3D打印：讓模具制造材料既好又快還省

       你需要一把功能強(qiáng)大的錘子？你需要一雙精致無比的鞋子？你需要給孩子準(zhǔn)備奇異的玩具？你需要一頓精美的晚餐？只管打印出來就行了。美國康奈爾大學(xué)機(jī)械工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)教授胡迪·利普森領(lǐng)銜創(chuàng)作的這本書講述了3D打印技術(shù)的突破性發(fā)展，以及3D打印技術(shù)將如何應(yīng)用在學(xué)校、廚房、醫(yī)院等場所的。

　　作為全球3D打印研究的權(quán)威專家，作者經(jīng)過長期卓有成效的研究，并走訪了多位來自各個行業(yè)的學(xué)者，這部生動而有趣的書帶給你的不僅僅是極大的震撼，還有更多的觀察與思考——3D打印這個全新的世界將給你帶來什么。

　　哈利·波特的魔杖復(fù)活了

　　如果你有一臺可造萬物的機(jī)器，你會用它做什么？在英國，技術(shù)人員通過掃描奧運(yùn)短跑運(yùn)動員的腳和腳踝，把數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)經(jīng)過幾步簡單的計(jì)算后，技術(shù)人員就能夠3D打印出專屬每個運(yùn)動員的新鞋，這雙鞋符合運(yùn)動員的體形、體重、步態(tài)和偏好。

　　在世界的另一端，美國國家航空航天局在亞利桑那州的沙漠中測試了一艘火星飛船，飛船甲板上裝有定制的3D打印金屬部件。這些部件大多形狀復(fù)雜，有許多曲線和鏤空，除了3D打印機(jī)，其他任何設(shè)備都生產(chǎn)不出來。

　　在日本，一位準(zhǔn)媽媽想要紀(jì)念其首次超聲波檢測，她的醫(yī)生編輯她的超聲圖像，并3D打印出栩栩如生的胎兒模型。結(jié)果，一個透明硬塑料塊中就出現(xiàn)了一個前衛(wèi)的3D打印微小胎兒塑料模型。

　　這些制造奇跡不斷發(fā)生。在不遠(yuǎn)的將來，人們將3D打印出活體組織、富含營養(yǎng)的食品及完全組裝好的電子元件成品。

　　如同童話故事里的魔杖，3D打印能讓我們掌控物理世界。3D打印賦予了普通人強(qiáng)大新穎的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工具，人們可以獲得專業(yè)設(shè)計(jì)師和制造業(yè)大企業(yè)所獨(dú)有的設(shè)計(jì)和制造能力。

　　“在未來的3D打印世界里，無論何時(shí)何地，人們需要什么就可以打印什么。”金模網(wǎng)CEO、亞洲制造業(yè)冠軍聯(lián)盟負(fù)責(zé)人羅百輝表示，3D打印機(jī)依據(jù)計(jì)算機(jī)指令，通過層層堆積原材料制造產(chǎn)品。在人類歷史的大部分時(shí)間里，我們通過切割原料或通過模具成型制造新的實(shí)體物品。3D打印的技術(shù)名稱是“增材制造”，這是對實(shí)際打印過程比較貼切的描述。3D打印獨(dú)特的制造技術(shù)讓我們能夠生產(chǎn)前所未有的各種形狀的物品。3D打印不是一種新技術(shù)，3D打印機(jī)已在制造機(jī)加工車間默默地工作了幾十年。在過去的幾年里，由于受到計(jì)算能力、新型設(shè)計(jì)軟件、新材料、創(chuàng)新推動及互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)步的推動，3D打印技術(shù)發(fā)展迅速。當(dāng)然，技術(shù)雖然好，也要看人們怎樣應(yīng)用。有人可能會用來制造武器或不受監(jiān)管甚至是有毒的新藥。我們的環(huán)境也可能很快被滿足各種需求的打印塑料產(chǎn)品垃圾所充斥。生物打印帶來的倫理挑戰(zhàn)將比干細(xì)胞引發(fā)的爭議更復(fù)雜。黑市商人則會受到利益驅(qū)使，通過制造和銷售有故障的機(jī)器零件來快速賺取黑心利潤，那些豆腐渣工程在關(guān)鍵時(shí)刻往往會出問題。

