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3D打印未来桌面工厂 创建三维实体打印
添加时间:2011/4/18  作者:华琪  来源:外滩画报  点击:2766  
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3D打印未来桌面工厂 创建三维实体打印(组图)

3D 打印机

3D打印未来桌面工厂 创建三维实体打印(组图)

3D 打印机

从外观上看,3D 打印机和普通的复印机并无大的不同。3D 打印的原理很简单,它首先将物品转化为3D 数据,然后再逐层分切打印,打印时,3D 打印机用粉末而非纸张进行打印。粉末会一层层地被特殊的胶水粘合,按照不同的横截面图案固化,并一层层叠加,像做蛋糕那样创建三维实体,最终一个完整的物品就会在粉末槽成型。

美国科幻作家罗伯特·希克利曾经写过一个“万能制造机”的故事,故事里的人们带着一台“万能制造机”飞往太空。这是一台奇特的大机器,机身上杂乱地安装着刻度盘、小灯和各种指示表。故事的主角之一阿诺尔德站在机器前,按下按钮,对它响亮而清楚地说:“我要硬铝螺帽,直径为4英寸。”接到指令,机器发出低沉的轰鸣声,灯光闪烁,闸板缓缓打开,眼前赫然出现了一颗闪光发亮已经制好的螺帽。接着,这台机器就像神奇的阿拉丁神灯,为他们送来了活蹦乱跳的大虾、矿泉水、手表和沙拉酱。

尽管,“想要什么就生产什么”的现实还远没有科幻小说描述的那般轻松随意,但现在,通过3D打印技术生产小零件、食物、自行车、建筑甚至人的皮肤、肾脏等都已不再是天方夜谭,称之为“万能制造机”并不为过。

3D打印到底有多神奇?与普通的打印有什么不同?4月初,《外滩画报》记者赶赴杭州,探访中国第一家3D打印服务公司。3D 打印的原理很简单,首先 3D 打印机将物品转化为 3D 数据,然后再逐层分切,针对分切的每一层构建,分层打印。打印时,粉末会一层层地被特殊的胶水粘合,按照不同的横截面图案固化,一层层叠加,像做蛋糕那样创建三维实体,最终一个完整的物品就会在粉末槽里成型。

这种技术的优点在于它不需要一家工厂来运作,小件物品可以直接由小型 3D打印机打印制作;而稍大的物品,比如自行车车架、汽车板、飞机零件、建筑零件等,

则需要更大的3D打印机和更大的空间。

《经济学人》杂志评价说:“伟大发明所能带来的影响,在当时那个年代都是难以预测的,1750 年的蒸汽机如此,1450年的印刷术如此,1950 年的晶体管也是如此。而今,我们仍然无法预测,3D 打印将在漫长的时光里如何改变这个世界。”

像做蛋糕那样生产物品

杭州铭展网络科技有限公司是中国第一家 3D 打印服务公司。4 月初,在地处杭州的铭展网络公司办公室,记者看到,那里摆放着两台3D打印机以及一台专门用于烘干的设备。从外观上看,这两台机器和普通的复印机并无大的不同,唯一的不同是它们打印时不用纸而是粉末。

机器的上半部分是个半透明的罩子,有一排控制按钮。掀起罩子,左边立着四盒不同颜色的墨水,右边的工作区摆放着平平整整一叠“白纸”。然而,轻轻用手一碰,那叠“纸”上却轻易地留下了凹痕——原来那并不是纸,却是粉末。公司的技术总监金涛告诉记者,那是研磨得很细的石膏粉末。

工作时,这些粉末会一层层地被液态连接体也就是特殊的胶水粘合,按照不同的横截面图案固化,一层层叠加,像做蛋糕那样创建三维实体,一个完整的物品就会在粉末槽里成型。打印完成后,工作人员要处理掉物品周围沾满的粉末,再涂上增强硬度的胶水。金涛开玩笑说,“就像考古一样。”

说话间,金涛在电脑中输入一组通过3D软件生成的模型数据,连接至打印机。那是一个镂空毛线团的模型。电脑将这个10厘米高的毛线团以0.1毫米为基准分为了1000层,每一层的界面数据都不一样。再将这组数据传送给打印机。

响应信号声过后,透过那个半透明的罩子,记者清晰地看见机器工作的场景:来回移动的金属杆上有喷头,在铺好的粉末材料上,一层一层按照电脑的截面轮廓信息,有选择性地喷射特殊胶水使粉末粘结。一个水渍样的毛线团底部截面轮廓清晰可见。通过逐层的叠加,毛线团的立体轮廓逐渐显现出来。金涛告诉记者,打印这样一个 10 厘米高的物体,大约需要5小时。记者看到,在公司的展示厅里,摆放着栩栩如生的运动鞋、造型奇特的概念自行车、各式建筑模型及魔兽世界游戏人物模型等,这些都是那两台3D打印机的作品。

