书吧：3D打印从想象到现实（美：胡迪·利普森）

书吧：3D打印从想象到现实（美：胡迪·利普森） 学习辅助网 www.5730.net 3D打印的十大优势 写这本书时，我们就3D打印前景采访了一些人，发现了一些即将显现的潜在优势。来自各个行业、具有不同背景和专业技术水平的人用类似的方式描述，3D打印帮助他们减少主要成本、时间和复杂性障碍。 我们将获取的信息归纳为十项优势，希望能帮助一些个人和企业充分利用3D打印技术。 优势1:制造复杂物品不增加成本。对3D打印机而言，制造一个华丽的形状复杂的物品并不比打印一个简单的方块消耗更多的时间、技能或成本。制造复杂物品而不增加成本将打破传统的定价模式，并改变我们计算制造成本的方式。 优势2:产品多样化不增加成本。一台3D打印机可以像工匠一样每次都做出不同形状的物品。3D打印省去了机械师或购置新设备的成本，一台3D打印机只需要不同的数字设计蓝图和一批新的原材料。 优势3:无须组装。3D打印能使部件一体化成型。它通过分层制造可以同时打印一扇门及上面的配套铰链，不需要组装。省略组装就缩短了供应链，节省在劳动力和运输方面的花费。供应链越短，污染也越少。 优势4:零时间交付。3D打印机可以按需打印。即时生产减少了企业的实物库存，企业可以根据客户订单使用3D打印机制造出特别的或定制的产品满足客户需求，所以新的商业模式将成为可能。如果人们所需的物品按需就近生产，零时间交付式生产能最大限度地减少长途运输的成本。 优势5:设计空间无限。传统制造技术和工匠制造的产品形状有限，制造形状的能力受制于所使用的工具。例如，传统的木制车床只能制造圆形物品，轧机只能加工用铣刀组装的部件，制模机仅能制造模铸形状。3D打印机可以突破这些局限，开辟巨大的设计空间，甚至可以制作目前可能只存在于自然界的形状。 优势6:零技能制造。传统工匠需要当几年学徒才能掌握所需要的技能。批量生产和计算机控制的制造机器降低了对技能的要求，然而传统的制造机器仍然需要熟练的专业人员进行机器调整和校准。3D打印机从设计文件里获得各种指示，做同样复杂的物品，3D打印机所需要的操作技能比注塑机少。非技能制造开辟了新的商业模式，并能在远程环境或极端情况下为人们提供新的生产方式。 优势7:不占空间、便携制造。3D打印机调试好后，打印设备可以自由移动，打印机可以制造比自身还要大的物品。较高的单位空间生产能力使得3D打印机适合家用或办公使用，因为它们所需的物理空间小。 优势8:减少废弃副产品。3D打印制造金属时浪费量减少。随着打印材料的进步，“净成形”制造可能成为更环保的加工方式。 优势9:材料无限组合。随着多材料3D打印技术的发展，我们有能力将不同原材料融合在一起。以前无法混合的原料混合后将形成新的材料，这些材料色调种类繁多，具有独特的属性或功能。 优势10:精确的实体复制。数字音乐文件可以被无休止地复制，音频质量并不会下降。未来，3D打印将数字精度扩展到实体世界。 轮胎也可以打印了 据说，科幻小说作家保罗?安德森曾经说:“任何问题，无论多么复杂，当你以正确的 莘莘学子必备的交流网站----学习辅助网 www.5730.net 学习辅助网 www.5730.net 方式看它的时候，不会变得更复杂。”预测未来的3D打印产品和服务市场同样是一项艰巨的任务。要为客户提供又好、又快、又便宜的产品或服务的潜在的新商业模式，这种模式很难用三言两语解释清楚。 想象一下，如果汽车修理工决定冒险进入一个新的领域:3D打印轮胎。由于汽车轮胎是一个典型的、大规模生产的产品，这对他来说是一个大胆的商业战略。他将在汽车修理店内油乎乎的弹簧吊架上安装3D打印机，生产高级的、耐用的橡胶轮胎。 假设他的第一个商业模式是制造和销售3D打印与库存轮胎品牌相同的轮胎。对于熟悉3D打印的人来说，这听起来并不明智。 结果是令人失望的。如果他复制大型轮胎零售商的设计，他的3D打印轮胎会一样普通和没有灵魂，而且造价更高。经历挫折的汽车修理工最终会明白，规模经济是无情的。