　　大多數(shù)人第一次聽到3D打印時(shí)，他們就想到了那些老式的、常見的桌面打印機(jī)。噴墨打印機(jī)和3D打印機(jī)最大的區(qū)別是維度問題，桌面打印機(jī)是二維打印的，在平面紙張上噴涂彩色墨水，而3D打印機(jī)可以制造拿在手上的三維物體。　　

　　計(jì)算機(jī)在3D打印過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，沒有計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令，3D打印機(jī)就會癱瘓。3D打印機(jī)正常運(yùn)作的前提是要輸入一個設(shè)計(jì)好的電子藍(lán)圖或設(shè)計(jì)文件，它們負(fù)責(zé)告訴3D打印機(jī)在哪里放置原材料。事實(shí)上，沒有連接計(jì)算機(jī)及設(shè)計(jì)文件的3D打印機(jī)是沒有用處的，就像沒有存儲音樂的iPod。

　　3D打印過程如下：3D打印機(jī)在設(shè)計(jì)文件指令的導(dǎo)引下，先噴出固體粉末或熔融的液態(tài)材料，使其固化為一個特殊的平面薄層。第一層固化后，3D打印機(jī)打印頭返回，在第一層外部形成另一薄層。第二層固化后，打印頭再次返回，并在第二層外部形成另一薄層。如此往復(fù)，最終薄層累積成為三維物體。

　　3D打印機(jī)不像傳統(tǒng)制造機(jī)器那樣通過切割或模具塑造制造物品。通過層層堆積形成實(shí)體物品的方法從物理的角度擴(kuò)大了數(shù)字概念的范圍。對于要求具有精確的內(nèi)部凹陷或互鎖部分的形狀設(shè)計(jì)，3D打印機(jī)是首選的加工設(shè)備，它可以將設(shè)計(jì)在實(shí)體世界中實(shí)現(xiàn)。

　　3D打印部件和產(chǎn)品正在蔓延到日常生活中。你的汽車儀表盤的設(shè)計(jì)就借助了3D打印原型，確保各部件緊密地配合在一起。如果你戴助聽器，3D打印可以使用光學(xué)掃描數(shù)據(jù)，捕捉你內(nèi)耳的精確形狀，實(shí)現(xiàn)定制生產(chǎn)。

　　牙科診所借助X射線不到一個小時(shí)就可以打印定制的牙冠。在體內(nèi)安裝用鈦和陶瓷打印的假膝蓋已經(jīng)風(fēng)靡世界。如果你有幸乘坐波音公司的新型飛機(jī)——波音787夢想飛機(jī)，你已經(jīng)將生命托付給至少32種3D打印的部件。

　　3D打印技術(shù)的秘密可以概括如下：就將復(fù)雜設(shè)計(jì)變成實(shí)體物品而言，3D打印機(jī)比其他生產(chǎn)模式（如人工生產(chǎn)或機(jī)器生產(chǎn)）更精確、更通用，可以將一個復(fù)雜的設(shè)計(jì)通過組合不同的原材料以過去不可能的方式制造成實(shí)物。

　　如今，一般家用3D打印機(jī)可以制造鞋盒大小的塑料物品。工業(yè)領(lǐng)域的3D打印機(jī)可以制造大到汽車、小到肉眼幾乎無法看到的針頭等物品。有些研究人員開始嘗試用3D打印機(jī)打印小型房屋大小的混凝土結(jié)構(gòu)。而在微觀的角度，另外一些研究人員已經(jīng)打印出肉眼幾乎看不到細(xì)節(jié)的物體。

　　引入3D打印技術(shù)的一個風(fēng)險(xiǎn)將是對消費(fèi)者安全的威脅。雖然至今還沒有人受到來自3D打印機(jī)在打印時(shí)出現(xiàn)故障或由3D打印機(jī)本身帶來（至少忽視了）的傷害。

