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人人都是造物主- 聚焦3D打印革命

  3D打印正如火如荼,过段时间就有新闻跳出:美国一个小伙子用3D打印了一把枪,据说能连发几百发子弹;耐克公司推出全球第一款3D打印足球鞋,重量只有150克;英国科学家用3D打印机打印出胚胎干细胞,三天后还有89%的细胞存活连电影《十二生肖》里也似乎在为3D打印做着普及推广:成龙戴着传感手套扫一遍兽首,远程3D打印机很快就打出了一个一模一样的赝品

  3D打印机到底是个什么东西?它到底是怎么工作的?

  半个小时

  一只能吹响的哨子在我面前打印出来

  上星期,在茹方军的办公室,我第一次亲眼看到传说中的3D打印机虽然它只是一台两个微波炉叠起来大小,在淘宝上卖几千块的台式家用机器。

  外面是方头方脑的木框,里面的电线零件一览无余。上面的黑色塑料小盒上端连着红黑电线和一根细细的白线(打印原料ABS塑料),下端尖尖的是打印头。下面的平台可沿金属轨道水平移动。茹方军说:上面的小黑盒其实是小型塑料挤出机,ABS塑料线送进去,加热到260℃,融化后挤出零点几毫米的细丝。

  通上电,连上电脑,茹方军选择了一只哨子的三维图像,开始打印。

  就像一只作茧的春蚕,打印头吐出一根细细白线,拖着这根白线,它哧啦哧啦在平台上来回移动,所过之处就是一个哨子的平面形状。这层打完,平台稍稍下降,打印头又吐着白线从头再走一遍,然后第三层,第四层循环往复,层层叠加。

  大约半小时,一只白色哨子打印完成。拿在手里微微发热,小圆球也在里面,粘在内壁上,茹方军用细细的圆珠笔捅落圆球,放在嘴里一吹,很响。

  22岁的茹方军名片上印着商务服务公司执行总监,其实他还是杭师大旅游管理专业的大三学生,微博名3D打印茹方军,个人介绍写着:3D打印资深老兵,3D打印开源技术推广人,3D打印设备和技术提供商。

  去年5月,茹方军和同学合办的公司在杭师大创业园开张,主要业务方向是商务策划和营销推广,但他很快被日益红火的3D打印吸引,把公司的业务重点转向3D打印。上星期,他和公司另一位执行总监李同学刚从西安参加完一个制造博览会,结识了一批3D打印机生产商,打算代理他们的产品。

  茹方军说,桌上这台机器虽然小,但所有3D打印的基本原理全都一样:增材制造,层层叠加。

  电脑把三维模型像切土豆一样,先切成一层一层薄片,每一片形状都换算成数据,打印头接受指令,一层一层打,一层一层加,土豆片积累到最后就还原成了整个土豆。

  具体工艺又分成好多种,打印哨子这台用的是熔融沉积造型技术(FDM),其他还有立体光刻(SLA),选择性激光烧结(SLS)

  聊到杭州的3D打印界现状,茹同学首先提到金涛,他绝对是杭州3D打印界的元老,我正想过两天去拜访一下

  美国青年科迪威尔逊说自己打印出一支AR-15半自动步枪,不过很多网友说,他打印的不过是枪上的白色弹匣。

  杭州3D打印元老的创业经历

  3D打印在国外也算新兴产业,放在国内更加年轻,所以从业3年多的金涛也算元老级人物。

  金涛的公司在文三路东部软件园,楼上两间屋子办公,楼下两间地下室生产,七八个工人正在组装零配件,产品就是小型家用3D打印机。

  金涛是金华人,2007年浙大计算机专业毕业。2009年,当绝大多数人还没听说过3D打印的时候,他就辞职和两个高中同学一起凑钱,合办了一家3D打印公司。他们在杭丝联租下将近300平米的厂房,从上海买回一台3D打印机。刚开始,这三个《魔兽世界》游戏铁杆粉丝打算为玩家打印魔兽英雄挣钱,算了一笔账:1000万魔兽玩家,就算一千人里有一个光顾,收入就很可观。

