3D打印——天賦異稟雖清奇,“革命”盛名實難副 | 張昊

原創 2017-06-05 張昊 風云之聲 風云之聲

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機械制造技術的江湖上風起云涌,門派眾多,各大幫會瓜分天下,目前誰也沒有能力鯨吞寰宇,今后也很難有某種技術可以雄霸武林。3D打印作為其中的新生力量,雖有蓬勃奮起之勢,卻終無改天換日之能。同時,我們必須要注意到3D打印得以興盛的時代背景,那就是計算機運算能力的穩步前進和相關軟件的功能提升。3D打印技術誕生以來的30多年里,相關的材料和機電等領域并未發生革命性的重大突破,然而計算機的運算能力卻提高到了當年的上千倍,并最終徹底的改變了我們的生活和生產形態,也極大地促成了3D打印技術的大發展。一言以蔽之,3D打印僅僅是數字化浪潮中的一朵浪花,與其說是英雄造時勢,不如說是時勢造英雄。

近日,媒體報道,研究人員利用水凝膠打印出多孔支架,并將卵泡細胞填充進孔洞中,成功組成人造卵巢。含有生物假體的卵巢,讓小鼠成功誕下了健康的幼崽。

不禁令人想問:神奇的3D打印,還有什么是“你”做不到的?

3D打印 不能盲目迷信

不知從何時起,3D打印這個名詞開始被媒體鋪天蓋地的提及。

如今,不知道這個詞的年輕人簡直是有如上古神獸一般的化石級存在。但是要真的刨根問底的話,恐怕就沒有幾個人能把3D打印到底是個什么東西說清楚了,甚至從來沒見過3D打印機或者3D打印產品的人也絕對是大有人在。可謂是沒吃過豬肉,也沒見過豬跑,光知道豬咋叫喚。

從形式上來看,3D打印確實比較高大上,機器轟鳴、熱火朝天的場面變成了輕點鼠標、纖塵不染,大汗淋漓、臉頰黢黑的工人師傅變成了一切盡在掌握的都市白領,一杯咖啡的功夫,任務完成,so easy!

圖1左:某工業用3D打印機,成型材料應為塑料(來源網絡);圖1右:以金屬作為原材料3D打印成的飾品(來源網絡)

那么,3D打印真的像媒體渲染的那么神乎其技嗎?

首先明確一點,3D打印絕非21世紀的新生事物。上世紀八十年代相關概念就已提出,商用產品也早已面世了。十多年以前我還是大學一年級的懵懂少年,在金工實習的基地就曾經見過利用3D打印手段成型的產品。那是一個白色的人頭雕塑,類似于美術生臨摹的石膏像。

只不過,當年3D打印這么洋氣的叫法還沒有流傳開來,我們所用的說法是相對土氣的“三維成型”(實際上3D打印是三維成型技術中比較有代表性的一種)。

于是乎,3D打印被媒體熱炒的起初,筆者是不屑一顧的。

我的英文名叫xiao shen yang

說白了,3D打印就是一種材料成型(機械制造)技術,跟鍛造、鑄造、軋制、沖壓以及包括車鉗洗刨磨在內的機械加工手段一樣,都可以把材料加工成具有某種形狀的部件。

與傳統加工手段相比 3D打印確實獨具特色

不過,3D打印又具有諸多獨到之處,不然也絕對不會與上述這些一直與人類同成長、共進退的元老級技術相提并論,并在媒體上大出風頭了。

比如,用傳統的沖壓方式生產一個小型的車用零件,“攏共”要分幾步呢?

首先得有沖壓用的模具,這個模具好比月餅印一樣,決定了零件的形狀。一般是用專門的模具鋼制造,硬度高而且韌性好。模具分為上模和下模,上模安裝在壓力機上,可以以很高的速度壓向下模。要加工的材料好比是做月餅的面團,被這么瞬間一壓,就變成了模具的形狀,之后用車床除去多余的部分,再進行一些研磨拋光一類的機械加工,零件就完成了。

圖2:沖壓工藝制成的車用小型零件(來源:名古屋豐田博物館參觀紀念)

那么3D打印制作同樣的零件又是個什么套路呢?

首先,在電腦上繪制好零件的設計圖,然后將設計數據導入3D打印機,就可以開始制造零件了。以熔融沉積式3D打印機為例,事先準備好的低熔點線材如塑料,石蠟等經由3D打印機的噴嘴加熱后噴出。

圖3左:某塑料熔融沉積式低端工業用3D打印機,白色線卷即為塑料原料;圖3右:該打印機的噴頭部位特寫,雙噴頭設計,可同時打印兩種不同塑料

在電腦的控制下,噴嘴在空間中由低到高逐層進行描畫,最后形成零件,基本無須任何的后處理。

上面這個例子已經把3D打印最為本質的兩個特點反映得很清楚了。

首先,3D打印與計算機輔助設計(CAD)以及計算機輔助制造(CAM)密不可分,任何3D打印的零件都要從電腦設計圖開始自己的生命歷程。假如事先只有圖紙,沒有電腦可以直接利用的造型數據,也得重新在電腦中建立模型,繪制設計圖。

