《3D列印：正在到來的工業革命》一一1.2 為什麼使用3D技術列印

本節書摘來自異步社群出版社《3d列印：正在到來的工業革命》一書中的第1章，第1.2節，作者：【英】christopher barnatt ，更多章節内容可以通路雲栖社群“異步社群”公衆号檢視。

3d列印：正在到來的工業革命

和許多新生事物一樣，如果3d列印對現有的技術和工業實踐有着明确而顯著的作用，那麼它将促使這次革命發生。在我們進行下一步之前，有必要概述一下3d列印技術是如何幫助我們有效地實作新的事物，或者如何利用更加行之有效的方法使舊的事物達到預期的效果。

1.2.1　改善産品設計

3d列印技術已經開始用于改善産品設計。它可以加快“概念模型”的建立速度，以實體形态展示出來，便于設計者在設計過程中提前對其進行觀察和處理。

盡管現在新産品的計算機圖形渲染已經十分精緻，但仍然不及手握一個新産品3d模型來得真切。通常在電腦螢幕或平闆電腦上看一個設計的時候，設計缺陷不會很明顯；但當一個實體概念模型可以真實地看到并觸摸到的時候，設計缺陷就變得非常明顯了。通過快速建立概念模型（有時會使用全彩列印），3d列印改善了設計者和客戶間的交流。這相應地加快了設計程序，同時還可以創造出更好的産品。

除了概念設計階段之外，3d列印還被用于建立“驗證模型”或“功能原型”。基于這個原因，3d列印在某些工業領域已經被稱為“快速成型”或“rp”。遺憾的是，根據我的經驗，“快速成型”的标簽限制了一些人對3d列印技術廣泛應用的了解。

當設計過程需要檢查産品不同部分的狀态、适合度和功能性時，就需要功能原型。傳統上，這種原型隻能由熟練的工藝師使用勞動力密集型的工廠中的房間技術建立。是以，為了生産大量的産品原型而花費幾個星期和成千上萬美元、歐元或日元的情況并不少見。相比之下，使用3d列印可以在幾小時内制作完成功能模型，并且價錢隻是傳統方法的一個零頭。3d列印可以更快更廉價地制作出原型，同時使新産品通過更多的疊代周期。舉例來說，自1988年以來，雷諾f1賽車隊就利用3d列印技術生産賽車零件原型，以測試其新設計的空氣動力性能。這支車隊每年可以針對其f1賽車檢測數百次可能的空氣動力變化。

在過去的幾十年中，一些3d列印先驅者成功建立了專門緻力于生産概念模型和功能原型的企業。許多這樣的公司現在仍然很興旺。但是3d列印硬體成本的下降也開始允許他們中的許多人将概念模型和原型制造進行内部生産，甚至可以搬到桌面上。例如，最近報道中提到的有些福特公司的工程師所使用的makerbot桌面3d列印機，費用是幾千美元。它通過制造出可組裝的塑膠部件來檢查其适合度和功能性。福特的工程師利用　3d列印機，在開發新引擎方面“搭起了抽象與現實之間的橋梁”。

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1.2.2　轉變傳統生産方式**

除了概念模型和原型制作，3d列印也開始用于工業預生産方面。大多數傳統的生産過程需要專門的夾具、工具、模型和模具，在制造過程中這些工具用來将金屬和塑膠定型成合适的形狀。和産品原型一樣，這些傳統的靠手工完成的制作形式既耗時又昂貴。使用3d列印可以為使用傳統生産方式的工廠節省大量的時間和金錢。

3d列印的一個非常有前途的應用是在模具上直接生産，或者在最終的模具上直接取下“母模”。例如，我們将在下一章中看到，“3d砂型鑄造”正越來越多地被用來直接在熔化的金屬中列印模具，然後直接澆鑄成最終的零件。exone（用于此目的的3d列印先驅）3d列印砂型鑄造模型，總的生産時間可以減少70%，并且可以實作更高的精度和更複雜的模具建立。事實上，當一個物體設計好之後，如果在它外面包裹一層砂，然後再澆鑄模型，那麼在灌注融化的金屬之前，是無法去掉這層砂的，而使用3d砂型鑄造，就可以制作這樣的模型。