据金涛介绍,目前支持3D打印的材料很多。简单说,不同公司生产的3D打印机会支持不同的材料,树脂、尼龙、石膏、塑料这些都是普遍使用的材料,随着业界研发的不断进步,支持钛、不锈钢或铝、铁金属材料的打印机也已经出现。

3D打印未来桌面工厂 创建三维实体打印(组图)

3D打印

“技术的发展和那些粉末很有关系,未来的趋势是越来越细,强度越来越高。材料越细,每一层就更薄,做出来的东西精度就越高。现在无论使用什么牌子的3D打印机,最薄的厚度约为0.025毫米。如果想完美地展现头发丝还是很困难的,但是做小零件、模型等绰绰有余。” 金涛表示。

其实3D打印的概念早在几十年前就已提出。上世纪 70 年代,随着 3D 计算机辅助设计的兴起,设计师能在电脑软件中看到虚拟的三维物体,但要将这些物体用粘土、木头或是金属做成模型则是一个缓慢而费钱的过程。哪怕是制作一个鞋的鞋底模型,也会消耗 Timberland(美国著名的鞋业公司)一周的时间,费用大概为1200美元。

于是,“快速成型”机应运而生,这就是3D打印机的前身。

在这个过程中,麻省理工学院的一项发明扮演了重要的角色。1994年,几名来自麻省理工学院的科研和技术专家发明了一种名为三维打印(Three Dimensional Printing,简称“3DP”)的技术,并申请了专利。这种技术成型的速度快,设备价格便宜,操作起来更容易,虽然精度不够高但做概念产品或模型绰绰有余。1997年为了将3DP技术推向市场,Z-corporation公司正式成立。Z-corporation也是最先提出把3D打印机当成办公用品的3D打印机生产厂商,这也是唯一一家可以支持彩色打印的公司。

据金涛介绍,“快速成型”也不止一种技术,但它们的原理都是截面的叠加不同之处只是每一层材料的凝结方式。有的材料是固体粉末,用液体粘合剂成型有的材料是液态的,用激光截面扫描成型“3D打印和快速成型从技术上来说没有太大区别,3D打印更多的是概念上的进步。原先的快速成型设备笨重、体积很大做一个东西耗费的时间相对也比较久。在人们的概念里快速成型设备是摆在工厂的生产设备,而3D打印机则是一台办公设备可以放在办公室里。和快速成型相比,3D打印更注重和设计师的沟通。”金涛表示。

3D打印未来桌面工厂 创建三维实体打印(组图)

Shapeways 最先由荷兰公司飞利浦提供启动资金,现在已经从飞利浦分离出来,成为一家独立的公司

和设计师沟通的打印机

读大学时,金涛的研究方向主要是计算机图形学。在香港大学从事图形图像研究时,金涛接触到3D打印的概念,他十分看好这项技术的前景,于是放弃在香港大学读博士的机会,回到杭州参与创办了这家面向公众的3D打印服务公司。一开始,他们设想公司的主要业务是“打印魔兽世界”的人物角色模型。金涛是一个魔兽迷,看到国外有网站可以打印自己心爱的角色模型,他也很想在中国大陆也搞一个。他们花重金买来了设备,但这项业务因为迟迟没有得到暴雪公司的版权授权,在进行了一段时间后不得不搁浅。

就在他思考公司出路时,一个偶然的机会,金涛在国外发现一家名为Shapeways 的公司。这家公司提供在线的 3D 打印服务,网民们不仅可以像钢铁侠中的男主角制造战衣那样,在屏幕上折叠、翻转、修改自己的虚拟设计 ;还可以将这些构想的虚拟的东西制造出来变成现实,并送到眼前。网站上展示的设计稀奇古怪,有钟表、珠宝、神奇的魔方等,有人用这项服务给自己弄了个抽象雕塑,还有人做了自己居住城市的微缩模型。材料从不锈钢到玻璃、塑料和沙石,顾客包括个人和商店老板,很多商店老板定制珠宝饰品、礼品和小配件等在店里销售。

Shapeways 的一名高管在公司刚开业时曾告诉媒体 :“我们的网友在业余时间里非常富有创造性,他们往 YouTube上传视频片段、在社交网络里摆弄Profiles、撰写各种博客。现在我们可以将他们自己的想法变成现实。”