其次,3D打印是一種增材制造技術,也就是說與傳統的車床機械加工一類減材制造技術不同,產品是由原料直接在空間中堆砌而成。可以把車床機械加工比作石雕,刀斧錘鑿齊上陣,最終的作品比起最初的原石只少不多。另外一方面,3D打印好比泥塑,塑造形象的組成部分不斷疊加,最終的作品比起最初的泥胚只多不少。有了這迥異于其他前輩的兩大特色,3D打印能在機械制造技術的武林之中自立門戶也就不足為奇了。

3D打印為制造業帶來的變革

那么,3D打印到底為制造業帶來了怎樣的變革呢?下面的幾個例子可以提供一些參考。

鑄造技術,作為有著上千年歷史的古老技術,堪稱制造業的基石之一。中國先民們在兩千年前的商代就已經掌握了大型青銅器的鑄造技術,也留下了司母戊大方鼎,四羊方尊等等無價之寶。鑄造技術的優點是可以形成復雜的形狀,也方便制造空心形態的產品,如發動機機箱等。

圖4左:司母戊大方鼎(來源網絡)圖4中:四羊方尊(來源網絡);圖4右:四羊方尊局部,體現出鑄造便于形成復雜形狀的特點(來源網絡)

傳統鑄造的通常工序是,首先利用容易成型的材料,比如石蠟,木頭等,加工出一個與產品有著類似外型的母模。然后,在這個母模的四周覆蓋上具有一定粘度的型砂,用機器震實后再取出母模,型砂中就會自然形成母模也就是產品的形狀,這樣的鑄模稱為砂型。最后,通過預留的澆注孔把熔融的金屬液灌入砂型中,冷卻后去掉周圍的砂型再進行一定程度的機械加工即可。圖4左:司母戊大方鼎(來源網絡)圖4中:四羊方尊(來源網絡);圖4右:四羊方尊局部,體現出鑄造便于形成復雜形狀的特點(來源網絡)

圖5:典型的鑄件生產過程,木制母模取出后形成澆注空腔(來源網絡)

3D打印的出現,首先給鑄造行業帶來了前所未有的變革。

圖6左:傳統木制母模(來源網絡)圖6右:利用3D打印技術制成的塑料母模(來源網絡)

傳統工藝中的母模不需要再特意去加工了,用3D打印技術可以輕松的調整設計并實時生成母模,極大的節省了制作母模的時間和效率。好比用活字印刷代替了雕版印刷,無需因為一個制版錯誤就廢棄整塊板,可以隨時方便的進行調整。同時,3D打印生成的母模可以根據具體情況選擇不同的材質,對耐久度要求高的場合可以采用金屬材料,對成本要求高的場合可以采取樹脂材料,無論是哪種情況都不存在傳統木模對溫度濕度敏感,易變形壽命低的缺陷。甚至制作母模的工序都可以略過,利用3D打印技術能夠直接生成鑄造砂型,當然這個時候所用的原料就是可以耐高溫的陶瓷了。這種3D打印砂型可以最大限度的還原鑄件原本的形態,極大的提高了成品的精度和良率。

生物相關的3D打印也是該項技術的亮點應用。

比如文初提到的3D打印人造卵巢。現在,醫用鈦合金人工骨,人工關節等已經廣泛采用了3D打印技術。首先通過CT或者核磁共振等成像技術獲知患者身體的精確三維結構,然后將數據利用計算機進行處理并完成個性化設計。之后利用3D打印生成獨一無二的專屬人工骨,極大的提升了患者的治療質量。

圖7左:利用3D打印技術制成的人工骨(白色部分)(來源網絡);圖7右:利用3D打印技術制成的隱形牙套(來源網絡)

又如,3D打印在口腔醫學,尤其是口腔正畸醫學界也呈現星火燎原之勢。時下十分流行的隱形牙套,就無法缺少3D打印技術的支持。該技術利用功能強大的行業軟件,精確分析患者經過佩戴正畸牙套后牙齒的移動情況,再配合3D打印技術生產出一系列適應于不同階段的牙套。這樣的隱形牙套不影響美觀,對牙齒和口腔傷害很小,并且不影響進食,患者只需要遵照電腦計算的結果定期更換牙套即可。

最后的一個例子來自于較為前沿的一項研究。美國西北大學的一個課題組上周在國際頂級期刊上發表了關于3D打印的最新研究成果,他們利用3D打印技術將明膠打印成類似于卵巢組織的結構,然后將從小鼠體內提取出的卵泡和激素生成細胞植入這種明膠骨架,得到3D打印的人工卵巢組織。該人工卵巢在移植入摘除卵巢的小鼠體內后,表現出了功能健全卵巢的特性,可以正常排卵,在小鼠經過多代繁殖后也未見后代異常(圖8)。雖然離人工制造組織或者器官這樣的人類終極夢想仍然遙遠,3D打印還是幫助我們邁出了開拓性的一步。