购买3D打印轮胎将增加消费者的成本(不便宜)，现场定制和3D打印轮胎的时间比他从自己的库房中取出大规模生产的四个名牌轮胎的时间还要长(不快)。确实，3D打印轮胎在设计和质量上很出色，但是如果只有质量，企业难以维持下去。 最后临近破产时，这位汽车修理工坐下来开始反思。他修改过的商业模式将不再依赖于大规模生产的效率，相反，他新的3D打印轮胎业务将为那些愿意花更多钱定制设计轮胎的客户提供产品。 较之于向轮胎专家订购一系列的定制轮胎，他的3D打印轮胎更便宜，而且生产周期相对较短。与现场或者库房里那些通用型品牌轮胎相比，他的3D打印轮胎具有不可比拟的优点。 不像一般的轮胎，定制的打印轮胎可以小批量生产。这些定制的轮胎可以设置客户自己名字的花纹，这样在沙漠或者雪地里行驶可以留下个性化的轮胎痕迹。像满足虚荣的车牌市场一样，一些客户将为了自己的标新立异买更贵的轮胎。可以想象营销和品牌推广的可能性，富裕的大学可以出售印有学校钟塔的轮胎给那些忠诚的校友。 因为小城镇的地方市场比较小，上门的客户不多，所以为了持续经营，这位汽车修理工将利用网店向全球市场销售他的产品。客户可以浏览轮胎设计，或者上传他们自己的轮胎设计。为了节省运费，他可以与不同地方的汽车修理工沟通，委托他们在当地打印定制轮胎。 先不提装饰，定制轮胎可以借助3D打印提高产品质量。经过特别设计的3D打印轮胎能够利用计算机算法，根据当地的气候为汽车提供适当的摩擦力。某些车型的车主能够通过定制轮胎改善汽车的外观，并降低发生意外的概率。未来的设计师可能会拿出新颖的轮胎设计，以提高轮胎的滚动效率或耐磨性。 确实，要想盈利，这家新一代的轮胎制造商将为3D打印的定制轮胎制定远高于普通轮胎的价格。但是如果有足够的消费者愿意为独创的、品牌的、能够提供最佳性能的轮胎支付高价，销售3D打印轮胎将是很好的商业模式。 云制造:像蚂蚁工厂 由3D打印技术和新型设计技术推动的未来商业模式之一将是云制造。云制造是一种替代大规模生产的方案，由小规模、分布式节点组成。 我们正处在一个庞大的、互联的、分散的互联网系统时代的黎明时期，我们有大数据、大企业、庞大的财务网络遍布全球，我们有复杂的经济生态系统，连泰国的季风都会影响布鲁克林区小企业的存亡。 电话网络曾经呈现大型化、集中化的特点，但其便利性却大打折扣。今天，世界上大 ,的人都拥有手机。每部手机都很小巧，但如果世界各地数十亿部手机连接成分布式约60 的全球网络，将可以合并成一个革命性的、强大的系统。像数十亿部手机一样，制造业有朝 莘莘学子必备的交流网站----学习辅助网 www.5730.net 学习辅助网 www.5730.net 一日也会形成数百万小型自动组织的生产节点。 3D打印是云制造的催化剂。云制造将成为一个由小型制造业企业组成的超大规模网络的分布式系统。维基百科对云制造是这样定义的:“具有各种制造资源和能力，可以智能检测并联结更广泛的互联网，具备自动管理和控制能力。” 克里斯?安德森在他的代表作《长尾理论》中将这种集中模式描述为“背着扩音器的蚂蚁”。直到互联网提供了一个全球性平台，个人的声音才能被听到。现在，3D打印技术将带领制造商、消费者和小公司进入蚂蚁工厂。 每个单独的制造节点都是自主的，而且是互联的。制造商可以根据项目的特别需求，构建或者重构一个临时的集合。经济规模将不再决定商业模式，因为每部分的成本相同，不论是生产1个还是1万个。每家公司都具备多种技能，能在短时间内按要求制作出各种不同的产品或零件。有时候节点会资源共享。 云制造将通过降低市场门槛的方式推动创新。创新在软件业迅速繁荣，因为虚拟世界的成本比现实世界中低得多。软件产品无须实际盘存，无须原料，对物流运输与安装的要求也很低。 未来有两种场景。 首先，假如你后天需要1万个订书机，你把设计文件和订单提交到制造云。几千个小公司和个人开始响应，这些小公司或者个人用一台(或两台)3D打印机可以打印出一堆订书机并运送给你。等一等，较之于大规模生产1万个订书机，这样的模式并不具备成本效益。