3D打印:从想象到现实(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者:(美)利普森,(美)库曼

出版社:中信出版社

格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT

3D打印:从想象到现实

3D打印:从想象到现实试读:

前言

3D打印领域的大事之一是其进展比光速还快,技术也飞速进步。然而,快速创新这个主题是难以捕捉的。当你试图将一个羞于示人也很难实现的新想法写下来时,它已经过时了,因为每个人都已经改变了。

我们怀着激动的心情,用9个月的时间写成了这本书。在这段时间里,我们通过与熟识的专家交流,不断寻求更广泛的视角。与此同时,我们也热衷于通过网站和推特空间与人们交谈,以获取新的信息。我们的目的不是写一本简单的“如何使用3D打印机”的书,因为这样的书在短短几个月内就会被淘汰。相反,由于技术的发展速度比图书的出版速度还快,我们力图透过表象探索3D打印技术更深层次的含义,探讨这种新的生产模式将如何改变我们的生活、我们的法律和我们的经济。

两位作者合著一本书,这既是一大幸事,也是一个难题。没有什么经历比得上在艰苦和孤独的写作过程中有一个同路人相伴了,在这个世界上没有什么人愿意花费数小时如此热切地讨论和剖析晦涩难懂的想法。但是,一本书有两位作者,这就出现了一个挑战:如何处理两种创作风格?

两位作者应该将个人经验和见解整合成一种集体的“我们”,还是应该用各自的名字(例如,梅尔芭或胡迪)区分每个人的思想和经验?经过一番思考和修改,我们决定这样处理:新见解指“我们”的新见解,个人过去的经验指“我”过去的经验,但是在章节中,我们不区分“我是谁”。因此,有时候,“我”是胡迪;有时候,“我”是梅尔芭。

在写这本书时,我们有幸采访到了来自世界各地不同领域的20多位专家。他们兴奋地谈论这一话题,富有感染力,他们还针对很多章节给予了宝贵的反馈。在此,我们想对他们所付出的时间和耐心表示衷心的感谢。事实上,他们创造性的劳动正在改变我们熟知的世界。

希望你们喜欢这本书。第1章 这是科幻吗,不,它将成为现实点:你的生活空间。时间:从现在到几十年后。地

即使将来,早上起床仍然是件难受的事。

刚出炉的全麦蓝莓松饼的香味从厨房食品打印机里飘出。制作有机低糖松饼的“墨盒”在市场被作为奢侈品销售。配方由各有所长的面包技师提供,技师们来自著名的饭店和度假酒店。

当你第一次向你爷爷展示食品打印机时,他认为是自动蛋糕机—20世纪80年代起风靡厨房的美食家电。他不明白,为什么直到他结婚纪念日当天,你才想起要打印加工食品。为了庆祝这一纪念日,你不惜代价准备了豪华食品“墨盒”,为他和你奶奶打印庆祝晚餐,包括新鲜的金枪鱼排、蒸粗麦粉和每片图案都不同的螺旋形巧克力—摩卡—树莓奶油蛋糕。

健康保险公司将你的食品打印机升级到高级医疗模式以后,你的控制血糖的饮食管理变得更容易了。专门为糖尿病患者推出的新医疗级食品打印机通过一个微型皮肤植入物监测你的血糖并读取无线信号流。当你早上醒来时,食物快速成型机接收到早上第一个读数,然后对你的数字化早餐的含糖量进行相应调整,以保持营养均衡。

早餐后,该浏览新闻了。头条新闻是关于救援被困井下一周的几名矿工的最新进展。他们所在的矿井坍塌,将他们埋在了地下。首支救援队试图将他们救出,但救援工具差点儿引发了一场致命的瓦砾崩塌。

幸运的是,采矿公司遵守了联邦安全法规,并给矿工配备了规范的安全装备。3D安全打印机是一个标准的工具,矿工将其随身携带到矿井深处。在他们下井前,技术人员会确保每台打印机的关键零部件都有更新的设计文件。3D安全打印机与其他机械被带到矿井深处,以备部件断裂后可以迅速更换。

今天,关于矿难的追踪报道称,便携式3D安全打印机居然成为救灾英雄,这真是匪夷所思。一连好几天,被困矿工通过时断时续的无线连接与地面上的技术人员保持通话。两班人马(一个在地上,一个在地下)正在共同努力,优化打印机需更换部分的设计蓝图。这应该是一个短暂、标准的救援行动,现在却变得复杂起来。打印一些更换部件本来是很容易的。救援工作被推迟的原因在于:矿井内的湿度高得出乎意料,损坏的部件被更换后发生了弯曲。

好消息是,矿井的情况今天看起来更乐观。记者解释说,第三次尝试打印的更换部件在矿业公司总部通过了模拟条件下的压力测试。今天,矿工将在地下按更新的设计蓝图打印。如果奏效,今晚就可以开始修复损坏的机器。

当你离开家去工作,起重机和形单影只的施工人员在街对面的一块空地上默默劳作。你邻居的建设项目成为邻里的谈资。几个星期前,他推倒老式的木房子,要建造一幢新的生态友好型豪宅。

邻居在邮箱边向你挥手,还给你看了他的房屋介绍。新家是一家名为“泡沫之家”的公司开发的一个豪华模型,两个多星期就可以完工。该公司的产品目录称,每所房屋的墙壁均内置气象传感器,屋顶在最后完工后,将在顶部安装太阳能电池板,墙壁的配线和铜管已经就位。

你和邻居一起看工程起重机在新的地基上慢慢操作一个巨大的喷嘴。喷嘴扫描景观,依据设计蓝图,挤出混凝土和一些合成建筑材料。施工人员的职责是确保施工期间工地上没有人走动。装备的“大脑”是一台小型计算机,在施工过程中指挥工程起重机。

邻居一直以极大的兴趣关注着施工进程,看着房子的墙壁慢慢成形。想起一个关于早期工厂自动化老掉牙的笑话:“在那个时代,你要运作一家工厂,一个男人和一条狗足矣。男人负责喂狗,如果这个男人试图碰任何东西,狗就咬他。”

到目前为止,慢慢成形的房子看起来非常漂亮,墙壁呈曲线形,装饰有几何图案、柔和的曲线和镂空。没有人能够建造有这样构架的房子,不管有多少人参与施工。目前还没有人看到新房子的内部构造,但听说你的邻居定制了设计内壁,让它看起来很像老式的砖混结构。

最后,你到了办公室,着手处理数月以来在你的领导下进行的长期调查工作的最终阶段的细节部分。你的团队被安排进行一项新型的低价更换人体器官的黑市调查。越来越多的急需更换器官的患者从未经认证的生物打印医疗服务机构购买更换器官。在公众的头脑中,生物打印人体器官仍然是一个有争议的话题,比你爷爷那一代的人体干细胞、人工流产或克隆呈现出更明显的两极化。

获得更换的器官变得太容易了。高分辨率的全身扫描的成本在过去几年大幅下降。人们乐于在20多岁储存人体器官并保存相关数据,万一出了问题,他们可以快速更换器官。有时候,他们的关节会出一点儿毛病。现实生活中,“人体设计文件”最常用于整容手术,重新找回光滑紧致的皮肤和年轻的身体。

生物打印是没有问题的。事实上,大多数人认为,生物打印是一项挽救生命的技术。我们面临的挑战是怎样整治这些日益繁荣的黑市。对全新的打印器官的生产进行规范是很难的,因为生物打印的成本已经大幅下降。每年,医院和外科诊所都会卖掉过时的生物打印机,去年,黑市商人以不到一辆新车的价格抢购了一台。

在调查过程中,你会了解到大部分黑市机构实际上运作得很好。问题出在错误的设计文件,或者不负责任的器官厂商偷工减料,不在无菌的打印环境下操作。最近的一个案例是,一些病人死于未经认证的“低能器官”,这些病人购买这些器官是为了提高他们的运动能力并改善自己的外貌,他们的家人对到底该起诉谁感到迷茫:无良制造商、生物“墨盒”供应商、器官设计师,还是设计认证商?

从那些本意善良的、想要当医治者的人到那些利欲熏心的无良血肉贩子,他们都属于黑市生物打印商的范畴。有能力的黑市商人能够帮助病人以低价获取重要的新器官,因此被一些人称为“英雄”。其他一些人则痛斥器官商人出售给患者重要器官时唯利是图,尤其是在新打印器官属于粗制滥造之作的情况下。

在结束一天的工作后,你顺便去了一趟女儿就读的中学。你是今年一个科学展的家长发起人。你女儿的老师告诉你,3D打印机正在破坏科学展的文化。懒惰的学生几乎不费吹灰之力、无须任何技巧就能够通过3D打印制造复杂的物品—他们需要的只是一个良好的设计文件。许多家境贫寒的学生没有家用3D打印机,因此他们无法进行设计实践,而设计实践是他们参与公平竞争所必需的。

还有另一种扭曲。老师解释说,今年的科学展,家长要做清理服务。去年科学展后,学校的保洁员抱怨健身房地板上散落着很多杂乱无章的打印碎片。更糟的是,几天后,学生和教师被几十个鼠标大小的成品机器人绊倒,这些机器人在学校的走廊上叮当翻滚。一些打印机器人存储了预编程的入门知识,另一些可移动机器人似乎已经掌握了一些未经授权的、丰富多彩的智慧。

你和你女儿回到家后,你的爱人分享了好消息:他的3D制造企业刚刚获准进入航空航天云制造网络。云制造是一种取代大规模生产的新的生产方式,它像云计算一样,是一个分散式和大规模批量式并行的生产模式。大企业从几个经审查合格的小制造企业生产网络订购所需的部件和服务,这些小制造企业可以联手制造专门的部件。