金涛觉得,这样的商业模式能最好地利用群众的创造力,也能最大地发挥 3D打印机的价值。受此启发,他们将公司变成中国第一家3D打印服务公司,只要用户提供3D数据,选择建造材料,他们就可以将其设计变成实体。“我们的客户很多,微软在这里打印过他们的新产品模型,建筑事务所、中国美(微博)院建筑系,还有一些工艺品公司、设计公司、文物研究所等,都在这里打印过。”金涛说。

如今这样的3D服务公司在世界各地蓬勃发展。除了最有名的 shapeways,3D 打印机的生产厂商之一 3D Systems也设立了一家合资公司 Mqast,这家公司支持用铝和不锈钢来打印。

如今全球最大最贵的3D打印机,可以用激光烧结直接制造复杂的塑料、金属和合金元件。在消费电子业、航空业和汽车制造业,3D打印已经变得越来越流行。它们不光可以离开传统的大规模机床来制造小数量的部件,而且可以用不同方法来制造,比如单个制作喷气式飞机上的空气动力导管,而不再需要很多不同的元件来组装它。

就像早年的激光打印机,一些3D打印机已经走入艺术家和动手爱好者们的工作间。美国人杰·勒农为了让自己的一台1907年生产的老式流线型汽车继续行驶,购买了一台 3D 打印机。通过 3D 打印机,他将没法再买到的元件扫描进电脑,或者用草图设计一个丢失的元件,打印出附件,在车上试验检测设计是否合理。多亏了3D打印机,他的这辆老爷车如今已能继续行驶。

3D 打印机加速设计过程的能力将会对产业产生巨大影响。“现在工程师可以这样做:有了想法,打印出来,拿着它和别人分享,然后修改并再打印一个。”以色列的3D打印机生产商Objet公司首席执行官大卫·赖斯在接受《经济学人》杂志的专访时表示:“突然间,设计变得更具革新和创造性。”

现在,设计师们可以用3D打印机做一些有趣的事情,比如修补一个破玩具,耐克、阿迪达斯等公司用它们来打印新的运动鞋模型,在福特、保时捷、摩托罗拉、诺基亚、惠普等公司的研发生产线上,也能看到它们的身影。

将古迹带回家

金涛最得意的一个作品是几尊佛像。“那个作品光打印就花了两天,打印好了又处理了两天”。

那几尊佛像是天龙山石窟第 18 窟西壁的完整复原,共有一佛二菩萨,颈饰项圈、手镯、下垂的左腿,以及莲座的细节都清晰可见。这是无尽藏非物质文化与艺术遗产研究所要求打印的作品。

天龙山石窟以精炼、细腻而又富有感情的造型艺术而闻名于世,是中国佛教造像的经典之一,被誉为天龙山式样。在20世纪初被盗严重,仅1924年一年,天龙山流失海外的佛像就有150多件,这些残件至今仍流落在海外。较小的佛像被整体盗走,大部分洞窟的头像几乎被割盗一空,甚至连窟顶的浮雕莲花和飞天也不放过。

2010 年春天,无尽藏非物质文化与艺术遗产研究所发起了《法相庄严——天龙山造像数字复原研究》,希望利用数字技术,实现残损造像的虚拟复原和网络展示,再现其本来面目。该所所长李庆华在项目进行过程中认识了金涛,于是打算输出他们的研究成果。

“从3D扫描到3D打印,数字化保护的意义和逻辑就更明显了。这会颠覆以前考古的田野考察的工作方式,人们可以把古迹放在办公桌上来研究。”李庆华在接受《外滩画报》采访时说。

3D打印未来桌面工厂 创建三维实体打印(组图)

3D 打印工厂

他们选择了天龙山石窟第 18 窟作为他们的第一次尝试。为了获得完整的 3D数据,李庆华带着一个团队拿着一台 3D扫描设备在洞里呆了整整 10 天。“3D 测绘是项大工程,一束细细的激光束,就像一个移动的取景框,打到佛像上面,这种机器是手持的,佛像和洞窟的每个细节都必须细致地扫描一遍,不能有死角。扫描一块四五十平方厘米的地方需要整整 20分钟。”李庆华说。

洞窟扫描完成后的数据处理也是大工程,甚至一个佛像进了电脑都会生成几百万个面,李庆华的电脑常常因为存储了太多的3D数据而死机。回来后李庆华在工作室里埋头苦干了十天,终于把数据拿到了金涛的办公室。

