3D 打印机

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

“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。

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

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。