　　這是一個某天可能會出現(xiàn)在法庭上的場景，在這種假設(shè)下，錯誤在哪一方呢？汽車發(fā)燒友美好地憧憬著，在地下室車間，3D打印機(jī)能夠制作一個用戶定制的方向盤。毫無疑問，這個打印出來的方向盤并沒有經(jīng)過質(zhì)量和安全檢測。這些設(shè)計(jì)文件可以在一個廣受歡迎的出售新奇汽車附件的網(wǎng)站上買到。

　　業(yè)余汽車愛好者在線出售打印出來的方向盤，它的買家買到后將其安裝在汽車上。幾個星期后，他發(fā)現(xiàn)在高速行駛時(shí)要向左急轉(zhuǎn)彎，根據(jù)用戶量身打印出來的方向盤就會脫離，不過為時(shí)已晚，買家已經(jīng)車毀人亡。

　　與其他經(jīng)歷了技術(shù)快速發(fā)展的行業(yè)一樣，3D打印行業(yè)也將遇到新的法律挑戰(zhàn)和新形式的消費(fèi)者安全和犯罪活動。法律變更的速度越來越慢，但技術(shù)不會坐等法律的改變。技術(shù)越強(qiáng)大，可能出現(xiàn)的濫用情況就越新奇和深遠(yuǎn)。

　　3D打印引入的法律挑戰(zhàn)在公共意識邊緣閃現(xiàn)。我們剛剛開始探索這一前沿領(lǐng)域，不久的將來3D打印的有關(guān)法律將會產(chǎn)生。

　　敏捷制造：既好，又快，還省

　　預(yù)測未來是有風(fēng)險(xiǎn)的。寫這本書時(shí)，我們就3D打印前景采訪了一些人，發(fā)現(xiàn)了一些即將顯現(xiàn)的潛在優(yōu)勢。來自各個行業(yè)、具有不同背景和專業(yè)技術(shù)水平的人用類似的方式描述，3D打印幫助他們減少主要成本、時(shí)間和復(fù)雜性障礙。

　　我們將獲取的信息歸納為十項(xiàng)優(yōu)勢，希望能幫助一些個人和企業(yè)充分利用3D打印技術(shù)。

　　優(yōu)勢1：制造復(fù)雜物品不增加成本。就傳統(tǒng)制造而言，物體形狀越復(fù)雜，制造成本越高。對3D打印機(jī)而言，制造形狀復(fù)雜的物品成本不增加，制造一個華麗的形狀復(fù)雜的物品并不比打印一個簡單的方塊消耗更多的時(shí)間、技能或成本。制造復(fù)雜物品而不增加成本將打破傳統(tǒng)的定價(jià)模式，并改變我們計(jì)算制造成本的方式。

　　優(yōu)勢2：產(chǎn)品多樣化不增加成本。一臺3D打印機(jī)可以打印許多形狀，它可以像工匠一樣每次都做出不同形狀的物品。傳統(tǒng)的制造設(shè)備功能較少，做出的形狀種類有限。3D打印省去了培訓(xùn)機(jī)械師或購置新設(shè)備的成本，一臺3D打印機(jī)只需要不同的數(shù)字設(shè)計(jì)藍(lán)圖和一批新的原材料。

　　優(yōu)勢3：無須組裝。3D打印能使部件一體化成型。傳統(tǒng)的大規(guī)模生產(chǎn)建立在組裝線基礎(chǔ)上，在現(xiàn)代工廠，機(jī)器生產(chǎn)出相同的零部件，然后由機(jī)器人或工人（甚至跨洲）組裝。產(chǎn)品組成部件越多，組裝耗費(fèi)的時(shí)間和成本就越多。3D打印機(jī)通過分層制造可以同時(shí)打印一扇門及上面的配套鉸鏈，不需要組裝。省略組裝就縮短了供應(yīng)鏈，節(jié)省在勞動力和運(yùn)輸方面的花費(fèi)。供應(yīng)鏈越短，污染也越少。

