張浩

“3D打印”概念近來(lái)熱到燙手，但人們對(duì)它的印象卻仍然模糊。盡管如此，從美國(guó)到中國(guó)的3D打印粉絲們都期待它能像機(jī)械化、大規(guī)模生產(chǎn)和互聯(lián)網(wǎng)那樣，深遠(yuǎn)地改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)方式、生活方式乃至人類的歷史。

3D打印熱由來(lái)

3D打印實(shí)際上是對(duì)一系列“增材制造”技術(shù)的總稱。所謂增材制造，是指不經(jīng)過(guò)車、銑、鉆等傳統(tǒng)“減材”切削加工，而是通過(guò)堆疊材料來(lái)直接形成最終產(chǎn)品的一種制造理念。這和平面打印機(jī)技術(shù)并無(wú)關(guān)聯(lián)，為什么會(huì)得到一個(gè)3D打印的美名呢？

這要?dú)w功于1990年由美國(guó)麻省理工學(xué)院申請(qǐng)的專利“三維印刷技術(shù)”。該學(xué)院的四名科研人員從噴墨打印機(jī)原理出發(fā)，研制出一種能在平鋪著“塑料”粉末的平面上噴灑各種顏色“膠水”的打印機(jī)。當(dāng)打印生成一層平面后，在平面上薄薄地鋪一層新粉末，再繼續(xù)打印。打印完畢后，吹走多余的粉末，就能得到一個(gè)彩色的實(shí)體物品。

自這項(xiàng)專利見(jiàn)諸報(bào)端后，所有的增材制造技術(shù)就逐漸被媒體統(tǒng)稱為3D打印了。運(yùn)用麻省理工學(xué)院的這個(gè)專利，一些企業(yè)造出了按三維空間位置制造產(chǎn)品的“打印機(jī)”。其打印過(guò)程新增數(shù)字化三維模型構(gòu)建，用處理軟件生成不同高度的模型橫截面圖，將圖形轉(zhuǎn)化為打印控制代碼。最終，3D打印機(jī)通過(guò)執(zhí)行這段代碼，逐層打印、固化，生成理想中的物品。

3D打印既縮短了生產(chǎn)時(shí)間，又減少了原材料浪費(fèi)，還能做出減材制造做不出來(lái)的超復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

既然3D打印技術(shù)大多是上世紀(jì)研發(fā)成功的，為何從2012年起才受到如此大規(guī)模的高度關(guān)注？原因見(jiàn)仁見(jiàn)智，但桌面級(jí)開(kāi)源（用于客戶端且開(kāi)放源代碼的）3D打印機(jī)在其中起到重要作用。

以Reprap（三維打印原型機(jī)）為代表的桌面級(jí)3D打印機(jī)，作為開(kāi)源硬件通過(guò)“創(chuàng)客運(yùn)動(dòng)”（使用數(shù)字工具設(shè)計(jì)制造產(chǎn)品并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)分享成果）在全球呈現(xiàn)爆炸性增長(zhǎng)。特別是1992年取得美國(guó)專利的“熔融沉積成型技術(shù)”（FDM）在2009年過(guò)期后，以美國(guó)Makerbot公司為代表的一批硬件創(chuàng)業(yè)公司開(kāi)始大規(guī)模銷售廉價(jià)的開(kāi)源FDM 3D打印機(jī)，并鼓勵(lì)用戶復(fù)制、改進(jìn)相關(guān)設(shè)計(jì)，最終把FDM 3D打印機(jī)帶到普通大眾身邊，也讓媒體、政府、相關(guān)領(lǐng)域的科研和工業(yè)界人士對(duì)3D打印有了更深的理解。

挑破泡沫

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于3D打印的熱捧導(dǎo)致某些報(bào)道有點(diǎn)玄乎，比如能直接打印汽車、打印腎臟云云。在了解以上3D打印信息之后，讓我們?cè)僖砸环N冷靜的眼光重新審視這些“神技”吧。

