三維印刷:從比基尼到飛機

李微

從三維印刷機里“打印”出來的，可以是一件比基尼泳裝，也可以是一個燈罩，或一把小提琴，甚至是飛機的零部件。自從人類開始工業(yè)化生產(chǎn)以來，制造的過程一直都是一場“減法游戲”——切削并加工零件。而以三維印刷為代表，最新的“增材制造技術”，卻以“做加法”的方式，徹底顛覆制造業(yè)的傳統(tǒng)思路

今夏“最潮”的服裝是由美國“連續(xù)體時裝公司”（Continuum Fashion）和“型路技術公司”（Shapeways）合作生產(chǎn)的一件比基尼泳裝。這件于6月初最新發(fā)布的泳裝之所以時髦，不是因為它的色彩和外形設計，而是因為其制作工藝—— 它被稱為世界上第一件完全通過三維印刷技術“印制”出來的成衣產(chǎn)品。

你現(xiàn)在就可以通過型路技術公司的網(wǎng)站來訂制一件比基尼，也許它不是最時尚的泳裝，但該公司可以根據(jù)你發(fā)來的身體尺碼專門立即為你“印制”一件最合身的。組成這種比基尼的纖維，是由“犀牛”計算機輔助設計系統(tǒng)根據(jù)專門的運算法則而生產(chǎn)出來的。和以往的三維印刷產(chǎn)品所不同的是，這件比基尼泳裝并非展示品，而是可以正式投入生產(chǎn)銷售的“現(xiàn)貨”。它的出現(xiàn)，標志著可以在計算機系統(tǒng)輔助下，使用三維印刷技術根據(jù)每一位顧客的體型來定做個性化的服裝。

制造技術：從“減法”到“加法”

如果你對直接“印制”出服裝還覺得新鮮的話，那么你能想象，可以像印刷報紙一樣快速、高效地“打印”出各種復雜的機器零部件嗎？通用電氣公司（GE）的科學家正運用“新型增材制造技術”，可以一步就將零件加工到最終的形狀，因而顯著不同于傳統(tǒng)意義上的鍛造、鑄造或者切削加工的制造過程。在GE全球研發(fā)中心最近成立的“增材制造實驗室”中，他們已經(jīng)開始使用三維印刷等增材制造技術印制超聲波探頭等機器零件，他們甚至有印制飛機零部件的計劃。

“自從人類開始生產(chǎn)東西以來，制造的過程一直都是一場‘減法游戲，你必須切削并加工零件，直到變成你想要的形狀。”擔任GE超聲探頭項目領導人的機械工程師普拉布交特.辛格（Prabhjot Singh）說，“盡管制作流程有所改善，但那種傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式仍浪費了大量的時間和材料。現(xiàn)在的增材制造技術，如三維印刷和激光沉積技術，將徹底顛覆傳統(tǒng)的制造方式。這類新技術總的原理是，通過逐層添加材料而不是切削，來節(jié)省大量的時間和成本，并減少更多的原材料。”

以三維印刷為例，它的工作原理非常簡單：首先在電腦上繪制產(chǎn)品草圖，并細化修補其形狀和著色。接著按下印刷按鈕，印刷機開始運作，產(chǎn)品慢慢成型。三維印刷機可以根據(jù)產(chǎn)品的不同部位、不同原材料，而選擇不同的作業(yè)方式，產(chǎn)品在原材料的層層添加過程中慢慢成型。最終出爐的，可以是一個汽車零部件，也可以是一個燈罩，或一把小提琴。

最宜運用三維印刷的首先是醫(yī)療設備產(chǎn)品。隨著電子元件微型化技術的不斷進步，超聲波成像控制臺的成本在大幅降低，但超聲探頭的成本幾乎保持不變。這是因為，探頭的探測面周圍需要非常復雜的部件，才能獲得高清晰成像，所以需長時間的切割和打磨材料，超聲探頭從而也成為超聲設備中最昂貴、勞動最密集的部件。GE的研究人員正運用新型增材制造技術將探頭上這些復雜部件一次印刷成形，以免去數(shù)小時的切削及精細加工。

在印制超聲探頭的過程中，首先要在打印臺面噴撒一薄層含有光敏聚合物的陶瓷漿料。通過一個能反映物體形狀的掩膜將這層物質(zhì)暴露在紫外燈光下。光敏聚合物受到紫外光照射就會被固化，并將漿料內(nèi)的顆粒粘合起來。然后，打印臺面向下移動幾分之一毫米的距離，放置不同的掩膜，再重復上述操作。工序完成后，除去固化形狀以外的多余漿料，再放入爐內(nèi)加熱，使陶瓷分子熔結在一起。