云制造正迅速应用于电子、医疗和航空航天等行业,这些行业的企业需要复杂的、高精密度的而不是大批量的部件。小制造企业形成的云制造网络为大企业节省了费用。云制造网络往往靠近客户,这样打印部件的运输距离就缩短了。这些企业将产品部件的设计进行数字存储,每次只生产一个或者几个部件。云制造网络在区域经济中已经无处不在,这样,专门的小型制造商和服务商就创造了当地的就业机会。

你爱人的企业是由数家小制造企业组成的云制造网络中的一员,为军用和商用飞机制造商制造专业燃料喷射器。为了获准进入这个专门网络,他的企业必须证明具有在指定时间内通过3D打印生产飞机部件的制造能力。制造网络对这些部件样品进行抽样压力测试,测试结果还不错。经过一番利润率和制造能力的谈判,他的企业获准进入了该网络。

最后,一天终于落幕。你儿子喜欢在他就寝前刷牙,然后躺在床上听你给他讲故事。今晚你会发现,其他都像往常一样,但他的牙刷莫名其妙地消失了。他觉得可能是昨天落在他朋友家了。你可以跑到商店给他买一把新牙刷,但现在有一个更简单的方法。[1]

你启动家用Fabber,让你儿子快速查看几种不同的牙刷设计。几家不同的公司在Fabber网站上出售他们的设计,你儿子已经想好他想要的品牌—通过讨价还价以99美分买了下来,他喜欢牙刷柄上有几种不同的卡通人物。你在网上付款,通过将小魔杖载入Fabber,扫描了你儿子的指标—手的大小和嘴张开时的形状。

然后,Fabber开始打印。在其发光屏幕上,设计参数表像电影那样滚动—从牙刷程序的设计者到拥有卡通设计版权的公司。新牙刷可以在15分钟内制作完成。

在Fabber打印过程中,你给儿子讲睡前故事。这是关于过去的日子,那些“当我在你这个年龄时”的故事之一。他将信将疑,很难相信你年轻时,每把牙刷看起来都是一样的。现在,如果你从互联网上订购东西,仅需要24小时就可以送货上门。“哇!”他礼貌地说,“那么要是回到过去,生活一定很不容易啊!”注释[1]Fabber,一种免费的开源的快速成型机的名字。——译者注第2章 一台几乎可造万物的机器果你有一台可造万物的机器,你会用它做什么?在英国,技术人员通过扫描奥运短跑运动员的脚和脚踝,把数据输入计算如机,计算机经过几步简单的计算后,技术人员就能够3D打印出专属每个运动员的新鞋,这双鞋符合运动员的体形、体重、步态和偏好。

在世界的另一端,美国国家航空航天局在亚利桑那州的沙漠中测试了一艘火星飞船,飞船甲板上装有定制的3D打印金属部件。这些部件大多形状复杂,有许多曲线和镂空,除了3D打印机,其他任何设备都生产不出来。

在日本,一位准妈妈想要纪念其首次超声波检测,她的医生编辑她的超声图像,并3D打印出栩栩如生的胎儿模型。结果,一个透明硬塑料块中就出现了一个前卫的3D打印微小胎儿塑料模型。

这些制造奇迹不断发生。在不远的将来,人们将3D打印出活体组织、富含营养的食品及完全组装好的电子元件成品。本书旨在讲述一种全新的产品生产模式,在下面的章节中,我们将用简练的语言解释3D打印技术及其设计工具。对于一些爱好技术的读者,我们有几章会深入描绘3D打印技术的现状和未来。然后,我们还探讨了其对下游经济、个人和环境的影响。

3D打印开辟了新的前沿领域。随着普通民众也能够设计和生产电动工具,制造业和商业模式将发生巨大变革,知识产权法将彻底失效。图2–1 用石质材料打印的全尺寸长凳图片来源:Andrea Morgante and Enrico Dini, D-Shape

有些人清楚地记得自己是在什么地方观看的人类首次登月,还有些人对柏林墙轰然倒塌后几周里的混乱状况记忆犹新,我却记得我第一次听到3D打印时的情景。

那是20世纪80年代末在一场乏味的制造工程研讨会上。教室里很暖和,不幸的是教授的声音低沉、单调而舒缓,我和同学们昏昏欲睡。

教室的门“砰”的一声打开,打破了这个下午讲座上昏昏欲睡的平静。一名陌生男子冲进了教室,这位奇怪的闯入者声称他是库比特系统公司(Cubital Systems)的推销员。我们以前从来没有听说过这家公司,而这家公司却是当时世界上仅有的销售3D打印机的两家公司之一。

这名顶着一头乱发的推销员不断地晃动着一个塑料物体,并声称一场制造业革命正在酝酿之中。“我手里握着制造业的未来!”他大声叫道,“这个塑料物体是由一种能够‘打印’塑料的激光打印出来的。”

出于好奇,我和同学们凑过去想知道他为什么会来我们班上。我们的教授察觉到了我们的兴趣,明智地将课堂交给了这位活跃的闯入者。后来我们才知道,库比特推销员是我们教授邀请的客座讲师。

真是一个喜欢炫耀的人,他一本正经地顿了一下,欣赏着我们的困惑。在安静之后,他让一个学生转动塑料物体露出的曲柄。当同学使劲转动曲柄时,我能听到课堂上钟表的清脆“咔哒”声,时间是那么难熬。在设备内部,复杂的链锁齿轮彼此牵引地运转着。

我们昏昏欲睡的大脑挣扎着苏醒过来,我们彼此低声问道:“他刚才是说他用激光打印出了那个东西吗?”我们学的是磨齿齿轮,我们试图弄明白这一意想不到的表演是怎么发生的。图2–2 得克萨斯大学卡尔·德卡德和约瑟夫·比曼发明的第一台选择性激光烧结打印机(约1986年)图片来源:Carl Deckard and Joe Beaman

当推销员曝出另一条爆炸性消息时,我们变得更加困惑了。他说:“你们这里所看到的所有齿轮、把手、旋钮都不是组装出来的,它们都是按照一个个单独的、预装配的不同部件一起有序打印出来的。”

当这位精力充沛的闯入者要愉快地结束他的演讲时,教室里混乱的“嗡嗡”声变得越来越大,他甩出了最后的数据观点:一台计算机,而不是一个人,可以在整个生产过程中充当一双“手”操控这台神奇的机器。推销员翻遍了他的包,掏出一张纸,在我们面前挥动了几下。这张纸上显示的是一台计算机的照片,计算机屏幕上是与刚才他向我们展示的塑料物体相同的设计文件。

库比特系统公司推销员笑着问我们是否有问题要问,我们都精神起来,争先恐后地向他发问。他说他用激光“打印”出了所有的塑料部件,这是什么意思呢?什么样的制造设备能够将部件一次性生产出来,而不需要进行组装呢?它能打印塑料以外的其他材料吗?还有,当然了,个人购买这样一台设备要花多少钱?

传统制造感觉瞬间过时。

我仍然记得那一天,这位客座讲师的热情演说使我确信,这种神奇的设备确实会引发一场产品制造和设计的革命。我从来没有见过物体的软件设计(我当时刚刚迷上设计软件,而且兴趣越来越浓)与其实体表现之间联系如此紧密。

那一天是20年前,我们预料的革命没有如期迅速爆发。几年后,库比特系统公司停业了。如同许多开创性技术一样,库比特系统公司的3D打印工艺过于复杂和低效,机器设备昂贵,利润率敏感的制造企业难以接受。

我有时想知道库比特系统公司关门后,那位推销员去了哪里。他的推销说辞毫无修饰,却能直达目标。普通民众能够像编辑数码照片一样毫不费力地撕裂、混合并打造实体物体,这只是时间问题。打印三维物体:哈利·波特的魔杖复活了

如同童话故事里的魔杖,3D打印能让我们掌控物理世界。3D打印赋予了普通人强大新颖的设计和生产工具,人们可以获得专业设计师和制造业大企业所独有的设计和制造能力。

在未来的3D打印世界里,无论何时何地,人们需要什么就可以打印什么。当然,技术虽然好,也要看人们怎样应用。有人可能会用来制造武器或不受监管甚至有毒的新药。我们的环境也可能很快被满足各种需求的打印塑料产品垃圾所充斥。生物打印带来的伦理挑战将比干细胞引发的争议更复杂。黑市商人则会受到利益驱使,通过制造和销售有故障的机器零件来快速赚取黑心利润,那些豆腐渣工程在关键时刻往往会出问题。

大多数人第一次听到3D打印时,他们就想到了那些老式的、常见的桌面打印机。喷墨打印机和3D打印机最大的区别是维度问题,桌面打印机是二维打印的,在平面纸张上喷涂彩色墨水,而3D打印机可以制造拿在手上的三维物体。

3D打印机依据计算机指令,通过层层堆积原材料制造产品。在人类历史的大部分时间里,我们通过切割原料或通过模具成型制造新的实体物品。

3D打印的技术名称是“增材制造”,这是对实际打印过程比较贴切的描述。3D打印独特的制造技术让我们能够生产前所未有的各种形状的物品。

3D打印不是一种新技术,3D打印机已在制造机加工车间默默地工作了几十年。在过去的几年里,由于受到计算能力、新型设计软件、新材料、创新推动及互联网进步的推动,3D打印技术发展迅速。

计算机在3D打印过程中发挥关键作用,没有计算机发出的指令,3D打印机就会瘫痪。3D打印机正常运作的前提是要输入一个设计好的电子蓝图或设计文件,它们负责告诉3D打印机在哪里放置原材料。事实上,没有连接计算机及设计文件的3D打印机是没有用处的,就像没有存储音乐的iPod。