云制造对于简单的商品没有任何意义。在一家工厂几个小时内大规模生产1万个同样的订书机会更加经济和快捷。但是，如果你今晚就需要定制一辆摩托车呢,你同样依靠制造云。云制造会根据定制部件打印任务自动匹配数千家公司，公司完成任务后还会运送给你。第二天早上当你醒来，你的门外突然出现一辆有着1000个零件的定制摩托车。 你使用云计算时，你并不知道云计算在哪里。基于云的资源可以扩展，还能自动平衡负载。你使用制造云时，不必担心产能。云将智能地在网络上分配生产和协调各公司，成功地满足你的生产要求。你只需准备好订单，然后点击“提交”。 每个云制造商可能很小。然而，就像数十亿的手机或蚂蚁工厂一样，合并后的整体效能将大于每部分之和。 基本打印制造过程 3D打印的本质是制造过程而不是打印过程，这也是当我们听到跨国公司ABC成像公司将3D打印加入其服务范围时便十分好奇的原因。为了解更多，我们联系了负责ABC成像公司3D模型和快速成型业务的约翰?T?李，他邀请我们去ABC成像公司位于华盛顿的总部参观，以了解3D打印的过程。 “ABC成像公司是应客户要求才进入3D打印领域的。”约翰告诉我们。多年来，公司一直从事纸质蓝图的打印和其他打印产品，现在的客户都喜欢三维产品。约翰说:“我们为建筑工程公司制作建筑模型和产品原型，我们的客户希望可以将有形的、可传递的实物展示给其客户。” 在介绍完后，约翰带我们到了ABC成像公司的生产区。其主打印室有教室那么大，里面弥漫着舒适的新工业气息。 我问约翰他认为3D打印是打印过程还是制造过程，他顿了一下，回答道:“我认为‘3D打印’这个名称基本上是个营销术语。3D打印是制造过程——它可能是一个释放污染物的物理过程。我们在工作中会使用化学品，根据情况有时还要戴防毒面具。” ABC成像公司拥有不同型号的工业级3D打印机，它们分散在世界各地的各家分公司。 莘莘学子必备的交流网站----学习辅助网 www.5730.net 学习辅助网 www.5730.net 在华盛顿总部，其小型3D打印“工厂”位于主生产区的角落。 约翰负责的打印业务可在一两天内利用高端3D打印机制造出精致的彩色模型。根据模型的复杂程度以及客户设计文件的类型(是粗略的、未经测试的草稿，还是无懈可击的、可直接打印的设计)，制造时间表各不相同。大多数原型打印成白色即可，但一些模型或是地图也需要彩色打印。 在ABC成像公司的打印室里，一台方形机器放在几台3D打印机旁边。方形机器的前端是玻璃的，两边各一臂孔。在机器玻璃板的后面配有强力空气枪。约翰向我们展示了如何将双臂放入孔内，并用空气枪吹散刚打印出来的物体上的粉末。在对面墙上，几个小型的金属池里的溶剂正在沸腾。打印出的物体将浸在池内溶剂里，以完成表面处理并溶解掉残留粉末。 约翰向我们展示了一个白色的帝王豪宅建筑模型。豪宅前面竖立着8根立柱，构筑起了一个庞大的游廊。屋顶上，精致的栏杆环绕着雕刻成放射状的圆顶。豪宅右侧，一道蜿蜒的楼梯把游客引向前门。豪宅屋顶露台的围栏像蛛丝一样细，如此精致的建筑模型是无法用注压成型这样的传统塑料加工技术实现的。 3D打印身体部位 在特拉华州一所高中的毕业典礼演讲中，乔?拜登描述了一个美妙的未来:“通过使用3D打印机，我们将能够使受到外伤或烧伤的组织复原。这一目标指日可待。” 让我们从位于生命阶梯底层——替换无生命的“身体部位”，如牙冠或假肢说起。第一波3D打印身体部位的商用浪潮已经出现，这些部位就位于行走中的普通人的身体中——可能也包括你。3D打印的骨植入物、牙冠、隐形眼镜与助听器等无生命修复形式已经存在于世界各地成千上万人的体内。 菲尔?里夫斯是致力于3D打印行业的咨询公司Econolyst的总经理。据他估计，目前“全球3D打印助听器的使用者大约有上千万”。隐藏在病人牙齿上以矫正牙齿的隐适美(3D打印的、可定制的、透明的一次性塑料矫正器)已经取得了巨大的商业成功。据估计，目前全球3D打印牙种植体的使用数量已经达到50万~75万个。 