“我清楚地记得,那时候快过年了,办公室只有我们两人在处理佛像。”金涛说。七八个小时后,他们掀开打印机的盖子,看到了成品。李庆华小心翼翼地拿毛笔刷去佛像周围的粉末,这项工作需要极致小心和耐心;干这件事时,他不禁会想到“在沙漠里考古的情形”。为了数据处理的方便,他们设定的打印厚度只有1.5毫米,第一次的打印成果就因为用力过猛作废了。“捧着这块三维佛像,就像捧着一块极薄易碎的面具。”金涛说。

  最终,刷上增强硬度的胶水后,这件“考古作品”正式完成。李庆华十分感慨:“原来写天龙山报告的社科院专家李裕群,为了写报告,在天龙山手工测绘,收集数据,呆了20多天,也没看全。现在我可以把它放在桌上,从任意不同角度看。”因为是按1:11大小复制的,打印出的成品远没有电脑里的三维图细节那么丰富,但李庆华说这种“把玩感”是以前无法想象的。

 

3D打印未来桌面工厂 创建三维实体打印(组图)

3D 打印

将建筑打印出来

3D 打印的诞生,为疯狂的设计师们找到了灵感的出口。

意大利发明家恩里科·迪尼(Enrico dini)发明了一台巨大的 3D 打印机,这台机器可以用沙子直接打印立体的建筑。有了这台机器,未来不搭脚手架,不需要工人,人们就能完成造房子的事情。

为了测试这台大型打印机,恩里科·迪尼为诺曼·福斯特公司在阿布扎比建造的全球首个绿色乌托邦“马斯达尔城(Masdar City)”,打印了一部分建筑的骨架外墙,结果证明完全可行。

现在,他正与诺曼·福斯特建筑设计公司以及阿尔塔太空公司合作,研究设计一种可以使用月球尘埃打印的3D打印机,届时可以在月球上快速建造人类基地。

恩里科·迪尼告诉《外滩画报》记者,这个打印机的灵感来源于麻省理工学院的那项三维打印技术。当他看到C-corporation 的 3D 打印机在办公室工作的场景时,他突然想:为什么不能用它来造房子呢?

在投入这个项目之前,恩里科·迪尼是一位土木工程师。在仔细阅读快速成型的相关技术后,他认为打印建筑结构是完全可行的。“我让我的数学家朋友们改进软件,然后自己设计机械电路图、制造装配、布线、测试等等。”

2004年11月,第一台建筑打印机的概念机面世。经过改进,2007 年 4 月正式完工。同年,恩里科在伦敦成立了一家主营3D建筑打印的公司。

“传统的打印机有个弱点,只能打出很薄很薄的一层,我把这个机器改进了,使得大量的‘胶水’能落下来,打印出50 毫米厚的一层,然后再一层一层叠加起来。”恩里科说。

印刷过程由一层薄薄的沙子开始,印刷机从喷嘴处喷出以镁为主要原料的粘合胶,这些粘合胶跟沙子结合并在印刷机对其施压后变成岩石。之后再放上一层薄薄的沙子,重复以上的操作,岩石层就会越来越厚,最终印刷成设计中所需要的构造物形状。成品可以是一座雕塑或整个大教堂等等。已经做成的实验品是一只布满空

洞的蛋状建筑结构,恩里科管它叫“放射馆”,这个复杂的结构可以有力证明和测试这一开创性的施工技术。

“这个 6 米长、6 米高的机器是我造过的最大的机器,用3D打印,你想造多大的东西,就得造多大的机器。这算是个缺点吧。”恩里科说。不过据他介绍,使用这台机器印刷出来的建筑物比传统方式要快四倍,原料成本只是普通水泥的1/2到1/3,生产出的废料极少。

“因为我不需要用水泥,并且原料是沙子。我尽量使用当地的材料,减少运输成本,沙子到处都有,尽管也有一定的要求。我希望我去上海造房子时,上海能有我想要的沙子。”恩里科强调,用这台打印机打印建筑,造出高迪式的弯曲结构简直易如反掌。

恩里科十分推崇建筑大师高迪的作品,他希望有生之年能用3D打印机完成高迪的未完成作品——位于西班牙巴塞罗那的“神圣家族大教堂”。

就像打印机逐步进入办公室和家庭的步骤一样,3D打印还有很长的路要走。尽管现在3D打印机的成本不断下降,最便宜的机器仍然在1万美元以上。英国巴斯大学有一项新设计,这项新设计能用大约700美元制造一个3D打印机,用户甚至可以用这台机器制造另一台3D打印机的塑料部件。

在那个名为“万能制造机”的故事里,也有相同的情节。当一台3D打印机能够制造另一台3D打印机,这是多么引人遐想的美好未来。

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