　　優(yōu)勢4：零時(shí)間交付。3D打印機(jī)可以按需打印。即時(shí)生產(chǎn)減少了企業(yè)的實(shí)物庫存，企業(yè)可以根據(jù)客戶訂單使用3D打印機(jī)制造出特別的或定制的產(chǎn)品滿足客戶需求，所以新的商業(yè)模式將成為可能。如果人們所需的物品按需就近生產(chǎn)，零時(shí)間交付式生產(chǎn)能最大限度地減少長途運(yùn)輸?shù)某杀尽?br />
　　優(yōu)勢5：設(shè)計(jì)空間無限。傳統(tǒng)制造技術(shù)和工匠制造的產(chǎn)品形狀有限，制造形狀的能力受制于所使用的工具。例如，傳統(tǒng)的木制車床只能制造圓形物品，軋機(jī)只能加工用銑刀組裝的部件，制模機(jī)僅能制造模鑄形狀。3D打印機(jī)可以突破這些局限，開辟巨大的設(shè)計(jì)空間，甚至可以制作目前可能只存在于自然界的形狀。

　　優(yōu)勢6：零技能制造。傳統(tǒng)工匠需要當(dāng)幾年學(xué)徒才能掌握所需要的技能。批量生產(chǎn)和計(jì)算機(jī)控制的制造機(jī)器降低了對技能的要求，然而傳統(tǒng)的制造機(jī)器仍然需要熟練的專業(yè)人員進(jìn)行機(jī)器調(diào)整和校準(zhǔn)。3D打印機(jī)從設(shè)計(jì)文件里獲得各種指示，做同樣復(fù)雜的物品，3D打印機(jī)所需要的操作技能比注塑機(jī)少。非技能制造開辟了新的商業(yè)模式，并能在遠(yuǎn)程環(huán)境或極端情況下為人們提供新的生產(chǎn)方式。

　　優(yōu)勢7：不占空間、便攜制造。就單位生產(chǎn)空間而言，與傳統(tǒng)制造機(jī)器相比，3D打印機(jī)的制造能力更強(qiáng)。例如，注塑機(jī)只能制造比自身小很多的物品，與此相反，3D打印機(jī)可以制造和其打印臺一樣大的物品。3D打印機(jī)調(diào)試好后，打印設(shè)備可以自由移動，打印機(jī)可以制造比自身還要大的物品。較高的單位空間生產(chǎn)能力使得3D打印機(jī)適合家用或辦公使用，因?yàn)樗鼈兯璧奈锢砜臻g小。

　　優(yōu)勢8：減少廢棄副產(chǎn)品。與傳統(tǒng)的金屬制造技術(shù)相比，3D打印機(jī)制造金屬時(shí)產(chǎn)生較少的副產(chǎn)品。傳統(tǒng)金屬加工的浪費(fèi)量驚人，90％的金屬原材料被丟棄在工廠車間里。3D打印制造金屬時(shí)浪費(fèi)量減少。隨著打印材料的進(jìn)步，“凈成型”制造可能成為更環(huán)保的加工方式。

　　優(yōu)勢9：材料無限組合。對當(dāng)今的制造機(jī)床而言，將不同原材料結(jié)合成單一產(chǎn)品是件難事，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的制造機(jī)床在切割或模具成型過程中不能輕易地將多種原材料融合在一起。隨著多材料3D打印技術(shù)的發(fā)展，我們有能力將不同原材料融合在一起。以前無法混合的原料混合后將形成新的材料，這些材料色調(diào)種類繁多，具有獨(dú)特的屬性或功能。

　　優(yōu)勢10：精確的實(shí)體復(fù)制。數(shù)字音樂文件可以被無休止地復(fù)制，音頻質(zhì)量并不會下降。未來，3D打印將數(shù)字精度擴(kuò)展到實(shí)體世界。掃描技術(shù)和3D打印技術(shù)將共同提高實(shí)體世界和數(shù)字世界之間形態(tài)轉(zhuǎn)換的分辨率，我們可以掃描、編輯和復(fù)制實(shí)體對象，創(chuàng)建精確的副本或優(yōu)化原件。

　　以上部分優(yōu)勢目前已經(jīng)得到證實(shí)，其他的會在未來的一二十年（或30年）成為現(xiàn)實(shí)。3D打印突破了原來熟悉的歷史悠久的傳統(tǒng)制造限制，為以后的創(chuàng)新提供了舞臺。在后面的章節(jié)中，我們將探討3D打印技術(shù)如何改變我們的工作、飲食、醫(yī)療、學(xué)習(xí)、創(chuàng)新和娛樂。