与3D打印的高端钛合金飞机部件一样，3D打印的人体部位也意味着小批量、数字化的定制生产。3D打印牙齿、助听器以及矫正器的过程都很相似:先对身体出现问题的部位进行扫描，再将扫描数据发送到一个特殊实验室，在那里这些数据被调整为可行性设计文件，最后，按照设计文件用软橡胶、坚硬而有光泽的陶瓷或者柔软而有弹性的透明塑料进行3D打印。 目前，3D打印身体部位采用单一的材料，如金属、陶瓷或塑料。它们具有商业意义，因为它们的市场价值来自它们能够与一个形状特殊的身体紧密贴合。它们可自定义形状、可小批量生产，对于制造商而言不存在规模经济(可获利)，这些特征使它们成为3D打印的完美对象。这也使过去的监管障碍变得相对简单。与活性组织或药物不同，在身体中植入“螺栓组件”涉及更少的健康风险，其副作用也是可以预见的。 怎样的假肢富有吸引力,总部位于旧金山的小公司BespokeInnovations(定制创新公司)设计并3D打印定制假肢，该公司最近被3D系统公司收购。该公司的创始人之一斯科特?萨米特说:“制造假肢的方法多年来并没有发生太大的改变:将一块泡沫粗略削成一个人腿的形状，然后做一个模具，把泡沫放入其中，去掉多余部分。”假肢制造科学实现的大飞跃应归功于医学成像技术、设计软件以及新材料的改进，而3D打印为截肢者和医生带来了全新的高度定制化。 Bespoke公司的制造过程首先是对患者“健康”的腿和他们目前的假肢进行扫描，对扫 莘莘学子必备的交流网站----学习辅助网 www.5730.net 学习辅助网 www.5730.net 描数据建模形成设计文件，然后将“健康”的腿叠加到假腿的数字图像上，以确保新定制的肢体能够保持身体的对称。当客户选定属于自己的独特设计后，Bespoke公司将其3D打印出来。 Bespoke公司的在线工具(Configurator)允许客户对一系列设计风格进行选择，包括腿的图案、镀层材料以及罩面漆，通过生动的时尚赛车图案或别致的文身满足并体现使用者的喜好。 使用Bespoke假肢的人的照片显示了他们心态的转变:过去总是隐藏他们的假肢，而现在Bespoke的客户则是自豪地穿着他们的假肢。 3D打印干细胞 “bionic”(仿生)一词由希腊词“bios”(生命)和“electronic”(电子)中的“onic”组合而成，这个词的流行源自20世纪70年代一个非常受欢迎的电视节目，主角是史蒂夫?奥斯 theBionicMan)。而史蒂夫了不起的另一半“仿生女人”(theBionicWoman)汀，即“仿生男人”( 也成功地推出，并在《仿生男人》中不定期地客串。 由于在体内植入了一些非常昂贵的人造部件，“仿生男人”和“仿生女人”都有超人般的力量和激光般敏锐的头脑。在这些节目播出的国家，播出时段几乎所有的小孩都乖乖地守在电视机旁。 几十年前，仿生部件听起来很有前途。但未来仿生身体部位的概念将听起来有点儿原始:它们容易出现故障、不能与身体充分融合，而且不能改进，这一点与目前人工置换髋关节和膝盖的限制类似。仿生部件未来将被定制设计的3D打印组织替代。 如果塑料是行业青睐的原始打印材料，那么干细胞将是生物打印的宠儿。再生医学越进步越倾向于回归自然。组织工程学的未来在于3D打印干细胞，经过精确配置让它们生成活性组织。 干细胞是人体的原始组成部分，在制造身体部位方面，它们比我们更擅长。干细胞具有非专属性，也就是说它们不会专门地生成身体某个部位的细胞。因此，干细胞可以分化为人体中已发现的约210种细胞类型中的一种。从医学角度讲，干细胞简直就是千足金。 20世纪80年代，研究人员从未出生的胎儿身体组织上发现并提取了第一个干细胞，引发了有关医学伦理的争论。此后，研究人员陆续发现了更多的干细胞，包括一些分散在成人身体上不同部位的干细胞。最近，研究人员发现一些已经分化的细胞甚至能够恢复到它们分化前的状态。 哥伦比亚大学杰里米教授3D打印出实验兔的新型臀骨并接种干细胞。