3D打印过程如下:3D打印机在设计文件指令的导引下,先喷出固体粉末或熔融的液态材料,使其固化为一个特殊的平面薄层。第一层固化后,3D打印机打印头返回,在第一层外部形成另一薄层。第二层固化后,打印头再次返回,并在第二层外部形成另一薄层。如此往复,最终薄层累积成为三维物体。

3D打印机不像传统制造机器那样通过切割或模具塑造制造物品。通过层层堆积形成实体物品的方法从物理的角度扩大了数字概念的范围。对于要求具有精确的内部凹陷或互锁部分的形状设计, 3D打印机是首选的加工设备,它可以将这样的设计在实体世界中实现。

3D打印部件和产品正在蔓延到日常生活中。你的汽车仪表盘的设计就借助了3D打印原型,确保各部件紧密地配合在一起。如果你戴助听器, 3D打印可以使用光学扫描数据,捕捉你内耳的精确形状,实现定制生产。

牙科诊所借助X射线不到一个小时就可以打印定制的牙冠。在体内安装用钛和陶瓷打印的假膝盖已经风靡世界。如果你有幸乘坐波音公司的新型飞机—波音787梦想飞机,你已经将生命托付给至少32种3D打印的部件。

3D打印技术的秘密可以概括如下:就将复杂设计变成实体物品而言,3D打印机比其他生产模式(如人工生产或机器生产)更精确、更通用,可以将一个复杂的设计通过组合不同的原材料以过去不可能的方式制造成实物。图2–3 这台打印机价值约10 000美元,大小与微波炉相当图片来源:Stratasys Inc.

如今,一般家用3D打印机可以制造鞋盒大小的塑料物品。工业领域的3D打印机可以制造大到汽车、小到肉眼几乎无法看到的针头等物品。有些研究人员开始尝试用3D打印机打印小型房屋大小的混凝土结构。而在微观的角度,另外一些研究人员已经打印出肉眼几乎看不到细节的物体。走向数字化和模拟化:跨越虚拟世界和实体世界的鸿沟

20世纪90年代中期,电子商务和数字媒体还处于起步阶段。在充满奇妙预测的1995年畅销书《数字化生存》(Being Digital)中,作者尼古拉斯·尼葛洛庞帝预测道:“娱乐原子”正在消亡。在数字媒体粉墨登场的几年前,尼葛洛庞帝准确预测了娱乐传媒的实体形态(传统的图书出版、光碟租赁和大型电视网络)将面临与恐龙同样的命运。

集中控制的大众媒体和图书出版的消亡只是开始。20世纪末,信息开始走向数字化。21世纪,虚拟世界将与实体世界更紧密地联系在一起。

虚拟世界是一个可以在其中自由选择的地方。在视频游戏里,人物可以跨越建筑物、长出新的手臂、变身成为不同的实体形状。虚拟世界也很容易编辑和修订。虽然改变一棵真树的树皮颜色是不可能的事,但在数码照片中改变树的颜色却很简单。虚拟世界的行为可以被编程。如果实体对象的详细信息可以通过设计文件捕捉,设计的数字“原料”就可以模块化,由屏幕上微小的离散光点或像素构成。

3D打印技术将跨越虚拟世界与实体世界的鸿沟。当然,怀疑论者会立即指出,数字世界和实体世界已经有了一些交汇点。毕竟设计和制造工艺已经由计算机驱动了数十年,现在大规模生产几乎实现了完全自动化(除了最后一步,即劳动密集型装配流水线)。

虚拟世界和实体世界的融合将是一个缓慢而微妙的过程,这一过程具有阶段性。首先,我们要获取实体物品的形状;其次,我们上升到新阶段,控制其材料组成;最后,我们要控制实体物品的行为。

掌控产品形状:现实生活中不可能的形状也能制造

3D打印机可以详细阐释数字化设计文件,带我们到接近充满丰富的创造力和自由的虚拟世界。如果你看动画片,显然,屏幕上的画面就是在用计算机设计的:恐龙在现代化的地铁站里漫步,状如秃鹰的飞行机器战士用致命激光扫射所经之处。

如果影片在动画和现实之间来回切换,对观众来说,在计算机绘制的充满丰富想象的多彩世界和现实生活中显然有一个明确的界限。欣赏3D打印的前景和风险的方法之一是思考掌控材料世界的铁律。由于3D打印机分层形成物品,它们可以塑造过去只有在自然界存在的形状,曲线、镂空与复杂的内腔制造将成为可能。

目前的挑战是原子以不可预知的方式走到了一起。数字设计在计算机屏幕上令人震惊,但理论上被制造出来后随时会坍塌,因为它不能突破重力和材料限制。相比之下,数字世界让我们放飞想象的翅膀,自由创造。数字世界急需制造出现实生活中不可能的形态。

控制材料构成:实体物品能不能也变成数字世界的“1”和“0”

在融合的第二阶段,3D打印会给我们带来对物质构成和材料构成的精确控制。多材料3D打印机将为新产品的生产打开大门,这种新产品由严格控制的原材料构成,其整体性能将大于部分之和。

试想在一个水彩调色盘中,将蓝色和黄色混合,可以形成无数深浅不同的绿色。在自然界中,22种氨基酸以不同的方式组合,创造出可以形成惊人物种的蛋白质。配备精确的设计文件的多材料3D打印机,可以将熟悉的原材料混合成全新的组合。

随着3D打印技术的不断发展,我们将看到很多由当前不可行的材料混合制成的物体。我们将看到可以自我修复的机器部件,或者看到可以将其长度延伸近10倍的无线网格。医疗设备将对特定病人的血型做出回应,或检测其体温变化。

控制材料组成的第二个渠道与第一个稍有不同。有一天3D打印机会制造出可控的材料。在虚拟世界中,所有的信息无论多么复杂,最终都可归结为它的本质,那就是两个基本单位:1或0。

相反,实体物品由丰富的、非模块化的螺旋结构的原材料制成,它的基本单位是原子,不那么规则且难以控制。由于材料在实体世界具有多样性,很难有意义地捕捉数字形式的“模拟”材料。结果是,模拟材料很难被精确地复制、控制和编程。

不兼容的原子是制造商的噩梦。诚然,3D打印机不能粉碎开放的原子,使它们更具可塑性。但是,3D打印机可以做的是将一度不能兼容的原材料巧妙地结合在一起,打印成单一的物品。

电子电路一直都臭名昭著,因为人们必须先单独制造出内部的陶瓷和塑料零件,然后加以组装,才能形成电子电路的金属部件。事实是,制作电路关键部件的原材料必须通过单独的制造机器生产出来,这决定了电路板是平坦的,由多个薄层构成。

如果电子电路的组件不受制于彼此不兼容的影响,我们可以创造出各种形状和样式的电路。如果我们能将导电和非导电材料组装在3D打印机里,我们可以制造出各种形状和大小的电路。我们可以打印内置电路的机械装置,这些装置和生物世界一样复杂。

实现对材料组成控制的另一种方式是体素化。体素是等效的实体像素,它可以是微小的、固体材料的碎片,也可能是微小的容器,可以容纳你放入的任何东西。

我们正在了解由体素制成的3D打印物品。由体素制成的物品可以替代构成大多数实体材料的模拟材料。如果你用体素制造物品,你就离像可编程物品一样制造物品更近了一步。控制实体物品的材料组成打开了通往下一阶段(即控制实体物品行为)的大门。图2–4注:多材料3D打印技术尚处于早期发展阶段。这个玩具实际上是一个复杂的加工产品,它由几种不同原材料制成,这些材料在打印过程中被混合在一起。图片来源:Objet Inc.

打印智能物品:机器人将过时

拿厨房的木桌为例,如果你用光学扫描仪扫描它的外表面,你可以把扫描获得的数据转换成设计文件。一旦将桌子的实体尺寸转换成数字格式,就可以轻易使用设计软件暂时获得对桌子设计的控制。

你可以先编辑桌子的设计文件,然后3D打印出一张新桌子。然而,除非你用数十亿个体素进行打印,否则新桌子将是模拟的。它的材料、它的部件和组片将仍然是原生的、非智能的、连续的和被动的。如果你能用体素3D打印出新桌子,那么新的世界可能就会出现。

随着电子元件的尺寸继续缩小,计算能力不断提高,总有一天我们能够3D打印出含有微小电路的体素。就像图形的像素,其完美的集合会创建优美的高分辨率的数字图像一样,完美的体素集合可以制造智能的、有活力的实体物品。

体素催生出活跃的智能原材料。与今天我们能3D打印的非智能部件不同,未来我们能打印出智能系统,例如一部可使用的手机。3D打印机将创造出智能面料、现成机器人的生命形式和能够学习、响应和思考的机器。我们可以打印带有数字智能内涵的实体物品。

未来有一天,3D打印将把人工智能从计算机拓展到现实世界,机器人将成为过去时。半机器人在20世纪90年代就成为文化遗迹,未来取决于可以编程的物质以及本质可以编程并可以被3D打印的原材料。

麻省理工学院教授尼尔·格申费尔德在《当鞋子开始思考》(When Things Start to Think)一书中预言,可编程物质有自己的思想。数字处理能力将真正地找到自己的腿,走进物质世界。3D打印可编程物质将形成自己的实体,具备机械和触觉能力。

也许有一天,3D打印机器人的生命形态会被具有电池、传感器和电路大脑的3D打印机打印出来。新生的3D打印机器人将从打印台上迈出不太稳当的第一步,并让自身的电路学习周围的运行方式。也许有一天3D打印机器人会使用它们的3D打印机发明新功能,给它们的“生育机器”做体检来校验或替换打印部件。“请把我的鞋子传真过来”:3D打印机能做到