  没想到生意惨淡,半年后就退了杭丝联的厂房,搬到秋涛北路三华天运小区。又过半年,生活实在艰难,两个同学先后离开,另寻单位重新上班,金涛一人苦挨苦撑。

  后来金涛放弃了打印游戏角色的业务,加强网上宣传,接些3D打印的加工活儿,公司才艰难地生存下来。他印象最深的,是给2010年CCTV-MTV音乐盛典打印奖杯,过去的奖杯都是水晶或金属制作,形状简单,这次主办方特意请了一位上海外籍设计师设计,设计稿新颖别致,但工艺复杂时间又紧,按往常的加工方法根本做不出来,后来找到金涛,花了两天就完成了。

  2010年,一位澳大利亚人从网上联系金涛,想让他帮着打印一批零件,这批零件是用来制造小型3D打印机的。从澳大利亚人那里金涛得知,FDM技术的3D打印专利在美国刚刚到期,一位英国教授把它的制造方法开源后全都公布在了互联网上,现在全世界一批DIY爱好者都在用这个技术加紧自制小型台式3D打印机。金涛从国外买来一台,拉上好友裴文剑一块研究。金涛是电脑编程高手,而裴文剑是机械制造行家。

  裴文剑大金涛四岁,金华二中毕业,浙大机械自动化专业毕业,又在清华读了精密仪器硕士。两个人日以继夜搞了小半年,2011年11月造出了第一台家用3D打印机。

  不久,裴文剑回金华开了自己的公司,利用技术专长一门心思研发产品。2012年,他的公司生产的3D打印机成为淘宝网同类产品的销量冠军,卖出去2000多台,而卖到国外去的产品比国内还多。购买者大多是设计师和DIY爱好者。

  陈泓宇为自己打印的3D彩色人像,16厘米高,报价1499元

  上个星期天上午,24岁的陈泓宇用3D打印机给自己打了一个16厘米高的彩像,这也标志着杭州已经成了全国第4个拥有3D打印照相馆的城市(前三个是西安、北京和武汉)。陈泓宇的机器和北京、武汉那两家一样zprinter650全球去年销量最大的3D打印机制造公司3Dsysterm的主流工业级产品,也是迄今惟一能实现全彩的3D打印机。

  打印第一步先扫描,陈泓宇摆了个左手插裤袋右手握手机低头看的动作。

  工程师小周手握一台和电熨斗差不多大的扫描仪,站在1米开外对准和自己同岁的老板,做半圆状缓慢水平移动,从头部开始横扫半圈,然后逐层下降,头脸,胸,腹,大腿,小腿直到脚,后背如法炮制。

  然后,把扫描仪连上电脑,合成三维模型,拷进SD卡,插进卧在工作间那台zprinter650,按几个键,打印正式开始。

  打印原理是石膏粉遇胶水固化的特性。打印头按电脑指令,在下方的石膏粉上喷一层胶水,二者相遇结成硬硬薄薄一层,厚度只有0.088毫米(陈泓宇把机器调到了最高精度)。然后平台下降一点点,石膏粉被一个平堆推平(就像跳远比赛时运动员跳过后,用推沙板把沙子推平盖掉脚印),再喷,再推打印到400多层后,3D人像就完成了。不过还埋在粉堆里,要像考古一样挖掘出来

  陈泓宇也是台州人,2007年杭州学军中学毕业,考上南京航空航天大学,上了两年就退了学,跑去美国攻读商科,因为作为家中独子,庞大的家族产业将来很可能需要他去管理经营。

  美国是全球3D打印一流技术和顶尖公司的聚集地,著名《连线》杂志的总编2012年也在自己的杂志登出了一期3D打印的专题之后,果断地辞了职,投入第三次工业革命浪潮中去。陈泓宇在纽约接触到大量3D打印的新闻资讯,被它的宏大前景迷住了。