一些3d列印機專門為模具或圖形産品生産模型。例如，stratrays公司出售的一款名為solidscape的列印機就使用蠟樣塑膠為牙科實驗室或珠寶制造領域生産小模具。與砂型鑄造一樣，這些模具或圖形産品是“犧牲品”，他們會在生産最終成品的過程中損毀。

使用3d列印建立模具、圖案和其他生産工具可能很少被人們看到，更不用說被大多數最終産品的消費者所欣賞了。例如，幾乎很少有人注意到他們運動鞋的鞋底就是在模具中制造出來的，而這個模具則來自于3d列印的母模。然而，即使它仍然在幕後發展，3d列印在工業預生産中的使用似乎印證了3d列印革命的一個重要方面。

1.2.3　直接數字化制造**

雖然3d列印已經成為一些設計和預生産過程中不可或缺的部分，但該技術應用的最終将是“直接數字化制造（ddm）”的發展。顧名思義，ddm使用3d列印制造出最終産品或部分零件。第4章中我們将會看到，ddm已經在不同行業獲得青睐，如航空航天、珠寶制作、牙科技術、玩具生産以及品牌家具設計和定制太陽鏡等時尚單品的制造。

3d列印最驚人的一點是它不需要使用傳統的手工技術就可以制造出物體。例如，3d列印機可以在不斷開項鍊的情況下将其列印出來，更不用說制造出有豌豆的口哨和有小船的瓶子了。有些3d列印機還可以直接列印出運轉的零件，比如由多部分機制組成的變速箱。傳統上，多部分組成的産品最終總會涉及到組裝，但使用3d列印将不再需要這一步驟。

未來，幾乎所有的東西都可以用3d技術來列印，包括整架飛機的制造。雖然這聽起來有些瘋狂，但空客公司的一個小項目組正在設計一架革命性的客機，它将比傳統的飛機重量輕65%，因為它可以靠3d技術用塑膠樹脂列印出來。雖然這種飛機以及可以制造出這種飛機的3d列印機也許要到2050年才能面世，但在2011年，空客母公司eads啟動了260萬英鎊資金在埃克塞特大學成立了增材制造中心。該研究機構的目的是開發　3d列印的飛機零件，包括目前的空客a380。

1.2.4　大規模定制

ddm的優點之一就是能夠實作大規模定制，因為一台3d列印機上列印出的兩個物體不會完全相同。有些3d列印的先行者已經瞄準市場機會，開始大規模定制一些新穎的産品。例如，通路cubify.com網站，以定制一個蘋果手機模型為例，它将根據你提供的數位照片為你制作出一個背面凸起的3d成品。與之類似的，thatsmyface.com網站邀請通路者上傳臉部正面和側面照片，然後它便會生成一個彩色的3d頭部模型。顧客可以将3d列印的頭部模型裝到塑膠人偶或樂高模型上。此外，顧客還可以購買用他們臉部照片做出的3d肖像或面具。

thatsmyface.com網站購買标準雕像，用3d列印定制的頭部模型取代雕像的頭部，這樣的方法确實非常聰明。這項服務不僅讓人們擁有以自己為原型的超級英雄的小模型，還展示了低成本的3d技術可以簡單且大規模地定制标準産品的巨大潛力。對于那些尋求建立新的3d列印業務的企業，市場中還有相當多的類似機遇。

1.2.5　小批量生産

除了大規模定制，ddm還可以低成本生産一次性産品或小批量的元件，因為啟動生産是不需要工具的。例如，2012年詹姆斯·邦德電影《天幕墜落》的制片人需要3台aston martin db5座駕三分之一大小的模型車，他們就用型号為voxeljet vx4000的3d列印機将它們列印了出來。這些轎車模型被3d列印成18個部分，然後再進行組裝噴漆，最後變成看起來非常真實和昂貴的複制品。遺憾的是，這些模型在電影中被炸成了碎片——雖然它們被制造出來的目的就是這個。

