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3D打印:看上去很美

2013-07-03 13:39 作者:曹玲来源:三联生活周刊
如果你有一台可造万物的机器,你会用它来做什么?

比利时Materialise公司总裁威尔弗雷德与该公司设计的部分3D打印作品在一起

胡迪·利普森(HodLipson)清楚地记得,他第一次见到3D打印机时的场景。那是20世纪80年代末一个乏味的制造工程研讨会,教室里很暖和,大家昏昏欲睡。教室的门“砰”的一声打开,一名陌生男子冲进教室,称自己是库比特系统公司(CubitalSystems)的推销员。这家名不见经传的公司是当时世界上仅有的销售3D打印机的两家公司之一。

推销员不断晃动着一个塑料物体,声称一场制造业革命正在酝酿之中。“我手里握着制造业的未来!”他大叫,“这个塑料物体是由一种能够‘打印’塑料的激光打印出来的。”他让一个学生转动塑料物体露出的曲柄,在设备内部,复杂的连锁齿轮彼此牵引地运转着。

学生们昏昏欲睡的大脑挣扎着苏醒过来,低声问道:“他刚才说他用激光打印出了那个东西吗?”推销员说:“你们所看到的所有齿轮、把手、旋钮都不是组装出来的,它们都是按照一个个单独的、预装配的不同部件一起有序打印出来的。”学生们对他的观点感到好奇:一台计算机,而不是一个人,可以在整个生产过程中充当一双“手”操控这台神奇的机器。

于是他们争先恐后地向他发问。用激光“打印”出了所有的塑料部件,这是什么意思呢?什么样的制造设备能够将部件一次性生产出来,而不需要进行组装?它能打印塑料以外的其他材料吗?个人购买一台这样的设备要多少钱?

“当时感到传统制造瞬间过时。”利普森说。实际上,推销员是他们教授请来的客座讲师,这位讲师的热情让利普森确信,这种神奇的设备的确会引发一场产品制造和设计的革命。但是他预料的革命并没有如期迅速爆发,几年后,库比特系统公司停业了。如同许多开创性技术一样,库比特系统公司的3D打印工艺过于复杂和低效,机器设备昂贵,利润率敏感的制造业难以接受。

后来,利普森成为美国康奈尔大学机械工程与计算机科学技术系副教授,致力于机器人技术、进化计算、3D打印机等领域的研究,成名之作是关于智能机器人利用3D打印机进行自我制造的研究项目,成果发表在2000年的《自然》杂志上。去年,利普森和梅尔芭·库曼(MelbaKurman)共同撰写了一本名为《3D打印:从想象到现实》(Fabricated:ThenewWorldof3DPrinting)的书,详细介绍了3D打印技术的方方面面。“从第一次知道3D打印机起,我就开始了这方面的研究。直到2005年左右,这项技术还被局限于非常狭窄的市场,因为机器很昂贵,超过5万美元。这也是人们没有认识到3D打印的一个原因。”利普森说。

2005年,事情发生了一些变化。利普森发起了一个专门研究低成本家用3D打印机的项目,名为“Fab@Home”。人们可以免费从网上获得打印机的设计图,只需要花费1000美元,基本上每个人都可以制造自己的3D打印机。同年,英国巴斯大学机械工程高级讲师阿德里安·鲍耶(AdrianBowyer)创建了一个被称为“RepRap”的3D打印机开源项目。到目前为止,RepRap项目已经发布了4个版本的3D立体打印机:2007年3月发布“达尔文”(Darwin),2009年10月发布“孟德尔”(Mendel),2010年发布“PrusaMendel”和“赫胥黎”(Huxley)。开发者采用了著名生物学家们的名字来命名,因为他们认为“RepRap就是复制和进化”。

“这两个项目使得更多人真正接近了3D打印机。我觉得革命真的在发生了,这让人激动。事实上这项技术并不是一朝出现的,它在过去30多年中稳步提高,应用领域现在出现爆发式增长。这并不是只有几个人的行业,从厨师到外科医生到考古学家都在通过不同的方式使用它。”利普森说。

他打了个比方,在演艺界,一个演员可能会默默无闻很多年,然后忽然因为某个契机而走运,被视为“一夜成名”。“电脑和3D打印的舞台和这差不多。3D打印已经存在30多年,它终于引起主流的兴趣。这和力量的汇集有关,包括电脑技术、互联网、低成本硬件的发展,以及消费者和商业领域对3D打印产品的兴趣增加等等。”

什么是3D打印?

大多数人第一次听到3D打印的时候,想到的是常见的桌面打印机。喷墨打印机和3D打印机最大的区别是维度问题,桌面打印机是二维的,在平面纸张上喷涂彩色墨水,而3D打印机可以制造拿在手上的三维物体。

3D打印机依据计算机指令,通过层层堆积原材料制造产品,这种技术的名称是“增材制造”。通常来说,3D打印机会在设计文件指令的引导下,喷出固体粉末或者熔融的液态材料,使其固化成一个特殊的平面薄层。第一层固化后,3D打印机打印头返回,在第一层外部形成另一薄层。第二层固化后,打印头再次返回,并在第二层外部形成另一薄层。如此往复,最终薄层累积为三维物体。

一台3D打印机可以小到放入一个手提袋,也可以大到一辆微型面包车大小;造价可以从几百美元到50万美元不等,它们共同的特点是按照计算机的指令将原材料按层堆积以形成三维物体。
这曾经只是一个科学幻想故事,而如今人们不时在媒体上看到各种3D打印产品出炉,iPad支架、吉他、珠宝、太阳镜,甚至骨骼、枪支等等。不久的将来,人们还会看到设计师用水泥、石头和沙子打印出的“单片环状结构件”组合而成的别墅;人们还会品尝到美味的3D打印食品,甚至宇航员也有机会享用。美国一家名为“太空生产”的公司正在和美国航空航天局合作,开展在零重力环境下的3D打印尝试,目的是为了在太空打印出更可口、保质期更长的太空食品以及其他太空用品,解决长期飞行的宇航员的后勤保障难题。

3D打印似乎可以满足人类想象力的方方面面。美国《时代》周刊将3D打印产业列为“美国十大增长最快的工业”。据咨询公司WohlersAssociates预测,3D打印产业2015年将达到37亿美元,2020年将达到52亿美元。今年2月,美国总统奥巴马在国情咨文中谈到3D打印以及这项技术的重要性时指出:“制造业在经历了10多年就业人数不断减少之后,过去3年就业人数增加了50万。现在我们所能做的就是庆祝这一发展趋势。去年,我们在俄亥俄州扬斯敦成立了首个制造创新中心。一间曾经关闭的仓库现在成了一流的实验室,许多新人在这里研发3D打印技术,3D打印有可能革命化我们制造几乎所有产品的方式。”他宣布再成立3个这样制造中心,在这里企业将与美国国防部和能源部合作,把在全球化上落后的地区转变成全球高科技中心。

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