当我们毫不费力地对实体和虚拟形态进行移形,并且实体物品顺利地在比特和原子间转换时,最终的融合就到来了。在线文档也可以以同样的方式打印在纸上、扫描然后再打印,总有一天实体物品会转换为比特和原子然后再转换回来。

在《数字化生存》一书中,尼葛洛庞帝提到,实体世界不容易转换成数字格式。原子很重,运费较高。实体存储占用空间。原子按照预先定义的方式牢牢结合在一起。

尼葛洛庞帝写道:“如果你制作毛衣或中餐,我们将它们转换成比特需要很长的时间。‘将我传上去,斯科蒂!’虽然这是一个美好的梦想,但几个世纪内都不可能成真。在此之前你只能依赖联邦快递、自行车、运动鞋将你的原子从一个地方运到另一个地方。”

可能有一天,3D打印机会成为最重要的传真机。如果虚拟世界和实体世界真的不相互排斥,我们可以毫不费力地将物品从一个地方传到另一个地方。几年前我还是研究生时,我的几个同事就在认真研究如何做到这一点,他们研发光学扫描技术并测试这些技术在原始的3D打印机上的精度。

我很佩服他们的想象力,即使在今天看来,它仍然是未来数十年的事情。不过,据我所知,他们未能在核心挑战方面取得突破:首先,光学扫描只能获取拍摄对象的表面细节,大多数对象都有重要的内部结构;其次,他们只能打印由单一材料制成的简单的无生命物体。

现在,我们可以“传真”简单的实体物品。我曾和一个同事(考古学教授)一起开展一个研究项目,他从事几千年前楔形文字的译解研究。为了开展研究,他经常前往中东各国的考古遗址。

最近我的这位同事从国外归来,一直为不能将珍贵信息带回家困扰。古楔形文字是宝贵文物,发现者会及时交给所在国政府。考古学家们试图通过拍照或精心刻画字符的形状捕捉一些信息,遗憾的是真实的东西不能带回。

我和我的同事决定做一个实验,看看我们能否将宝贵的楔形文字从一个地方传真到另一个地方。我们认为可以用CT扫描他收集的几个楔形文字,然后将扫描数据转换成设计文件,并通过3D打印机创建楔形文字的副本。

我们认为如果实验成功,下次我同事去国外时可以说服地方当局让他用CT扫描当地的宝贵文物,然后他可以将设计信息发送到附近(或远处)的3D打印机上与其他人分享。他可以为文物所属国家提供宝贵的保存服务,因为他们也可以存储楔形文字CT扫描件和3D打印副本的数据。

我们发现,“传真”楔形文字相当简单:首先,我们将CT扫描数据转换成设计文件;其次,我们3D打印出楔形文字的不同尺寸、不同材料的复制品。

最重要的是,在楔形文字传真实验过程中我们获得了一个意想不到的收获,即CT扫描可以捕捉楔形文字字样的外部和内部。几百年前,研究人员就已经了解到许多楔形文字以镂空的方式书写,但到现在为止,看到内部结构的唯一方法是打碎(从此就破坏了)它。CT扫描和3D打印楔形文字副本的一个好处是,你可以愉快地将复制品敲碎读出内部书写的内容。图2–5注:CT扫描的珍贵文物可以被3D打印,用于保存和教育。左边是楔形文字原件,右边是3D打印副本,下方是放大后的副本。图片来源:Cornell University. Curator David I. Owen; Design: Natasha Gangjee; Photo by Jason Koski3D打印的十大优势

预测未来是有风险的。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。就传统制造而言,物体形状越复杂,制造成本越高。对3D打印机而言,制造形状复杂的物品成本不增加,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。图2–6注:打印功能部件。3D打印剪刀“开箱即用”,不需要组装或打磨。

优势2:产品多样化不增加成本。一台3D打印机可以打印许多形状,它可以像工匠一样每次都做出不同形状的物品。传统的制造设备功能较少,做出的形状种类有限。3D打印省去了培训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。传统的大规模生产建立在组装线基础上,在现代工厂,机器生产出相同的零部件,然后由机器人或工人(甚至跨洲)组装。产品组成部件越多,组装耗费的时间和成本就越多。3D打印机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。图2–7注:图中的部件看起来像组装的砖块,实际上是预先组装3D打印出的塑料制品,一次成型。图片来源:Printed on ZPrinter 650 courtesy of 3D Systems

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。就单位生产空间而言,与传统制造机器相比, 3D打印机的制造能力更强。例如,注塑机只能制造比自身小很多的物品,与此相反,3D打印机可以制造和其打印台一样大的物品。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。与传统的金属制造技术相比,3D打印机制造金属时产生较少的副产品。传统金属加工的浪费量惊人,90%的金属原材料被丢弃在工厂车间里。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。对当今的制造机器而言,将不同原材料结合成单一产品是件难事,因为传统的制造机器在切割或模具成型过程中不能轻易地将多种原材料融合在一起。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。图2–8 这只鞋的钛合金鞋底是3D打印一次成型制造的图片来源:Kerrie Luft

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。扫描技术和3D打印技术将共同提高实体世界和数字世界之间形态转换的分辨率,我们可以扫描、编辑和复制实体对象,创建精确的副本或优化原件。

以上部分优势目前已经得到证实,其他的会在未来的一二十年(或三十年)成为现实。3D打印突破了原来熟悉的历史悠久的传统制造限制,为以后的创新提供了舞台。在以下的章节中,我们将探讨3D打印技术如何改变我们的工作、饮食、医疗、学习、创新和娱乐。首先,让我们走进制造和设计的世界,在那里3D打印技术削弱了规模经济的铁律。第3章 敏捷制造:既好,又快,还省我常去的汽车修理店的收银处有一个标签,上面写着:“我们可以为你做得又好、又快或者又便宜。请选择其中任意两个。”在这句玩笑话真是言简意赅。但是,如果汽车修理店是错的又会怎么样?

在地球的另一边,一家遥远的牙刷厂生产儿童牙刷,售价10美分。这家工厂采用先进的生产设备并且雇用高级技术人员。这听起来不错,像是高品质的配置。工厂每天的牙刷产量在30万把以上,生产速度很快。

难道是汽车修理店错了么?也许你可以把它又好、又快、又便宜地修好,没有必要舍弃其中之一。但也许汽车修理店没有错,我们第一眼所见仅仅是冰山一角。

大规模生产往往涉及隐性成本,还可能延迟交货。如果你从企业全局的角度考虑而不是从消费者的角度考虑,大规模生产成本并不低。将设计概念转化为大规模生产的产品,这一过程也不是特别快。如果你想要的并不是万金油似的各种场合都可以使用的产品,那么大规模生产的产品也不是特别好。

小批量地大规模生产?矛盾!销售给消费者的最终产品价格越低,对企业来说批量销售就越重要。这就是为什么牙刷厂为了收回小批量生产的投资,大批量销售其大规模生产的产品,最小的订购量高达28 000把牙刷。

另一个隐性成本是产品的设计过程。工厂的生产是残忍的,将设计概念转换成可以大规模生产并获得收益的难度与将一部复杂的小说改编成电影差不多。即使是一把简单的塑料牙刷的设计(在计算机上看起来很好),在塑料成型过程中承受工业强度的压力时,结果也难以预测。经济规律同样无情,新的设计理念被迫在产品质量和制造成本之间进行权衡。

工厂和生产线是大规模生产相同产品的理想方式。然而,这样生产的成本并不低,甚至简单的塑料制品大规模生产的背后也存在很多看不到的成本。企业必须雇用技术精湛的技术人员和工程师,准确地将设计转变为实际的产品,校准工厂的机器和监督装配生产线。

想又好又快地生产产品,又想压低制造成本,这是一个困境,核心在于被称为“规模经济”的基本经济规律。规模经济是支持现代工业经济的无形力量,是使大规模生产有利可图的经济规律。

规模经济在降低大规模生产产品消费价格的同时增加了企业利润。然而,为了收回前期在设计和生产中的投资,企业必须出售大量相同的产品,只有这样才能从最初的投资中获益。

大规模生产极大的隐性成本之一是牺牲产品的多样性。为了获取规模经济收益,企业必须经得住改变产品设计的诱惑,除非有大量的市场机会能够确保投资有利可图。每一次设计的改变,每个小小的升级或变化,都会触及底线。

大规模生产不能同时为企业和消费者提供又好、又快并且便宜的产品,那么工匠生产又会怎样呢?熟练的工匠小批量生产定制的产品—无须装配线也不必投资建设所需要的工厂,工匠也不雇用熟练的设计师、工程师和技术员。如果一个设计概念在制成产品后被证实存在致命的缺陷,工匠可能需要承担材料浪费的成本。然而,由于只生产了一个有缺陷的产品,工匠能够快速调整最初的设计,这就避免了扔掉上百个(或者上千个)有缺陷的产品所导致的经济损失。工匠生产的缺点是不具规模。图3–1 注塑机注:注塑机能够低成本地快速生产塑料部件,但是制造模具不但需要前期投资,还对设计提出了挑战。图片来源:KenPlas Inc.兼具大规模生产和手工生产的特征

大规模生产具有高效优势,能够增加企业利润、降低消费价格,然而规模经济也对产品的多样化和定制化产生了负面影响。相反,工匠能轻松生产多样化和定制的产品,但是产出量比较小。3D打印技术提供了一条融大规模生产和手工生产于一体的新途径。