美國(guó)、加拿大公司聯(lián)合研制的所謂“3D打印車”Urbee已問(wèn)世一年有余。它是一種兩人乘坐的三輪混合動(dòng)力車，其主要?jiǎng)恿殡娏?，輔以燃料乙醇，目標(biāo)是成為最綠色的汽車?？上襟w報(bào)道時(shí)通常偏離其環(huán)保目標(biāo)，而稱它為“第一輛完全通過(guò)3D打印制造的車”。真是這樣嗎？事實(shí)是現(xiàn)在仍無(wú)法僅通過(guò)3D打印的方式制造汽車?yán)锏年P(guān)鍵部件，比如電機(jī)。這輛車全身上下唯一用3D打印來(lái)制造的部分只有外殼而已。Urbee團(tuán)隊(duì)本想用玻璃鋼制造車外殼，但在對(duì)比后選擇了FDM 3D打印技術(shù)。最終，他們通過(guò)2500小時(shí)打印，得到50個(gè)零件并組裝出了Urbee的外殼。

由此可見(jiàn)，3D打印并不意味著將車的設(shè)計(jì)文件輸入機(jī)器，就能夠無(wú)中生有造出一臺(tái)功能完整的車。就連寶馬、現(xiàn)代等傳統(tǒng)車商，迄今也剛剛做到用FDM 3D打印技術(shù)加速開(kāi)發(fā)新型方向盤(pán)和儀表面板。

現(xiàn)在看來(lái)，想用3D打印作為生產(chǎn)方式來(lái)取代大規(guī)模生產(chǎn)不太可能。且不說(shuō)3D打印技術(shù)目前尚且不具備直接生產(chǎn)像汽車這樣復(fù)雜的混合材料產(chǎn)品，即使該技術(shù)在未來(lái)取得長(zhǎng)足進(jìn)步，完全打印一輛車只怕要耗時(shí)好幾個(gè)月，在成本上遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大規(guī)模生產(chǎn)車時(shí)均攤到每輛車上的成本。所以，對(duì)于生產(chǎn)有大量剛性需求的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，具有規(guī)模經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)的大規(guī)模生產(chǎn)仍比重點(diǎn)放在個(gè)性化、可定制的3D打印生產(chǎn)方式更加經(jīng)濟(jì)。

不過(guò)，也正因?yàn)檫@個(gè)原因，在某些生產(chǎn)規(guī)模無(wú)法達(dá)到“汽車”規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)的領(lǐng)域，3D打印正逐漸成為主力生產(chǎn)方式之一。飛機(jī)工業(yè)就是一個(gè)典型。由于飛機(jī)產(chǎn)量較小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用傳統(tǒng)制造方式成本高昂，浪費(fèi)原料，周期很長(zhǎng)。因此，波音公司正借助3D打印生產(chǎn)某些零件，并已裝配到美國(guó)空軍現(xiàn)役戰(zhàn)機(jī)上；中國(guó)西北工業(yè)大學(xué)正嘗試用“電子束熱熔”技術(shù)制造飛機(jī)用鈦合金零件；2012年度中國(guó)國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)項(xiàng)目正是“飛機(jī)鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件激光成形技術(shù)”。

在需要高度定制化的某些醫(yī)療領(lǐng)域，3D打印也可以大展拳腳！今年3月初，一位美國(guó)患者借助3D打印技術(shù)及計(jì)算機(jī)斷層掃描/磁共振成像數(shù)據(jù)，用美國(guó)“牛津高性能材料”公司的生物兼容塑料替換了自己75%的受損顱骨。

無(wú)獨(dú)有偶，美國(guó)男孩盧克因膀胱頻繁滲尿，導(dǎo)致腎功能受損。美國(guó)威克森林再生醫(yī)學(xué)研究所曾用3D打印技術(shù)為盧克定制了膀胱模子，并使其自身細(xì)胞在模子內(nèi)發(fā)育成可發(fā)揮膀胱功能的器官。這個(gè)人造器官讓盧克避免了終生依賴透析的命運(yùn)。但這種打印技術(shù)目前還無(wú)法制成有實(shí)用價(jià)值的腎臟等結(jié)構(gòu)、功能更復(fù)雜的器官，此前媒體盛傳的3D打印腎臟還深藏在實(shí)驗(yàn)室中，不能植入人體。目前，威克森林研究所正嘗試?yán)脟娔蛴C(jī)原理，用細(xì)胞替代墨水，直接打印制造人體組織和器官。