圖8左:將明膠用3D打印技術制成與卵巢組織類似的結構(來源網絡);圖8右:人工卵巢排出的卵子繁殖出的小鼠,利用基因編輯技術,處理植入人工卵巢的卵子,繁殖后的小鼠將通體呈現熒光。綠色熒光作為標記,以便于確定小鼠確實繁殖于該人工卵巢(來源網絡)

3D打印絕非完美 缺陷不少

3D打印雖然在特定的領域具有獨到的應用價值,目前該技術本身仍然存在諸多缺陷。

首先,3D打印可以成型的材料雖然種類日漸廣泛,離我們生活較近的消費級3D打印機卻只能打印塑料。這是因為無論是陶瓷成型還是金屬成型,都需要極高的溫度和能耗,適用于上述兩種材料的激光加熱和電子束加熱方式,很難出現在消費級產品上。

此外,一臺幾千人民幣的消費級電子打印機可以給你帶來什么呢?筆者個人除了打印一些劣質DIY手辦以外基本想不出別的點子來。

拿筆者實驗室的一臺加熱熔融式塑料電子打印機為例,起初購買的目的是為了能制造一些實驗中可能用到的小型夾具,治具等等。后來打印了一個電鍍用夾具后,發現了一個嚴重的問題,這個塑料小零件的致密度太低,低到漏水。這是因為3D打印機在工作時都是以層為單位向上堆積,為了實現最經濟的堆積,并不是整個空間都會填充上塑料。

圖9左:外弱中干,年少體虛的3D打印小兔子;圖9右:3D打印的逐層掃描疊層堆積構造,可見致密度相當低

這就好比建筑房屋,想讓房頂不塌下來只要有幾道承重墻就好了。這個例子從一個側面說明現階段的消費級3D打印機在性能上的表現仍然不夠出色,成本和價格方面尚存大量下行空間。

在傳統的重工業領域,3D打印機雖然已有一定的高光表現,仍然不能作為主流技術看待,大型零件的首選加工方式在很長一段時間內仍然會是以鑄造、鍛造等為代表的傳統技術。

比如,C919大型客機的機翼已經有部分鈦合金構件采用了3D打印技術。這固然可喜可賀,不過要說3D打印已經全面進軍大型零件制造這一領域,恐怕是言之過早。

首先,即便是最為大型的金屬3D打印設備,也只能制造大概一個長沙發那么大的零件。而實際工業生產中的大型零件,卻遠遠超過這一尺寸。比如包裹核電站堆芯的壓力容器,就是直徑數米,高度幾十米的龐然大物,且在幾十年的服役期間內,不能有任何的質量隱患,目前為止也只有傳統的鍛造方式可以加工(圖10)。

又如三峽各個機組的水輪機,每片葉輪都高達十幾米,因為形狀特殊,目前只能采用鑄造的方式加以生產,每片葉輪價格達到兩百萬元。所以,我們在聽取媒體關于3D打印的報道時,一定要區分真正的技術進展和商業噱頭。比如所謂的3D打印蛋糕,技術上毫無新意,不過是滿足公眾獵奇心理的營銷手段罷了。

圖10左:核電站壓力容器吊裝(來源網絡);圖10中:三峽水電站某水輪機轉輪出廠儀式(來源網絡);圖10右:該水輪機轉輪葉片鑄造完成后的形態(來源網絡)

機械制造技術的江湖上風起云涌,門派眾多,各大幫會瓜分天下,目前誰也沒有能力鯨吞寰宇,今后也很難有某種技術可以雄霸武林。3D打印作為其中的新生力量,雖有蓬勃奮起之勢,卻終無改天換日之能。

同時,我們必須要注意到3D打印得以興盛的時代背景,那就是計算機運算能力的穩步前進和相關軟件的功能提升。

3D打印技術誕生以來的30多年里,相關的材料和機電等領域并未發生革命性的重大突破,然而計算機的運算能力卻提高到了當年的上千倍,并最終徹底的改變了我們的生活和生產形態,也極大地促成了3D打印技術的大發展。

一言以蔽之,3D打印僅僅是數字化浪潮中的一朵浪花,與其說是英雄造時勢,不如說是時勢造英雄。

背景簡介:本文作者為大阪大學產業科學研究所助理教授、工學博士、中國留日同學總會關西分會理事張昊。

出品:科普中國

制作:大阪大學張昊

監制:中國科學院計算機網絡信息中心

“科普中國”是中國科協攜同社會各方利用信息化手段開展科學傳播的科學權威品牌。本文由科普中國融合創作出品,轉載請注明出處。

責任編輯:孫遠

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