当首次发现鸭嘴兽时,探险家们认为这是一个骗局,以为是一个爱开玩笑的人在一只毛茸茸的动物身上粘贴了鸭子嘴、有蹼的脚和袋鼠的育儿袋。3D打印就是制造业的鸭嘴兽,将精准的数字技术、工厂的可重复性和工匠的设计自由结合在一起。

就像工厂里的机器一样,3D打印机也是自动化的。数字设计文件会简洁地接收生产特定产品的指令,然后为3D打印机的各个步骤提供指导。这个过程可以保存下来或通过电子邮件发送到其他任何地方。

就像工匠能生产多种产品一样,3D打印机具备多种用途。一台打印机可以制造出各种各样的产品,并且无须大量的前期投资。在3D打印机上打印1 000个不同的产品与打印1 000个相同的产品,成本是一样的,定制的成本几乎消失。

尽管具有这些优势,3D打印制造业并不具有规模经济。像任何极端的个性特征一样,事实上,3D打印未能提供规模经济是其最大的弱点,但同时也是其最大的优势。对于一个靠大生产规模获取边际利润的企业来说,达到规模经济非常重要。然而,如果一家企业的商业模式是销售少量独特的、不断变化的或者定制的、具有高边际收益的产品,那么3D打印产品(像鸭嘴兽)代表了革命性的飞跃。

3D打印和设计技术使得设计与制造更灵活,小企业也能获得之前只能由全球性企业掌握的强大工具。财力雄厚的企业配备一台3D打印机和设计软件,就能够提供此前只有大企业内部的设计和工程部门才能提供的高端服务。

在为创作本书进行研究的过程中,我们了解到,3D打印正在之前的制造地区(纽约州北部和部分中西部地区的经济衰退地区)萌芽。那里的企业员工很多是以前解散的地方制造工厂的工人,当在外包生产和工厂自动化双重冲击下失去工作的时候,这些失业的工人面临着一个艰难的选择:是去其他地方寻找工作,还是留下来设法工作?

过去,没有哪一家小企业能够买得起一台工业用3D打印机和一台强大的、能够运行工业设计软件的计算机。这种情况正在改变。我们参观的一家小公司由一个经历了西部制造业辉煌的人建立,我们叫他“迈克”(这不是他的真名,因为他的家庭不想他们的企业被别人认出)。迈克的公司为当地提供工程设计、快速成型和3D打印服务。

为了了解更多,我们拜访了迈克。开车穿过衰退地区是一种发人深省的体验。在去迈克公司的路上,州际高速公路关闭了,手机服务也停了。当地人已经搬走,只留下空荡荡的城镇,整个城镇在日益萎缩的税收基础上勉强维持。

车窗外是风景如画的乡村景观,起伏的丘陵、破旧的红色谷仓和成群的奶牛。两车道公路穿过不断流失人口的小城镇。我们的头脑中不断思考着“留下来的人们如何谋生”等问题。

经过几个小时的车程,我们到达了迈克公司的总部。迈克在门口迎接我们,把我们领进了地下室的车间和设计工作室。在这个半车间半办公室的地方,这家小公司的总部看起来并没有仓储式生产的嘈杂和规模。房间里灯火通明,几台计算机放置在房间角落的桌子上。靠墙放着一张台球桌,像大多数台球桌一样,上面堆了一些盒子和未使用的产品。

迈克于20世纪70年代初高中毕业,他的第一个老板将他培养为一名制图员。今天,很难相信,制造业曾经是一个繁荣的行业,对于年轻人来说是一个前途光明的行业。曾经,一个人通过在当地制造业企业工作就能获得很好的生活条件。

几十年过去了,迈克被解雇了,这家企业将其制造业外包出去,并将专业人员派到国家的其他地方。大约15年前,迈克和他的家人决定继续留在他们的家乡,尽管由于地区经济的不景气,工作很难找。

因为现在迈克的公司能够实现敏捷制造,类似的小型服务公司能够买得起他们自己的设备和软件。我们问迈克能否看看他制造业务的核心—3D打印机。他带领我们走上一段楼梯,期间我们小心翼翼地不断绕过那些围着我们、在我们脚边嗅来嗅去的狗。在他的客厅里,我们看到了墙角趴着一只懒洋洋打瞌睡的猫。在车库里,一台3D打印机正在等待下一项任务,样子比一台豪华冰箱更高一些,也更宽一些。

迈克告诉我们,3D打印机是使他的公司在客户产品开发过程中提供增值服务的关键设备,是设计者和工程师在现实生活中测试设计理念的高效而精准的生产设备。像迈克指出的:“拥有自己的3D打印机是我作为设计工程师实现增值的因素之一。”

迈克解释说他的工作是提供给企业一个“产品不同部分是如何连接在一起的高技能和高精确预测”,拥有一台3D打印机将使它成为可能。当迈克完成产品设计后,他首先用自己的3D打印机测试。设计打印出来以后,需要的话,再修改它。当设计满足他的要求后,他再给客户最终的设计文件。

在我们访问结束时,我们问迈克作为设计工程师,计算机和3D打印机是否改变了他的工作。迈克毫不犹豫地说:“绝对的。消费产品的设计过程以前需要1年,现在只需3个月。3D打印机的作用巨大。现在,我们能够为我们的客户生产越来越多的产品。”更快:从设计到产品交付的时间缩短了

随着我们的世界加速发展,企业越来越渴望缩短它们从设计到产品交付的时间。产品的生产时间是企业效率的关键衡量指标,即设计与完成最终产品之间的时间越短越好。3D打印机通过使设计师和工程师现场低成本、高效地生产产品原型缩短了产品交付时间。

原型是产品的初稿,它有助于设计师、工程师、营销团队和制造商进行多重检查,看一看设计变成最终产品时的外观、感觉如何。3D打印通常为汽车制造商提供产品快速成型服务。

汽车制造商通过使用3D打印机打印出设计理念,并且把它们提交给项目团队,这就节省了时间,甚至节省了消费者的时间。迈克向我们解释了快速成型的过程:“我们通常为汽车制造商的市场部门提供我们快速成型产品的照片和汽车部件的实物样本。我们给他们几个用3D打印机打印的部件,而这些用CAD模型很难有直观感受。”

我们访问迈克公司时,他正在设计一个新卡车的原型产品。之前原型产品需要一个内部的、专职的设计团队手工完成,而现在这种情况改变了。一些企业将它们的产品设计工作外包,只留下销售和市场部门。企业在国内生产某些汽车部件就比在国外生产成本低。

3D打印原型将慢慢取代手工泡沫或黏土模型。迈克的客户同时采用了这两种方法,他们雇用技工手工制作汽车部件的泡沫模型,同时使用诸如迈克这样的公司3D打印汽车部件的模型。迈克告诉我们,他的客户要求他先扫描泡沫模型,然后捕捉这些数据形成一个详细的设计文件。“今天我们将要携带扫描仪,还要去他们设计卡车的地方。”他说。

然而,在原型制作之前,无论该原型是手工制作的还是3D打印的,先要由市场和技术部门进行卡车设计。经过几次头脑风暴会议,新卡车的规格与产品定位逐渐清晰,销售人员和工程师将信息提交给设计师,由设计师制作几份详细的、逼真的概念草图。“很多决定都是在事情真正发生之前。”迈克说。图3–2 3D打印机打印出的实际大小的卡车驾驶室—各部件完整图片来源:Objet Inc.

一旦新的卡车概念草图获得批准,成型过程就开始了。原型为销售和设计团队提供了卡车各部分空间关系的总体感觉。在卡车的驾驶室里,仪表旋钮、车灯和其他部件的原型能够使产品经理体验到:对未来的消费者来说,这辆卡车的外观和感觉如何。卡车发动机的原型能够帮助机械设计师确保发动机是可以维修的。

以前原型成型是一个周期较长、成本高昂的过程,对于制造商来说,走捷径或者确信产品设计能够实现都是有风险的。“过去,我们的设计做得非常漂亮,但是当它们完成后,我们又会发现其他问题。”迈克说,“举例来说,如果你拥有一辆车,你就需要修理和加油。我们不能简单地在发动机上开一个洞加油,而且人的手也不合适。”

也许有一天,手工泡沫模型将成为历史。现在大多数企业完全跳过泡沫或黏土模型,直接采用3D打印原型。如果一家企业既使用手工也使用3D打印原型,手工原型通常先做出来,然后,像迈克这样的高技能服务供应商,将使用光学扫描仪或坐标扫描仪捕捉它的物理尺寸。

手工原型是一种艺术。“一些老的泡沫原型真的是很美的东西。”迈克说。3D打印原型也是一种艺术,汽车或摩托车彩色的3D打印模型看起来与实际产品无异。3D打印机可以制造复杂的和不常见的形状,使得设计师能够实现梦想、完成新颖的设计。而且,3D打印的速度更快。更便宜:降低产品开发成本

一些3D打印原型被企业用来展示设计概念,其他的原型被用来测试产品生命周期的其他阶段,以搞清楚如何实现产品部件的批量生产。“测试和调试”的3D打印部件将设计复杂的产品的内在缺陷最小化。尽管我们能更轻松地运用数字技术,但是它并不能代替我们亲自用手掂量实物。

测试和调试的原型可以是工程师在模拟生产过程中使用的一系列没有组装的部件。微软宣布之前绝密的产品概念(混合型平板/笔记本电脑“Surface”)时,全世界都为之震撼,媒体想知道微软在保密的情况下如何成功地开发了这款产品。通常情况下,公司在第一次宣布推出一款全新、前沿的技术产品时,其制造工厂都会流出一些神秘的照片。微软公司的硬件部门在一所大学校园里3D打印了机器原型,确保了产品开发的秘密进行。

