3D列印創造的未來

[MMC168]

5月21日消息，傑瑞米·裡夫金在《第三次工業革命》寫道：“第三次工業革命 40 年的基礎設施建設將創造出無數的新商機和就業機會..... 即將到來的互聯網技術與可再生能源結合而釋放的合作性權力，將從根本上重構人類的關係。”而最近大熱的3D印表機則可能是這第三次工業革命中的一項革命式技術。

其實3D列印這一概念早在上世紀80年代就已經出現了。從1986年Charles Hull開發了第一台商業3D印刷機到1995年MIT創造了了“3D列印”這個名詞，3D列印正在一步步的朝我們的生活走來。英國的《經濟學人》雜誌認為3D列印技術將與數位化生產模式一起推動實現新的工業革命，美國《時代》週刊已將3D列印產業列定義為“美國十大增長最快的工業”，越來越多的科技媒體也在競相討論著關於3D列印的話題。它給普通人最大的感受就是人人都是發明家，人人都是製造商，只要你想要一個東西，無論是模型、零件甚至食物、汽車，只需你動動滑鼠，3D印表機不多時就能將其自動列印成型。這聽起來就如同科幻小說中的情節，如同一個取之不盡的寶庫那樣令人神往。看到這裡很多人不禁要問：什麼是3D？3D列印真的就那麼神奇嗎？


簡單來說，3D列印就是在兩維平面列印的基礎上多增加了一維。它的根本工作原理與傳統的印表機基本相同，只不過3D列印的原材料更為特殊，經過與電腦連接之後，印表機將這些“列印材料”逐層疊加，通過每一層不同圖形的累積，最終形成了一個三維物體，從而將電腦上的模型變為可見的實物。


起初，3D列印只停留在科學家的實驗室裡，隨著技術的發展，這一技術已經逐漸平民化，進入到我們生活裡面。最初3D印表機非常龐大，一般只存在於醫院、企業、實驗室等研究機構中，而且使用費用更是不菲，幾十幾百萬不等。不過目前3D印表機早已不再那般笨重，基本上跟常見的噴墨印表機差不多大小，而且有關3D列印的設計軟體也原來越多，有了硬體跟軟體的支援，3D列印想不火都難。


到今天，3D印表機已經能夠列印出很多東西，對醫療、文化、建築、食品、汽車等行業也產生了非常大的影響，它的應用範圍之廣可能是我們無法想像的。理論上來說，只要是能夠在電腦上繪製成型的產品都可以通過3D印表機將之付諸現實。下面我們就通過3D列印在各行業帶給我們那些美妙絕倫的產品，來暢想一下3D 列印所創造的未來吧。


一、傳統製造業
3D列印衝擊最大的無疑是傳統的製造行業。由於3D列印是通過電腦進行建模控制，所以在成本、速度以及列印的精確度上要勝於傳統的製造行業。另外由於3D列印快速、精准的特性所致，非常適合用於規模生產，從而降低了成本，提高了效率。


世界首款3D列印汽車Urbee 2

這是一款混合動力的汽車，它的絕大多數零件都是用3D列印的方式完成，而它的列印材料大部分則是塑膠，地盤和引擎還是鋼鐵鋼鐵材質。這款汽車是由Jim Kor和他的Kor Ecologic團隊合力完成。他們認為未來的汽車應該是“用最少的能耗開最遠的路程；把生產、使用、回收過程的污染降到最低；盡可能用汽車產地附近的原材料生產汽車”。


Urbee 的生產車間是RedEye，世界上第一款3D印表機摩托車原型也誕生於此。Kor認為3D列印的一個巨大的優勢就它具有其他片狀金屬材料所不具備的靈活性和可塑性。 傳統的汽車製造是生產出各部分然後再組裝到一起，3D印表機能列印出單個的、一體式的汽車車身，再將其他部件填充進去。據稱，新版本3D汽車需要50個零部件左右，而一輛標準設計的汽車需要成百上千的零部件。


於是3D列印讓製造業變得更簡單。只要將模型的每部分上傳到印表機上，經過大概2500小時，就可以將所有的塑膠部件集齊，然後他再把這些東西組裝在一起。完整的Urbee看上去像是一個大號電腦滑鼠。


全球首款採用3D列印技術的滑雪板

Signal跟GROWit 3D兩家公司通過3D列印的方式打造了一台滑雪板，不過受制於本身的物體大小，他們將滑雪板分成了一小塊一小塊地進行列印，最終將各部分通過樹脂真空封接接完成。


在外形上與傳統的滑雪板並沒有什麼太大的區別，採用了更加寬的板頭設計，外型上也更為大氣一些，為了保證期堅固性，Signal在這塊滑雪板上加入金屬條進行固定。雖然它可以用來滑雪了，滑行速度相當地慢。不過Signal則認為，只要對它進行一些改進，就能解決掉速度慢的問題。


