末狀的。

可持續(xù)的個(gè)性化生活

現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展依靠的是標(biāo)準(zhǔn)化，產(chǎn)品都是一個(gè)模子“刻”出來的，在過幾十年或者十幾年后，“模子”的概念會(huì)在生產(chǎn)和生活中逐漸消失。

王飛躍表示，在3D打印的大潮之下，那時(shí)個(gè)性化的定制產(chǎn)品將成為主流，在互聯(lián)網(wǎng)和搜索引擎的連接下，社會(huì)需求將同社會(huì)制造能夠?qū)崟r(shí)無縫地銜接。“每一個(gè)人的不同需求，都能通過3D打印得到滿足。到時(shí)候我們?cè)诠雀枭暇筒皇撬岩粋€(gè)名詞，而是尋找3D文件，或是可以完成設(shè)計(jì)的人。”

搜索就是制造，搜索就是生產(chǎn)，搜索就是消費(fèi)。他預(yù)計(jì)，那時(shí)產(chǎn)業(yè)工人的數(shù)量會(huì)大幅下降，“社會(huì)上最需要的具備較高綜合素質(zhì)的設(shè)計(jì)人材。而應(yīng)試教育培養(yǎng)出的人恐怕很難滿足這種需求。”

不同的需求在這個(gè)框架下會(huì)得到快速滿足，會(huì)不會(huì)帶來資源的浪費(fèi)？“會(huì)比現(xiàn)在的工業(yè)化大生產(chǎn)更節(jié)約”。王飛躍解釋說，一方面，它是按需定制的，而現(xiàn)在的生產(chǎn)產(chǎn)品，盈利與否與生產(chǎn)數(shù)量直接相關(guān)，因此生產(chǎn)商會(huì)想盡辦法擴(kuò)大產(chǎn)能，如果產(chǎn)品不被市場(chǎng)接受，便會(huì)帶來很大的浪費(fèi)，而個(gè)性化產(chǎn)品，即便不成功，也只是一件產(chǎn)品被閑置而已。另一方面，3D打印所用的材料都是可以回收循環(huán)使用的。

“3D打印體現(xiàn)了真正的可持續(xù)發(fā)展。”王飛躍說。