测试和调试的第二个目的是确保工厂的机器能够按照设计理念制成实物。在工程产品设计课程中,学生花费几周时间在伟大的设计思想和工厂的现实之间进行取舍。厚厚的教科书详细地描述了在生产线上哪些设计理念行得通、哪些理念行不通,常见的成型机或者切割成型机难以制造中空物品、互锁部分或者具有复杂的内部结构的产品。但是,并不是所有的生产挑战在教科书的指导下都可以避免。

如果企业很迟才发现新产品的部件组装在一起不合适,那么先期投资就浪费了。3D打印测试和调试原型能够帮助手机产品设计者装配微小的硬件。助听器、汽车方向盘、剃刀、梳子和智能手机等必须具备舒适的手感,或者要非常贴合使用者。虽然设计软件和计算机模拟越来越先进,但即使最好的设计也不一定总是能够完全按照计划生产出实物。更好:生产出最佳的定制部件

定制的终端产品是3D打印增长最快的应用领域之一,定制的部件不是原型而是真正的产品。如果你登录社区论坛,家里拥有3D打印机的人可以交流想法、交换设计文件,如从门把手到浴帘环这样的标准的可替代部件。一些人用3D打印机打印门把手、齿轮、仿古品,或者手工制作成本极高的停产部件。

因为定制部件并不会从规模经济中受益,所以小规模、有技术的3D打印服务提供商开始寻找新的商机。汽车和摩托车制造商(甚至火星车制造商)都使用3D打印定制部件生产概念车或机器,毕竟价值百万美元的车辆用来试驾,代价太大了。

3D打印终端产品广泛应用于医疗行业和牙科产业,因为这些行业的产品必须和身体更紧密、精确地结合。最适合患者的牙套和牙冠以前要靠定做,现在越来越多地使用3D打印。对患者耳道或者残留的肢体进行扫描,根据扫描数据就可以将助听器和假肢打印出来。

航空公司在商用飞机中也会使用3D打印定制部件。下一次你乘坐新飞机时,可以看看座位上方可调整的导气管。飞机的导气管是一个需要高度定制、成本高昂且不能获得规模经济的完美案例,与牙刷尤其不同的是,每年新造飞机数量极其有限。

当我们参观位于中西部衰退地区的另一个小型服务提供商时,他给我们看了一个他一直拿着的半透明的、塑料的3D打印产品。这个产品看上去似曾相识,但是难以准确认出来,它和大蒜压榨机大小差不多,由几个带有互锁孔和齿轮的圆环组成。

我们认不出这个外表看起来奇怪的小工具,他的设计师后来启发我们:“这个是3D打印的747飞机的通气孔。”飞机制造商非常渴望减少零件装配,3D打印的通气孔部分能够被单独制造,其中已经包含了一些零件。按大小对市场进行排列:中国仅占8.5%

确切地说,我们不知道有多少小企业已经被吸引到敏捷制造服务市场中,然而存在大量的市场规模数据。增材制造业顾问和分析师特里·沃勒斯每年都会发布《沃勒斯报告》(Wohlers Report),这个报告的特点是市场和可用的数据,加上一些案例研究,这些案例是从全球范围内销售3D打印机或者提供或购买打印服务的前100家大公司中筛选出来的。《沃勒斯报告》洞察出增材制造业是一个金矿。对管理人员和记者来说,这个报告已经成为产业的非官方“国情咨文”分析评论。

特里·沃勒斯采访世界领先的3D打印公司时,他提出的一个问题就是谁会购买他们的3D打印机或者3D打印服务。他的研究显示消费电子公司是3D打印产品和服务的最大用户,接下来是汽车领域、医疗和牙科产业以及航空制造业。

沃勒斯的市场数据表明:美国的3D打印机大概占全球总量的40%;德国和日本的公司也在积极探索和使用3D打印机,3D打印机数量均占全球总量的10%;在中国,要发现可靠的能够证明中国在使用3D打印机的数据是很困难的事情。根据沃勒斯的数据,尽管中国在大规模生产方面占主导地位,但3D打印机数量仅占全球总量的8.5%。

购买3D打印机或者3D服务的公司往往具有很强的财务实力。然而3D打印产品和服务的市场规模仍旧微小,尤其是与主流制造业产品和服务市场年15万亿美元的销售市场规模相比。特里·沃勒斯认为2011年3D打印市场总规模为17亿美元。如果主流制造业的全球市场相当于一个沙滩球的大小,那么3D打印的全球市场则相当于一个乒乓球的大小。

另外,尽管17亿美元的产业规模对世界经济来说很微小,但这一市场可能并不像最初看起来那么小,像迈克公司那样的与制造业相关的小公司散布于全球制造业。事实上,美国人口普查局的数据显示,约1/2的美国制造业企业的员工少于10人,1/4的企业员工少于5人。虽然目前3D打印每年只有几十亿美元的产业规模,但是可能对未来的发展非常重要,而很多小企业年规模几十亿美元的现状却要延续很多年。图3–3 3D打印机每年的销售量注:2007年开始生产的消费性等级3D打印机的销售额(不足5 000美元)超过工业性等级3D打印机的销售额。资料来源:Wohlers Associates, Inc., and Tuan TranPham21世纪的空白画布

那些生产3D打印机的企业密切关注着敏捷制造业的新发展。我参观3D打印产业的龙头企业后,收获颇多。从外部来看,3D系统公司的总部与其他中等规模的技术公司一样,拥有700多名员工,从白色的大楼和玻璃的外观也看不出内部具有创造性的能量。

参观3D系统公司,走进等候区,就像走进现代艺术博物馆参观一个有价值的展览。干净的白色墙壁上展示着色彩鲜艳的3D打印物品。在房间的右侧,与游乐园碰碰车大小相近的流线型红色赛车自豪地停在底座上,在左边,展台上摆放着很多3D打印的玩具和机器部件。

在它们附近,摆放着两个3D打印出来的、全功能的、时髦的塑料电吉他。一把吉他是紫色的,另外一把是鲜红色的,由新西兰的奥拉夫·迪亚哥设计。吉他机身的设计是3D打印产品设计的非凡成就,为了减轻吉他的重量并最优化声音质量(并且使外观更时髦),吉他机身被设计成带有弯弯曲曲的切口和奇形怪状的空腔网格结构。图3–4 3D系统公司打印的电吉他图片来源:Olaf Diegel, New Zealand

3D系统公司的总部位于美国,它是销售3D打印机最大、历史最悠久的公司之一,可谓3D打印产业的“IBM(国际商业机器公司)”。3D系统公司从20世纪80年代开始销售高端3D打印机,公司的商业战略基于两个目标:第一是制造和销售强大的、高端的工业用3D打印机;第二是履行公司的承诺,通过建立全球端到端的平台帮助人们实现将设计理念转变为实物的想法,即提供“3D打印内容的解决方案”。3D系统公司投巨资于这样一个信念:人们将涌向很容易将数字内容转变为实物的第一个产品。

3D系统公司首席执行官阿贝·雷切托尔将3D打印比作“21世纪的空白画布”。阿贝将3D打印看作伟大的平衡器。“我认为:如果消除摩擦与恐吓,每个人都具有创造力。”他在公司新产品(一个光滑的、闪闪发光的低成本3D打印机,被称作“方块”)发布会上这样告诉记者。“方块”类似于家用高端咖啡机,它也是3D系统公司在家用市场范围的第一次冒险。方块非常漂亮,与其他家用3D打印机产品(比如MakerBot公司生产的颇受欢迎的3D打印机“复制器”)形成了鲜明的对比。

创新是公司的长期传统。在20世纪80年代中期,3D系统公司的创始人查克·赫尔发明了立体光刻,这项印刷技术现在被世界上许多工业级3D打印机使用。在参观过程中,我注意到,在接待处后面放置着一台老式SLA1,它是3D系统公司在工业领域长期以来非凡业绩的象征。它的外观与20世纪60年代老式的大型计算机主机相似,大小与自动售货机相当。SLA1是世界上第一台商业化的3D打印机,它静静地摆在那里,就在一堆老式的1987年的IBM PC机中。

接待处的桌子后面是几面玻璃墙围成的房间,几个人在里面办理公司的业务。透过玻璃墙,可以看到公司的会议室,它非常大,放着看起来非常庄严的深色办公桌。在另一个玻璃墙壁房间,穿着白色工作服的技术人员正在像护士照顾病人一样忙碌着,里面摆放着24台各种形状和大小的3D打印机—3D系统公司完整的打印机生产线的代表。技术人员对每台打印机的性能进行精细调整,并且测试新材料的性能。

3D系统公司客户部负责人拉杰夫·库卡尼解释说:为了带消费者进入这个领域,3D打印需要一个平台,一个跨越整个制造周期的平台,从3D扫描到设计,再到打印。拉杰夫说:“人们习惯使用谷歌,习惯使用微软,习惯使用亚马逊。我们使用这些战略当中最好的元素,并且将它们整合在这个平台上,使人们以同样的方式体验3D打印。”

3D系统公司的平台战略源于软件产业,在这个产业中,公司的市场地位、消费者的体验依赖于其建立和控制软件平台的能力。举个例子,微软凭借开发Windows系统和Office软件占据了办公平台的领导地位。在移动设备领域,苹果的iPad、iPhone以及iPod为消费者提供了直观、便于使用的产品,并且催生了以应用软件(app)的形式销售软件的全新方式。

为了建立它的平台,在过去三年中,3D系统公司在眼花缭乱的购买对象中筛选出了大约24家公司,这些公司代表了设计和生产过程的几个不同方面。一些公司提供设计服务,其他公司生产打印材料、生产打印机或创建内容和工具。例如,简单的界面帮助使用者设计简单的可3D打印的机器人。