另一個例子是，一個叫作klock werks kustom cycles的定制機車制造商已經采用3d技術來加速生産一次性元件。在一次電視節目中，該公司需要在5天時間内制造出一台定制的機車。為了在規定的時間内完成任務，klock werk的工程師們設計出了機車的儀表盤、叉管蓋、前大燈擋闆、腳踏闆、腳踏闆底部和車輪墊片蓋，這些全部都是在一個叫作solidworks的3d模型程式包中完成的。最後由3d列印機列印出各個部分，而不是用鋁制或在塑膠中鑄模完成。這輛成品機車的車速甚至創造了美國機車協會的陸地速度記錄。

上述例子表明，3d列印已經可以又快又便宜地制造出各種東西，這是傳統的制造方法不能比拟的。對于公司或個人，無論是誰想要生産出一個或小批量産品，3d列印都已經成為了一種“将不可能變為可能”的技術。

1.2.6　數字存儲和運輸

除大規模定制和小規模生産外，3d列印還努力向數字模型存儲和數字模型運輸方面發展。這意味着，如果你想給遠方的朋友送些東西，今後你可以有兩個選擇。第一，通過快遞或信件将東西發給對方；第二，通過網絡給對方發送一個數字檔案，然後對方使用3d技術将其列印出來。

雖然這聽起來像科幻小說中的情節，但在一個叫作thingiverse的共享網站上，設計者可以上傳他們的數字作品，其他人可以下載下傳或列印。現在很多人經常線上共享文本、圖檔和視訊，而3d列印的模型可能會很快加入到衆多社交媒體中。通過實作線上存儲和運輸，3d列印技術會像計算機和internet實作數字資訊的存儲和傳輸一樣，實作3d對象在實體世界中的存儲和傳輸。

1.2.7　開放式設計

數字模型會越來越多地疊代演變，即使在今天，這種情況也并不少見。3d列印愛好者們下載下傳一個數字模型，對其進行一處或幾處改進，将模型列印出來，然後再上傳修改後的設計，以便其他人從他們的改進中受益。這種“開放式設計”開始生根，随着越來越多的人使用cad軟體和3d列印硬體，這也是一個将設計過程從專有化轉變為大衆化的過程。

許多企業擔心開放式設計的後果，另外一些人則強烈支援這一趨勢。例如，在2013年1月18日，諾基亞推出了3d列印社群項目。該項目釋出了一個“3d列印開發工具包”，用來幫助人們設計并親自制作自己的lumia 820手機。正如諾基亞社群及市場開發經理john kneeland所說的，

我們的lumia 820手機有可拆卸的外殼，客戶可以給手機替換不同顔色的諾基亞外殼，這些堅固的外殼有防震和防塵保護，而且在進階的lumia 920和中級的820手機中，這些外殼還附加無線充電功能。這些特别的功能給了大多數諾基亞lumia 820使用者一個很好的選擇。除此之外，我們還将釋出3d模闆、使用說明、推薦材料和最佳實踐——任何熟悉3d列印的人都應該為自己定制一個lumia 820手機。

諾基亞釋出上述通告僅幾天之後，便舉辦了一次諾基亞lumia 820手機3d列印挑戰活動，鼓勵人們設計并分享可3d列印和替換的手機殼。 1月24日，距離釋出3d列印開發工具包6天之後，3d列印的諾基亞820手機殼（包括一些功能按鈕）就在網上展示了出來。

以上做法有可能會引發各種知識産權問題。确實有人擔心通過3d列印本身的功能将産品轉移到個人手中會引起混亂。

如今，3d列印愛好者傾向于分享模型和疊代設計，如智能手機、攝影配件、玩具和模型車，但是不應将所有的零部件或設計都在網上自由地分享和疊代。令人沮喪的是，已經有人利用3d技術列印出槍支并在網上分享他們的設計。在第5章和第8章中，我們将回到圍繞數字模型複制、個人制造和開放式設計這些廣泛的問題上。

1.2.8　轉型零售**

雖然那些擁有3d列印機的人會更多地選擇在家中制造自己的物品，但3d列印革命的主流影響更可能是在傳統的零售領域。現在，所有的實體店主要是存放一些相對小範圍的非定制商品，并且還依賴于定時向供應商拿貨。但是，十年後至少會有一些零售商已經安裝了高端的3d列印機，他們可以根據無限的數字模型清單按需列印定制的商品，而且永遠不會缺貨。很明顯，這讓大多數人從環境和經濟方面在零售店“共享”大型3d列印機，而不是每個人都擁有最新的個人制造硬體。