首先，杰里米和他的团队分离出实验兔的臀骨并拍照，然后将图像转换为设计文件，3D打印出人造臀骨，然后将干细胞洒在人造臀骨上并重新植入实验兔体内。4个月后，所有的实验兔都可以自如行走，有的甚至在术后几周就可以用臀部承载一定的重量。 杰里米和他的研究团队设计了带有细小而弯曲的微通道的置换骨，它可以促使干细胞爬到植入物的表面，从而帮助实验兔更快地愈合。在其他实验中，杰里米团队打印出实验鼠 9周后，由于门牙具有了理想的的置换门牙，撒上干细胞，并将置换物植入实验鼠的口中。 形状以及干细胞的注入，新的牙周韧带和骨骼接受了这一义齿。 无独有偶，与哥伦比亚大学杰里米教授的研究团队采用的方法类似，华盛顿州立大学的研究人员用磷酸钙、硅、锌粉制成了喷雾3D打印骨骼。细小的雾滴形成约20微米厚(人头发丝直径的一半)的薄层。研究人员在打印骨上喷上不成熟的人骨细胞。通过这种方法，不成熟的骨细胞在新环境中茁壮成长，并最终成为成熟的活性骨骼组织。 打印汉堡包、肉饼和番茄酱 莘莘学子必备的交流网站----学习辅助网 www.5730.net 学习辅助网 www.5730.net 即使打印最简单的面粉，也需要调动整个计算机控制系统。要打印食品需满足以下几个条件:首先是正确使用机械力，其次是精心设计数字“食谱”，最后是调整合适的食材进料顺序。食材必须软，可以从打印头流出;食材也要硬，可以维持打印后的形状。另外，还要考虑各种食材的固有特性、不同耐热性和多样烹饪方式等影响因素。 汉堡包的传统制作工艺并不复杂。但对3D打印来说，这个简单的汉堡包制作过程就变得复杂了，面临着多材料食品工程的挑战。把生碎肉打印成肉饼形状并不难，在上面加一层番茄酱也轻而易举。甚至将生面团烘烤打印成面包至多费费功夫也能实现。食品打印的难点在于天然新鲜食材的打印。打印新鲜可口的西红柿、洋葱和生菜往往会把你引入工业化的食品生产加工范畴。现阶段研究学者和美食家还只能设计和打印简单的软食物。 基本的食品打印过程是这样的:正如所有3D打印产品一样，尽管现在还没有研发出类似“食品CAD”的商业软件，食品混合物还是要先被编写成设计文档。食品打印爱好者从网上下载食品设计文档，或者通过工程设计软件自己从头开始创建设计文档。 RepRap(一个3D打印机原型)或者Makerbot广受欢迎的复制打印机等市场上常用的打印机都可以用来打印意大利面一样的塑料条。用来打印食品的打印机必须装有特殊装备，这样才能处理食用原料。设计图源代码公开的3D打印机是满足当前食品打印定制需求的理想工具。 大多数人将塑料打印机改装成食品打印机的做法是:在印刷臂上安装注射器。有些打印机还用自动活塞，用来为食品注射器施加压力。保持压力稳定的办法是每次打印时都校正自动活塞，以保证合适的力度。人类厨师懂得控制烹饪中的力道。但是，食品打印机却不懂得控制力度。 作为商业消费打印机的领航者之一，Makerbot的“复制器”如果在原有基础上再安装一个类似于“挤压机”的部件，就能够改装成食品打印机。挤压机位于3D打印机的内部。塑料夹牢牢地把打印头固定在原处，使用者可以用一个旋盖重新把生鲜食品加载到打印头中。 通过与之相连的空气压缩机所产生的压力，打印头把食材挤出。一台挤压机能够承受高达100磅/平方英寸的压强，这个压强足够给一个自行车轮胎打气了。不同的食物配方需要施加不同的压强。有时室温也会影响食品混合物通过打印头的流速。打印头的大小和直径很关键，太小会导致挤压速度过慢，太大则打印出的食物表面粗糙。 即使打印头大小合适、食材流速正常，一些生鲜食材在注射器中也不稳定。有时油会结成块状，或者食品混合物中的水会渗透到注射器的底部，导致打印出来的食品变形，和预期的形状相差甚远。 现在的3D食品打印技术还不能煎、烤或炸需打印的食材，但烘焙饼干还是有可能的。打印机可以通过打印头下的加热平台烘焙饼干。饼干一被打印出来，加热平台就马上烘焙生的饼干。 学习辅助网 www.5730.net 学习路上必备的交流学习网站 莘莘学子必备的交流网站----学习辅助网 www.5730.net