拉杰夫继续说:“虽然3D系统公司擅长生产3D打印机,但我们的目标是为每个人带来完整的3D捕捉/创建/生产过程。这些不能仅仅通过为人们提供一台3D打印机实现,而是要通过提供给他们一个平台来实现。”

3D系统公司营销副总裁凯西·刘易斯在低成本3D打印领域具有长远的眼光。在2010年加入3D系统公司之前,凯西是桌面工厂公司(Desktop Factory)的首席执行官,这家公司是首批定位于家用和办公用3D打印机的公司之一。桌面工厂公司生产的家用3D打印机(与同期大多数工业用3D打印机不同)使用日常卤素灯的聚焦光线(而不是通过激光)打印尼龙。

1986年,当查克·赫尔创建3D系统公司时,并没有预料到之后的几十年里,家用3D打印机市场虽小,但会显著增长。当凯西·刘易斯第一次在电子贸易和工业活动展会上展示“方块”时,她没有想到不仅仅是消费者对此感兴趣,一些小型制造业企业也表现出了兴趣。“起初问我们能否将“方块”用于终端制造的人太多了,简直令人震惊。”凯西说,“我认为有必要在市场上帮助企业打破它们目前的范式,从新型制造业中获益。”

今天,3D系统公司持续追踪几个应用的变化趋势,这些趋势将影响3D打印业务的发展。公司认为,对每个人来说,云计算、大数据分析和强大的智能移动设备将催生新的创意和工作机会。这一切主要涉及为3D打印机寻求更有用的应用软件,使人们的生活更美好、更方便。“为了解决消费者的问题,你不得不关注应用需求。”凯西说,“这不仅是‘让我们制造更快更好的机器’,而且是‘让我们制造真正能解决目前存在问题的机器’。”研究杀手级应用程序

今天适用消费者的3D打印技术正处于“牛郎星时期”(Altair phase)。在20世纪70年代,第一代个人计算机(比如牛郎星)其实称不上计算机,只能算是一堆难以组装的配套组件而已,技术熟练的用户需要自己在家里组装。首批出售的几千元的低端打印机中,大多数需要用户耐心地安装,还要进行大量的调试工作,有时还需要进行故障排除。不需要用户自己安装的属于例外情况。

在我采访拉杰夫时,他描述了3D打印机主流应用最大的障碍:缺乏杀手级应用程序,或者非常受欢迎的应用程序。他说:“例如iPad,在iPad投产前,平板电脑市场正苦苦挣扎。它并不是最先进的技术产品,但是因为简单、便捷且易操作,引发了产业革命。如果我们关注应用而不是技术,我们将有更多的机会采用这种技术。”

一个杀手级应用程序,比如电子邮件、脸书和愤怒的小鸟,这些产品或工具创建了新的市场、新的商业模式,而且吸引消费者关注新技术,这些杀手级应用程序将数百万的新消费者吸引到个人计算机、互联网和iPad上来。为了开发自己的杀手级应用程序,3D打印产业需要用户友好的工具和应用平台,或者能够创建新市场和吸引数百万新用户的程序。

在某种程度上,因为缺乏杀手级应用程序,普通的消费者和小企业还没有动力购买家用或办公用的3D打印机。3D打印市场仍旧存在于制造业和工业设计中。如果全球范围内3D打印机和服务的产值相当于乒乓球大小,那么全球消费类3D打印机和服务的产值更小,大概相当于一粒米的大小。

投资顾问莫特利·富尔(Motley Fool)对那些开展消费类3D打印业务的公司的潜力持乐观态度。相反,分析师特里·沃勒斯态度谨慎,他警告说,尽管消费者愿意为漂亮的3D打印产品花高价,但“大多数消费者不会自己购买或操作3D打印机制作产品,他们会去[1]Shapeways、亚马逊或者临街商店购买这些产品。大多数人都不知道、也不关心这些产品是如何生产出来的—与他们现在购买商品的方式没有区别”。

但是有迹象表明,这个行业仍有增长的潜力。3D系统公司年报指出,2010~2011年,中小型个人或专业等级的(非工业等级)3D打印机的销售收入同比增长40%,该行业龙头企业都斥巨资创建用户友好平台和产品来吸引用户。在商业世界外,越来越多的社区生产商购买和配备家用3D打印机,并且与世界各地分享创新设计文件和免费的建议。艺术风格的小型3D打印公司可以通过设计和销售定制的、3D打印的机器部件、珠宝或者艺术品赢利。

未来,那些阻碍日常使用的技术限制和障碍将逐渐消失,关键在于使3D打印技术更有趣、更社会化,当然也更易于使用。这样的方法使人联想到苹果公司早期的消费者战略,几十年前,当个人计算机成为主流时,史蒂夫·乔布斯解释了为什么一般人喜欢使用苹果计算机:“大多数人没有自动变速器是如何工作的概念,但是他们知道怎么开车。你不必先学习物理,理解物体的运动定律,再开车。”如果3D打印行业开发了杀手级应用程序,并且创造出了一个充满活力的、用户友好的、端到端的平台,市场会呈爆炸式增长。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(不,是不可能)用三言两语解释清楚。图3–5 一个狭小、安静、堆满3D打印机的房间会成为未来的工厂吗图片来源:Dynacept

经过一个世纪的发展,今天,世界上大多数工业化国家存在两种不同的商业模式,像两条平行线肩并肩、永远不可能相交:大规模生产和手工生产。那些寻求新的市场机会的公司应当超越那些在一条平行线上或者另一条平行线上的产品或服务。由于大规模生产和手工生产的局限性,过去生产产品或服务的方式变得不切实际或失去盈利能力了。换句话说,机遇存在于商业模式而不再依赖规模经济。

想象一下,举个例子,如果汽车修理工(对他自己能否又快、又好、又便宜地修好汽车持怀疑态度)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。但是让我们假设这位汽车修理工坚持己见,无论如何也要完成他提出的计划。

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方案,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。汽车修理工将收银处老的标签写成:“我们可以为你做得又好、又快或者又便宜。请选择其中任意两个(如果你来这里不是为了购买3D打印定制轮胎)。”注释[1]Shapeways是一家总部位于荷兰的创新制造公司,它利用3D打印技术为客户定制他们设计的各种产品,包括艺术品、首饰和玩具等。——编者注第4章 3D打印的赚钱之道于3D打印最常见的一个问题就是,3D打印这项新技术是否会影响就业。最近我在一所中学发表对3D打印的未来的看法,关一个学生也问我:“3D打印能帮我找到工作吗?”

我有点儿惊讶并回答他:这个问题的答案没有那么简单。按照经验,像其他革命性技术一样,3D打印将以不可预测的全新方式改变就业前景。我问同学们是否听说过旅行社,少数人听说过。我告诉大家互联网是如何淘汰掉旅行社,如何开拓了旅行相关服务的新市场。同样的道理,3D打印技术将创造新的商业模式,淘汰旧的商业模式,一些工作会被取代,还会出现全新的职业。

这个学生很满意我的回答,但它引发了我的思考:他这一代人能够见证这些改变吗?如今,3D打印在工业生产中已成为主流方式,比如航空航天领域产品线上成批复杂的零件。未来,3D打印将会对经济产生更深远的影响。全球供应链将被灵活独立的小制造商取代,它们能够对变化的库存和市场需求做出快速反应。3D打印技术对经济最大的贡献可能是减少了试行新设想的风险和冲突,不过影响没有那么直接。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。

然而,由于大规模生产的基础是规模经济,因此大规模生产仍然是一个集中的流程,是一个以专业活动为中心的集中流程。生产主要集中在工厂,产品设计主要集中在专业公司。

对比过去几年电信行业的变化,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,一部公用电话能够满足几个街区的人使用,每个家庭只有一部固定电话。

今天,世界上大约60%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的全球网络,将可以合并成一个革命性的、强大的系统。

大规模生产仍然像电话亭,而不是手机网络。但是这会发生改变,像数十亿部手机一样,制造业有朝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。”[1]

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,博主的交流能力已超过大型媒体的记者。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,因为工厂的主营业务就是大规模地生产订书机,所以原料和机器早就准备好了。

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1 000个零件的定制摩托车,这些零件有的是金属做的,有的是塑料做的,有的大,有的小。

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。创客运动

人们将手中的新工具应用于日常生活时,现有技术将被颠覆,新的技术将引发革命。3D打印还不是家喻户晓的技术,但它在这个充满活力、不断增长的制造领域中已迈出了第一步。

创客运动就是DIY(自己动手)创新的活动。没有人确切知道“创客”这名称从何而来,但它已经存在。创客的概念就像软件公司的“超级用户”,又有点儿像“黑客”一样按自己的意志修改软件,创客喜欢按自己的意愿改进技术。

出版公司奥莱利是那些喜欢技术的人的晴雨表。2005年,奥莱利推出了《爱上制作》杂志,采访社会上足智多谋的人,报道在他们的后院、地下室和车库进行的精彩项目。奥莱利的这个目标是正确的。现在,《爱上制作》杂志已经发展为一本专门报道DIY活动的刊物。制汇节(Maker Faire)已成为一个喜欢自己动手或者喜欢他人动手制作之物的人士的盛会。黑客空间和“发明人的场馆”如雨后春笋般在世界各地的城市出现。

喜欢制造活动的人运用各种技术,而不仅仅是3D打印。一些人自己设计电路,制作服装、乐器,或设计制作自己的机器人。创客运动吸引了那些渴望生产工具的人,吸引了那些地下室里有自己的数控雕刻机和铣床的人。