我們都知道，在高速滑行的時候，雪板的堅固程度非常重要。而很多雪板為了提升耐用度和安全性，都採用了一次成型的製造技術。但對於這款3D印表機來說，僅能分塊列印，再拼接使用，但堅固程度上肯定是大打折扣，如果要是能有個大點的設備，也許情況就會不一樣。我們也期待著，真正能列印出完整滑雪板的3D印表機能快點出現。


二、醫療行業：
對於那些需要器官移植的患者來說，3D 列印技術無疑是他們的福音。一方面我們無需擔心不同機體器官之間的排異反應，另一方面相較於人體器官，3D列印成本非常之低，例如列印一個人體心臟瓣膜，只需要價值10 美元的高分子材料即可。


3D列印人體器官

英國赫瑞瓦特大學成功研製了一種基於胚胎幹細胞能夠定制化列印製造人體器官組織的新技術。如果這項技術可以普及開來的話，許多重症患者就能夠很容易的獲得可供移植的肝臟、心臟、人體組織等其他人造器官。


之前科學家已經用相同的方法製造除了骨骼和皮膚，不過目前他們希望能夠培育更複雜的胚胎細胞架構，從而打造出精密的“人體器官”。科學家研究發現，通過改變 3D印表機噴嘴直徑可精確控制細胞分發的速度，新列印形成的胚胎細胞具有能夠轉變成為任何類型細胞的能力。如果這項技術最終成行的話，不僅解決了器官捐量上的難題，同時可以避免器官移植排斥性等難題帶來質上的提高。


該專案的負責人威爾-休博士表示：這是人類首測實現用3D印表機製造人類幹細胞，這項技術能夠製造更多精准的人體器官從而去幫助更多人。長遠規劃來看，打造能夠依據患者的細胞進行定制和人體植入的3D人體器官，實現該計畫的第一步；接下將幹細胞轉變成為人們所期望的細胞，使之能夠最終培育形成新的人造器官，從而完全匹配患者的身體情況。


毀容者的救星

據《悉尼先驅晨報》報導，一名患者因為癌症不得不切除了臉的大半部分，從此他的臉上留下了一個大洞，更糟的是因為這個原因他將無法進行正常的飲食，只能依靠飼管進食，必須用手托著臉才能夠說話。


醫生首先利用CT和面部掃描技術掃描Moger的頭骨，然後根據掃描的圖像在電腦中構建正常的臉部3D模型，最後利用3D列印技術將模型列印出來。通過使用特殊的尼龍塑膠，醫生可以列印出的假臉能夠與患者面部進行完全貼合。無獨有偶，用來固定假臉的螺絲也是3D列印的產物。


手術是非常成功的。半邊的假臉令患者Eric Moger的生活發生了質的變化，不僅能夠正常進行飲食，而且說話時再也不用托著嘴巴。他本人也對生活重新燃起了希望。而這一切，正式歸功於3D列印技術。


三、文物保護
3D列印出的複製品可以作為博物館裡文物的替代品予以展出，避免真品遭受到意外的傷害。


3D列印19世紀的人面壺

來自南卡羅來納州的非裔美國人Chipstone 通過3D列印技術創作了一件19世紀的人面壺。這是一種描繪人臉的陶壺，原始製作材料為高嶺土，由19世紀下半葉尚處在奴役階段的非裔美國人創造。


製作過程也與常見的3D列印無異，通過3D掃描器掃描人面壺之後形成3D模型，然後在電腦中進行核對總和調整。模型構建好之後就可以交給3D印表機進行列印了，列印陶器使用的是鐳射粉末燒結技術。列印完之後的人面壺表面細節上完全吻合，除了沒有採用相同的釉彩，取而代之的是電鍍一層帶有銀色光澤的鎳，頗具現代元素。


修復古文物領域應用

根據Wired的報導，哈佛大學閃族博物館的兩位研究員Greene和Aja利用3D印表機和3D掃描軟體，成功修復了一個在3000年前被打碎的瓷器獅子。


他們首先拍攝每塊碎片製作3D模擬圖，然後將其整合，做出了原物的3D模擬圖。通過對比模擬圖與同地發現的完整物品，他們能夠很清晰而明確的找到缺失的部分以及結構，最終將這些的缺失部分再用3D印表機列印出來即可。目前，重新修復的瓷器已經在博物館展出。


Greene 認為，3D印表機的使用可以為物質文化提供一種“版本控制”。對於他們來說，他們最關注的還是博物館內大量收藏的珍貴文物。“閃族博物館有成千上萬的物品可以用上這種技術，全世界的其它博物館也是一樣”，Greene說，“3D成像，無論是否進行3D列印，都是一種學習、保存、分享和教授物品使用的完美方式”。