  去年夏天学成回国,陈泓宇和父亲就3D打印的想法好好谈了一次。父亲以前是电工,现在是集团董事长,集团业务领域涉及能源、建筑和房地产业。最终,他靠一份详尽的商业计划书打动了父亲和董事会成员,拿到第一笔几百万饱含亲情的风险投资,马上从美国进了三台机器,在余杭塘路一个创意产业园开出自己的3D打印公司,现在他的同事大都是自己动员后辞职过来创业的学军同学,每个人都在公司持有股份。

  聊到最后,谈到未来设想,陈泓宇说,今年他有三个方向,一是开发民用,比如给准备结婚的新人打印婚纱人像。二是接一些打印服务的活儿,这两天就在给一家香港公司打印玩具样品。三是作为代理商为国外公司代销机器。

  陈泓宇还有个长远的计划:做一个像苹果APP商店那样的3D打印应用平台。

  现在3D打印的使用者还是专业人士和爱好者,将来普通人一定可以用简便软件制作自己想要的东西,用手机一拍就能打印人像,给他们降低门槛提供便利的机会,就是我接下来准备花大力气做的事情。

  3D打印从何而来?

  有种说法,自从人类学会使用工具,主要是运用三种方法制造物品:增材、减材和塑形。

  最先运用的是减材法,在旧石器和新石器时期,人们不管打制还是磨制石器,都是把大块石头减掉多余,然后再用锋利的刃部切削骨头或木头。

  接下来是塑形方法,把泥巴捏成碗,烧成陶器,用的是外力塑形,把铜烧成汁灌进模具制成青铜器,用的是模具塑形。

  增材法过去用得也蛮多,比如盖房,砖一块一块往上垒,编席,竹片一根一根往里加。

  因为过去的制造多是人力手工,自从18世纪蒸汽机问世第一次工业革命,19世纪电力和内燃机广泛应用第二次工业革命以来,机器和车间取代人力手工,绝大部分坚硬、细密、精巧的物品用增材方法是没法制作的,于是开模塑形和车洗刨磨钻减材就成了制造业的两大主流方法,看看我们身边,从锅碗瓢盆到手机手表,几乎全是减材和开模做出来的。

  但是开模很麻烦,只有大批量标准化生产才能降低成本,而切削等减材方法不适合特别精细复杂的情况,比如弯曲和镂空。它们还有个共同特点;千篇一律,而现代人越来越需要小批量和个性化产品。

  计算机出现带来的数字化革命,才使得增材制造的机器生产成为可能。

  第一台3D打印机问世

  有一种叫光敏树脂的液态材料,被一定波长的紫外光照射后会立刻变成固体,1986年,美国科学家胡尔就是利用这个特性发明出世界上第一台3D打印机。

  他把液态光敏树脂倒进一个容器,液面下方0.05毫米-0.15毫米有个升降平台,液面上方有一台激光器,激光器连接电脑,电脑里有虚拟物体的三维数据。电脑发出第一道指令,激光器发射紫外光,紫外光照射液面特定位置,这一片形状的光敏树脂马上发生光聚合反应,从液体变成固体相当于打印完成了第一层。

  然后,平台下降0.05毫米-0.15毫米,激光器再根据新指令发射光线,上面这层液体照射后固化,打印出第二层平台一点一点下降,电脑一道一道发出指令,平台上的液体一层一层固化、累积,于是,一件电脑里的三维模型就这样被打印成了一件立体实物。

  1986年,胡尔发明世界上第一台3D打印机,并很快成立第一家3D打印公司3DSystems。去年,胡尔74岁,他一手创办的公司创造了业内3D打印机最高销售业绩:2.9亿美元。

  耳朵、肾脏、月球基地

  全球3D打印技术最新进展

  第三次工业革命到来?