不過，要將該技術運用于大規(guī)模生產(chǎn)還需做更多的工作。研究人員之所以首選超聲探頭作為試驗模型，是因為它復雜的幾何形狀能夠?qū)β暡ㄆ鸬骄酆献饔茫瑫r制造探頭所用的材料——陶瓷，比金屬在傳統(tǒng)的切削和鉆孔的加工精度上更難得到保證，而這一點卻很容易通過三維印刷成型得到。

一場制造業(yè)的革命

以三維印刷為代表，增材制造技術的優(yōu)點顯而易見：無需產(chǎn)品生產(chǎn)線，可大幅削減成本；制造同一件產(chǎn)品，三維印刷機所需的原料僅為傳統(tǒng)制造技術的1/10，極大減少了原材料浪費；再次，三維印刷允許操作者對各種產(chǎn)品零部件進行任意創(chuàng)作改造，這在傳統(tǒng)的制造技術中則無法實現(xiàn)。

相比以往的“減法”游戲，這種“做加法”的生產(chǎn)方法，其最大魅力還在于：將設計者的思想從現(xiàn)有的局限中解放出來。由于以往傳統(tǒng)加工條件的限制，設計者們經(jīng)常要用到很多零件，這使得他們對產(chǎn)品外形的設計無法最優(yōu)化。而三維印刷技術則給設計師們帶來了更廣闊的創(chuàng)作空間，使零部件設計更加靈活。與傳統(tǒng)技術相比，這種逐層添加材料的增材制造技術能制造出更多不同幾何形狀的零件。

此外，增材制造技術將眾多產(chǎn)品零部件集成合一，從而減少了裝配環(huán)節(jié)，同時也降低了產(chǎn)品重量——這一點在航天領域尤為重要。將這種“打印”技術運用于航空工業(yè)，可節(jié)省制造飛機發(fā)動機所用的原材料。

這項技術的另一美妙之處在于，它使產(chǎn)品制造得以脫離大型工廠。小型產(chǎn)品可以經(jīng)由一臺放置在辦公室、商場、家庭客廳里的臺式電腦完成；大型產(chǎn)品如自行車框架、車身金屬板、飛機零部件則需要更大型的印刷設備及更多的空間。GE全球研究生產(chǎn)技術負責人盧阿納.埃爾里奧（Luana Iorio）表示，他們正致力于如何將該項技術應用于所有商業(yè)領域，從航天到發(fā)電，再到消費產(chǎn)品。

如今的三維印刷機已然可以與注塑成型法匹敵，單次可制造大約1000件產(chǎn)品。這個數(shù)字還會不斷攀升。它降低了進入制造業(yè)的門檻。如果你可以在電腦上設計產(chǎn)品，就可以把它變?yōu)楝F(xiàn)實。先少量制作一些成品以試探市場，如果市場反應良好，便可繼續(xù)制造，并從早期用戶的反饋中形成改進設計的一手資料，這將給創(chuàng)新者和制造業(yè)起步者帶來極大的便利。

正因如此，三維印刷機天然地帶有推廣創(chuàng)新設計的基因。如同開源程序員通過分享軟件代碼達成合作，三維印刷機的工程師們已經(jīng)開始在產(chǎn)品設計及硬件開發(fā)上達成了合作。

三維印刷技術給制造業(yè)帶來的影響絕不止于對資本和工作崗位的重新分配，還在于對知識產(chǎn)權規(guī)則帶來的沖擊。當產(chǎn)品設計的所有數(shù)據(jù)都保存于一個數(shù)字檔案中時，這個檔案就極易被復制、傳播以及盜版。這種情況在數(shù)字音樂行業(yè)已經(jīng)極為普遍，因而為三維印刷技術的使用制定新法律極為必要。對此，知識產(chǎn)權領域的律師們已經(jīng)摩拳擦掌，躍躍欲試了。

在歷史上，沒有人預料到1450年發(fā)明的印刷機、1750年創(chuàng)造的蒸汽機及1950年發(fā)明的晶體管等新技術帶來的深遠影響。同樣，現(xiàn)在沒有人可以預測三維印刷技術的廣泛影響力。三維印刷技術來勢洶洶，很可能打亂它要涉入的每一個領域。盡管三維印刷技術在短期內(nèi)就會分出在其應用上的勝利者和失敗者；但從長遠來看，它必將擴大整個印刷行業(yè)的版圖，也將迅速擴展人們的想象力，并引發(fā)出制造業(yè)的一場革命。