為了滿足那些想要設計自己的産品又買不起3d列印機的人們的需求，3d列印公司可能會成為賺錢的大企業。如前所述，這樣的公司提供的工業快速成型服務已經有很多年的曆史了。但除了他們，我們看到線上服務和實體店也可以為人們進行3d列印。

例如，你在洛杉矶，你可以給位于威斯特摩蘭大道北201号的buildshop打電話，要求設計并3d列印你自己的東西。或者不管你住在哪裡，都可以浏覽i.materialise.com網站，上傳自己的設計，然後你可以在超過20種的材料中選擇一種進行3d列印。在i.materialise.com網站的畫廊上，你可以線上出售自己的設計。這樣的服務消除了進入這一行業的障礙，因為任何人都可以設計和銷售有形的東西，而不必局限于貨物存放或制造工具，因為所有出售的東西都是滿足3d列印要求的。目前，自由藝術家和珠寶制造商是線上3d列印服務的最大使用者。但是3d列印技術并不僅僅在按需列印的市場空間上占有最多的使用者。

1.2.9　改善人類健康

如今，雖然大多數3d列印的東西都是由塑膠或金屬制成，但是現在已經有一些專門的3d列印機可以通過一層一層地剝離活細胞層而形成活體組織。這種“生物列印機”可以培養患者自身的細胞，用3d列印技術形成可替代的皮膚或器官，這在改變某些醫學領域方面有着巨大潛力。如果這種情況真的發生——生物列印先行者們認為這将在20年内實作，那麼3d列印的發展将使人們不再需要器官捐贈等待名單，同時皮膚移植也會成為曆史。五年之内，3d列印的人體組織可能會開始應用于藥物測試，以便減少動物實驗的需求。

3d列印除了可以替代身體外部的人體組織，體内生物列印也已經在開發之中。這涉及将3d列印的細胞層直接培養到傷口上，甚至直接在體内使用微創手術。如果這種技術足夠先進，将來或許可以将儀器深入到患者體内，清除受損細胞，再換上新的細胞。這種儀器甚至可以用它們自身的探頭修複傷口。雖然這種假設聽起來有些不切實際，但一些醫學研究者和3d列印先行者對這些事情的态度卻很嚴肅。第7章将深入探讨生物 列印。

1.2.10　拯救地球**

3d列印最終和最重要的潛在益處是對環境的改變。現在，大量的燃油和其他資源在世界範圍内被用來運送産品，許多東西都經過數百或數千英裡才來到我們的手中。考慮到自然資源供應的壓力越來越大，更不用說應對氣候變化所嘗試的措施，未來10年或20年内，這樣大量的運輸既會變得不可行，在文化角度上也會變得無法接受。是以，本地制造的需求就會成為3d列印的長期趨勢。

除了促進數字模型運輸，3d列印還可能會比許多傳統的工業生産方式更加環保，因為它是基于“增材制造”的方式。換句話說，當衆多傳統生産技術必須将一大塊材料切、車、锉、鑽或用其他方式分割的時候，3d列印不需要這樣做，隻添加所需要制作的材料就可以了。是以，數字化制造使用3d列印機可以節省大量原材料。

當最終産品的零部件是由3d列印的時候，制造商還可以優化他們的設計，以便使各部分都消耗最少的材料。例如，3d列印的塑膠或金屬部分，可以設計成内部有間隙或有開放網格的樣式，這些都是傳統生産技術無法完成的。這種設計方法還可以制造點火器零件——航空航天業非常熱衷于推進這樣的制造方法。

作為環境改善的最終收益，3d列印或許還能起到生産備用零件的重要作用。現在，當大多數物品被損壞的時候，通常因為沒有備用零件而無法修複。但是随着周圍有越來越多的3d列印機，許多破損的東西無論哪裡壞了都可以修補好。

如今，許多人用壞了東西，都是直接扔掉，而不是把它們修複。然而，由于自然資源的減少，這種态度和做法在未來幾十年内将不得不改變。至少在某種程度上，在這個容易退貨的社會，3d列印可以幫助我們越來越多地選擇維修而不是更換。第6章将探讨3d列印和可持續性之間的實際的和潛在的聯系。