  3D打印技术在最近几年突飞猛进,可用的材料虽然还不算多,但塑料、尼龙、石膏粉、陶瓷、金属,甚至最硬的钛合金件都能用来打印。

  今年1月18日,中国国家最高科技奖科技发明一等奖颁给了一项3D打印科研项目:北航王华明教授的飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形。

  飞机需要大量重量轻强度高的钛合金件,以往主要用锻造和机械加工方法,花费往往高达几十亿,光大型模具加工就要一年以上,还要动用几万吨级的水压机,而且从毛坯到成形,几乎90%的材料都被切削浪费。

  王华明教授的科研项目,是用高功率激光,逐层的烧结金属粉末,然后层层积累的方式造成复杂的飞机构件。目前只有美国的上市公司3DSystems掌握这个技术,但中国能打印的产品尺寸远远超过美国同行。

  今年2月,有报道称美国航空航天局和欧洲太空总署都在研究,用3D打印技术在月球上建造人类基地。他们初步的设想是:将太空舱送到月球表面,宇航员用3D打印机,对月球表面的尘土原材料进行激光高温加热,然后形成熔融态物质,打印出建筑物。除了房子,月球上的岩石还可以用来打印工作和生活物品。这样做的最大好处是就地取材,多快好省,不必从遥远的地球运送建筑材料过去。

  除了金属、陶瓷等粉末材料,如果把细胞作为材料,甚至能打印出一个人体器官。

  今年2月20日,美国康奈尔大学研究人员声称,他们打印出了一只人造耳朵其实是用打印机先打出一只耳朵的模子,再往模子中注入特殊的蛋白凝胶,凝胶里含有能生成软骨的牛耳细胞,随着细胞生长,软骨慢慢增多,3个月后,模子内就出现一只柔韧的人造外耳,功能和外表都和正常人耳相似。

  美国威克森林再生医学研究所所长Atala曾在一次著名的科学演讲中宣布,他的团队十年前用3D打印技术打了一个人工膀胱,移植给一名叫卢克的小男孩,至今运作良好。演讲进行到最后,Atala的助手还把一只鲜红湿润的肾脏用双手捧到了现场,全场观众惊呼,全部起立鼓掌。虽然很多业内人士表示,不能相信这是一只可以移植的肾脏,但多数专家还是认为,打印器官在未来可以实现,只不过那时的肾脏只要有功能就可以,不必完全拷贝现在这个样子。

  英国《经济学人》杂志曾发文说,3D打印技术的出现,或许将引领人类社会进入第三次工业革命。

  文章认为,现在的工业生产,是以大批量标准化为基础,产量越大成本越低。而3D打印的出现,将让制造业重回小规模、个性化时代,那时候制造业的核心将是创造能力为主,不一定要有规模优势。这样一来,整个工业生产的基础将彻底改变。

  他们说,打一件东西和打一千件的平均成本一样,打复杂的东西和打简单的东西没有区别,家里只要有一台3D打印机,想要什么就打印什么,工厂化流水线生产将没有任何优势可言,全球制造中心也将从中国这样的发展中国家重新回归到欧美发达国家

  同时,对3D打印新闻提出质疑的声音也很强大。

  比如,号称打印出来的步枪,其实只是那个白色弹匣而已。

  号称打印出来的汽车,其实也仅仅是个外壳,打印发动机?现在想都不要去想。

  号称打印出了肾脏,其实也仅仅是像肾脏罢了,那个看上去肉乎乎摸上去黏兮兮的东西根本不可能具备肾脏那样丰富的血管和神经结构

  不少专家呼吁,对3D打印前景看好,但必须冷静,因为有些别有用心的人正在恶意炒作

  但无论如何必须承认,3D打印的时代还是来了,而且离我们的生活正越来越近。

  细细想想,宇宙间最复杂的物质结构,莫过于人的身体,从一个小小的受精卵开始,按照DNA遗传信息的编码规律,逐层叠加,增材制造,一天一天从小到大

  这难道不是一次3D打印的过程么?

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