此外，3D打印技術(shù)還可用于博物館展品復(fù)制、個(gè)性化玩具及首飾定制等等需要精確仿造或異想天開(kāi)的設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。

懸疑待解

3D打印雖好，但還不是一種像傳統(tǒng)平面打印那樣人人可用的技術(shù)。拋開(kāi)價(jià)格不談，設(shè)計(jì)三維模型這個(gè)技能就不是人人都能掌握。雖然Makerbot Digitizer等廉價(jià)3D掃描儀已經(jīng)問(wèn)世，但其主要功能是復(fù)制現(xiàn)有物品，3D打印粉絲們則更希望創(chuàng)造全新物品。

即便有了三維模型后，在逐層打印時(shí)仍需針對(duì)預(yù)設(shè)結(jié)構(gòu)，調(diào)整被打印物的朝向和打印參數(shù)，這道工序需要豐富的3D打印經(jīng)驗(yàn)才能較好完成。此外，已達(dá)實(shí)用水平的所有3D打印技術(shù)，在打印完成后都需做各種后期處理：比如用水溶解或者人工剝離支撐材料；沖洗零件表面多余的光敏樹(shù)脂；甚至通過(guò)烤制去除混入材料的連接劑。

但是也別灰心。以生產(chǎn)吸塵機(jī)器人Roomba聞名于世的美國(guó)iRobot公司今年初提交了一項(xiàng)專利申請(qǐng)，提出簡(jiǎn)化3D打印設(shè)想：如果能讓在任意位置、擺出任意角度的工業(yè)機(jī)器人作為打印平面，就能消除目前主流打印技術(shù)對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的依賴，在逐層打印時(shí)就無(wú)需考慮朝向或參數(shù)問(wèn)題。等這個(gè)專利所描述的機(jī)器人面世那一天，任何人都有望像操作平面打印機(jī)一樣操作3D打印機(jī)了。

不過(guò)值得關(guān)注的是，3D打印也有“雙刃劍”效應(yīng)。如果生活是一部電影，編劇就一定會(huì)讓大反派利用3D打印來(lái)制造武器，這已不是影視作品的夸張渲染了。美國(guó)德州大學(xué)奧斯汀分校的學(xué)生科迪·威爾遜就以設(shè)計(jì)、分享可供3D打印的槍支零件為己任。依據(jù)美國(guó)法律，擊發(fā)并自動(dòng)退殼的步槍下機(jī)閘是受管制部件。但威爾遜使用“光固化立體造型”打印技術(shù)制成下機(jī)閘，并與其他美境內(nèi)可自由購(gòu)買(mǎi)的步槍零件組裝成一把仿AR-15自動(dòng)步槍。在歷經(jīng)兩次改進(jìn)和第三版設(shè)計(jì)后，該步槍在打光預(yù)存的600余發(fā)子彈后完好無(wú)損。也許威爾遜有一天會(huì)因此進(jìn)監(jiān)獄，但正如媒體驚呼，難道“已經(jīng)沒(méi)有人能阻止互聯(lián)網(wǎng)傳播這些武器設(shè)計(jì)了嗎”？

目前來(lái)看，雖然作為生產(chǎn)方式，3D打印還難以取代大規(guī)模生產(chǎn)而成為最主流的生產(chǎn)方式，但卻能滿足散布在世界各地的種種個(gè)性化需求；作為快速原型制造工具，3D打印使得硬件創(chuàng)新更加容易，帶動(dòng)了硬件的復(fù)興；作為一種思想，3D打印讓我們看到了科幻作品中描述的未來(lái)科技成真的曙光；作為一種制造幾乎任何物品的能力，3D打印讓我們對(duì)“自由”重新思考。

（作者為科普作家）