不過，掃描這些文物也面臨著新的挑戰，因為這不僅需要技術，還需要懂得文物保護。“我們需要一個小心對待物品的公司，最好在我們的博物館內，或者在我們的監督下工作”，Greene 解釋說，“幸運的是，我們曾經和Donald Sanders有過合作，他曾受過考古學訓練，而且經常和工藝品打交道”。如果藝術品實現3D列印複製的話，會對文物帶來更多的保護，當然以後我們在文物交易市場更要小心了，可能一不小心就會買到一個極其逼真的3D列印贗品。


四、建築行業
在建築行業中，已經有不少設計師、工程師涉及3D列印行業，通過3D印表機列印的建築模型更為快速，成本也更為低廉，而且更接近于設計師的原始構思，提供了工作效率，節省了大量的建築原材料。


世界上第一座3D列印建築：莫比烏斯屋

荷蘭阿姆斯特丹建築大學的建築設計師Janjaap Ruijssenaars最近利用3D列印技術完成了全世界第一座3D列印建築，其外形酷似“莫比烏斯環”，將天花板延伸成為地板，建築內部則可以延伸成為外牆。


Ruijssenaars和數學家、藝術家Rinus Roelofs共同設計了這個項目，他們首先利用3D印表機將所需要的建築塊逐塊列印出來，每一塊的尺寸都達到了6×9米，然後拼接成一個整體建築，預計需要耗時一年半才能完成。


這次使用的3D印表機也是非常特殊，由義大利發明家Enrico Dini設計出來的“D-Shape”，體型上要比一般的3D印表機龐大的多，可以使用砂礫層、無機粘結劑列印出一幢兩層小樓。不過儘管如此，列印一件完整的建築物難度還是非常大的，超過1000平米的3D列印建築仍需要混凝土來加強。Ruijssenaars稱第一座3D列印的“觀景房屋”將於2014 年最終成型。


3D列印月球建築

在月球上建造一座“月球基地”，在很多科幻小說以及電影中都成出現過。隨著科技的發展，構建類似於太空站的月球基地在技術上已經比較成熟，不過由於地球與月球之間的距離過於遙遠，運輸建築材料的成本過高，導致這一想法一直未能實現。不過有了3D列印技術之後，這一難題可能就迎刃而解了。


歐洲航天局聯合Foster+Partner公司以及Monolite UK公司決定使用月球本身的岩石作為建築材料，利用3D印表機，配合三維列印，讓人類在月球上構建基地成為可能。


該建築利用一種類似於“懸鏈線”形拱頂以及蜂窩結構的牆體，使建築內部能免受月球上的小型流星體和太空輻射的損傷。除此之外，基地還設計了一種增壓充氣配件來保護建築物內的宇航員，整個生活區就像一個牢固的保護殼。


五、配件飾品行業
3D列印為消費者提供了更多充滿個性化的選擇，只要展開你的想像力，就能夠為自己打造一些專屬個性配飾。目前國內外已經有不少公司為消費者提供個性化的3D列印服務，很有市場前景。


3D列印的骷髏手機外殼

在手機千篇一律的情況下，很多人都會選擇一些個性十足的手機殼來彰顯自己的與眾不同，當時我們買到的手機殼往往跟我們心中理想的還有些差距。不過有了3D列印之後我們就能夠隨心所欲打造自己的個性化專屬手機殼，因為它可是“獨一無二”的。


國外一名名叫Hugo Arcier的設計師利用3D印表機列印了一組精緻的骷髏手機外殼，它有著極其複雜的細節和極其華麗的視覺效果，每一件作品都堪稱為藝術品，而且還有多種造型可以選擇。


目前這款手機殼售價為52美元，折合人民幣約323元，線上選擇好自己喜歡的圖案並完成支付後，商家就會列印出貨了。


3D列印色彩斑斕個性化音響

一位名為為Evan Atherton的Autodesk通過3D印表機列印出了一套Objet Connex 500音響。與傳統音響不同的是，它可以跟隨音樂的變化呈現不同的顏色，使用起來非常個性，而且造價方便也更為低廉。


它的工作原理其實還是比較簡單，首先用橡膠跟塑膠將音響的外殼列印出來，然後通過內嵌LumiGeek單片機對可定址的RGB LED燈管進行控制，最終就能實現隨著音樂脈動進行變色。為了能夠更方便的進行控制，Atherton還為此專門研發了相關的配套應用。


製作這套音響需耗時60小時，因製作成本還是很高的，總造價約為2000美元。如果是商用進行量產的話成本將會大大縮減，只不過目前Atherton並沒有出售的打算。


總結：3D列印已經像我們慢慢走來，越來越多的3D列印產品也已觸手可及。如果你真的喜歡創造與嘗鮮的話，3D列印能夠最大可能的滿足你的創造欲，製作出你想要的任何事物。所以，以後有機會的話不妨就買一個3D印表機，創造未來世界其實真的非常簡單。

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