是什么让人们渴望星期六下午组装3D打印机?是什么让人们渴望耐心地将微小的电子元件组装在一起,从而使他们的3D打印玩具独立行走?有很多原因。有些人喜欢动手,有些人(包括我自己)在解决具体问题的过程中享受到了乐趣,而不是将问题拖上几个月。快乐是一种强大的动力,但我认为还有更重要的。

创客创造美好的东西。浏览网络相册,或者上谷歌搜索“3D打印DIY”,你会看到打印出的怪物、火车套装模型、半透明的棋子。在制汇节上随便逛逛,你可以看到,人们在很短的时间里,利用有限的资源,展示出自己是多么心灵手巧。在2011年皇后区(美国纽约市的一个行政区)的制汇节上,有一个展览叫作“生鱼片会幕合唱团”,我对它记忆犹新,这一合唱团由250个定制的机电鱼和龙虾组成,这些机电鱼和龙虾在一辆车的顶篷上载歌载舞。图4–1 这个指示标志指向在纽约皇后区举办的“2010制汇节”

关于这些将自己描述为创客的人,还没有太多的具体信息能够表明他们的背景和动机。我读过一份调查报告—那是我见过的几份调查报告之一,调查人员调查了3D打印创客社区有多少注册者。有358人参与了调查,进行调查的是一个组织机构,名叫“在运动中制造”(Manufacturing in Motion)。

调查结果如下:创客有点儿像软件黑客,多数是生活在欧洲或北美的富裕的男士,女性创客的数量在7%左右;创客都受过高等教育,近60%的调查参与者至少具有学士学位。

本次调查涉及一个关键问题:你为什么喜欢制造?超过80%的人回答说,因为他们喜欢3D打印,因为这个爱好,还结识了其他喜欢制造东西的人。98%的调查参与者表示,用电子设备、软件和3D打印机制造东西会获得久违的乐趣。

创客运动的一个伟大之处在于,利润并不是核心动机。创客可以凭兴趣行事,可以承担创新的风险,因为他们不必对庞大的供应链、数千名员工和愤怒的股东等负责,也无须承担专业的设计师和制造商必须承担的巨大责任。创客运动的核心精神是社区、创造力、社会变革和解决问题。

创客运动本身并不能代表轰轰烈烈的工业革命的萌芽,然而创客在增进人们对3D打印技术的认识方面发挥了关键作用。创客像其他早期的颠覆性技术使用者一样,可能会在某一天向人们展示哪些事情是完全可能的。

这就很容易让人将3D打印技术与20世纪70年代的早期个人计算机运动或一场新的工业革命进行一番对比。我做了多次此类对比,这些对比很诱人,因为我们很难扼要地描述3D打印技术对社会造成的影响。

另外,3D打印技术像大型计算机一样开始在工业中使用。第一台个人计算机比较简陋,成本低,还需要组装。首次使用个人计算机的人就像是首次使用家用3D打印机的人。

还有一个复杂的因素增加了个人计算和工业革命的魅力,那就是:3D打印不仅是一种单一的技术,而且是一种广泛的、领先于其他技术的平台技术。3D打印技术像蒸汽机或电报这样的变革性技术一样,也会震惊四方。注释[1]《长尾理论》一书中文版已由中信出版社于2006年出版。——编者注体验经济

约瑟夫·派恩和詹姆斯·吉尔摩在他们的著作《体验经济》(The Experience Economy)一书中预言,未来公司的竞争优势将越来越依赖客户的体验度。派恩和吉尔摩在书中提到,经济历经了多个发展阶段,从最初的农业经济发展到工业经济,再到今天的服务经济。

在《体验经济》一书中,产品的价值某种程度上遵循产品给消费者提供的连续的体验度。商品产品(通用商品和不常用商品)对消费者至少是有价值的。产品对消费者来说虽然是枯燥的,但也是必需的,就像无处不在的自来水一样。洗洁精、门垫等产品虽然普通,消费者一方面离不开它们,另一方面又不太可能支付高昂的费用。

派恩和吉尔摩认为的商品或者独特而鲜明的产品对消费者更具吸引力,这些商品会是你最喜爱的名牌跑鞋或高科技自行车模型。上述商品都是服务型产品,消费者珍视服务型产品,这些产品效果明显,就像退税服务或做了一个漂亮的发型一样,效果立竿见影。

派恩和吉尔摩花了很大篇幅强调能够促进DIY创新的产品和技术的吸引力。按他们对价值阶梯的分层,处于产品价值阶梯顶端的是那些为消费者提供体验的产品,而在这些体验型产品中,最好的是变革性产品。体验型产品让人有直观感觉,就像你观看一场电影或做一次水疗一样,你能感觉到电影好不好看,水疗效果好不好。变革性产品对消费者有着深远的影响,这些产品不仅产生效益,而且对未来有着长远积极的影响。举例来说,一个大学生参加了为期数月的夏令营活动,或者获得了新的技能,这都让他受益匪浅。

在体验经济中,利润高的成功公司既销售产品也给消费者带来体验或转变。这些体验和转变引人注目且难以忘怀,对于此类产品,消费者愿意花钱并多次购买。

DIY给消费者带来丰富的产品变革体验,一方面让那些群体意识强的从业者有机会获取新的不太容易学到的技能,另一方面让他们通过设计和自己制造东西获得满足感。3D打印技术使我们超越世俗,突破传统的商品领域、打破沉闷的用户体验。一些当今领先的出售3D打印机或提供3D打印服务的公司,深层挖掘消费者对丰富、难忘和变革性体验的需求。MakerBot公司

MakerBot公司为客户提供了诱人的集创造性、归属感和技术挑战性于一体的混合体验。MakerBot公司销售的3D打印机的名字都非常好记,比如“Cupcake”(杯形蛋糕)和更流行的“Replicator 1”(复制器1号)和“Replicator 2”(复制器2号)。该公司的创始人之一布雷·佩蒂斯是一个营销策划人,他巧妙地塑造了公司的形象并扩大了公司的影响力。

我的一位朋友对MakerBot公司的能力赞不绝口,他认为MakerBot公司将一台枯燥的增材制造机转变成了一种友善、创意无限、好玩的尝试。“当想到MakerBot公司时,你就觉得有理由追随他们。”他解释说。MakerBot公司的忠诚而热情的客户经常访问其官网thingiverse.com,网站上热火朝天的讨论反映了公司有趣的DIY文化。

生活杂志为读者提供“假日食谱”,帮助读者欢度节假日,MakerBot网站则是提供打印项目和技巧,帮助客户庆祝纪念日、圣诞节和独立日等节日。MakerBot网站也创造了一些特殊的节日,比如“极客骄傲日”。为了更好地庆祝“极客骄傲日”,客户可以下载设计文件,打印特制的毛巾架、被碳封的汉·索洛的玩偶、黑色的时髦眼镜或极客钥匙链。图4–2 准备运往MakerBot公司位于布鲁克林基地BotCave的新型3D打印机

在我们写这本书的时候,MakerBot公司的业务正密集而疯狂地增长。公司总部从布鲁克林区工业区的小街道迁至曼哈顿市中心,这很容易让人误解MakerBot公司因为媒体的突然关注而一夜暴富,实际情况是,它的创始人亚当·梅耶、扎克·史密斯和布雷·佩蒂斯在这劳苦功高的几年里名不见经传,资金都靠家人和朋友支持。

当我走访MakerBot公司的总部时,现场工作异常繁忙。MakerBot公司最初成立时只有3个热爱DIY的人,如今成为家喻户晓且资金雄厚的公司。在斯蒂芬·科尔伯特的脱口秀节目中,亚当、扎克和布雷用3D打印机给主持人斯蒂芬·科尔伯特制作了一个头部塑料复制品,这开了业内先河。MakerBot公司展现的形象有趣且极具吸引力,亚当、扎克和布雷在电视节目里与众不同的表演,这些都使得MakerBot公司销售收入不断增加。

MakerBot公司的成功之处不在于它的技术。为了将价格保持在消费者可承受范围内,它的3D打印机均采用塑料制作。MakerBot公司的成功在于它的娱乐性,将设计和制造变成对客户来说平等、有趣且充满变革性的体验。Shapeways公司

随着功能强大的设计和生产工具的日益普及,专业人士和业余爱好者、买方和卖方、设计师和消费者之间的界线逐渐模糊。如果说MakerBot公司是3D打印机的供应商及体现自由奔放的创意和在线社区,那么Shapeways公司则代表创新型设计市场。Shapeways公司是一个基于网络的社区/市场,为设计师托管店面,为客户托管以设计文件发送过来的3D打印产品。

Shapeways公司的总部设在荷兰,2011年搬到了纽约。和MakerBot公司一样, Shapeways公司正在迅速成长。2012年年底,Shapeways公司在长岛开设了一家拥有50台3D打印机的工厂,这让出席开幕仪式并用3D打印制作的剪刀进行剪彩的当地政府官员兴奋不已。

我们参观了Shapeways公司在纽约的办公室,和MakerBot公司一样,现场气氛愉悦,但一片繁忙。高大的曼哈顿中期时代的办公大楼大堂里散落着木制脚手架,大堂及电梯里的Shapeways公司名也被不明人士涂抹了。经过几次无果而终的上上下下,我们终于在九层找到了Shapeways公司。

Shapeways公司的共同创办人罗伯特·斯温伯格在门口迎接了我们。我几年前曾在艾恩德霍芬见过他,当时Shapeways公司只有几名员工,“工厂”位于一个乡村工业园区的建筑物里,里面只有6台打印机。罗伯特热情地迎接了我们,并为我们提供了热咖啡。咖啡杯是3D打印的,造型很奇特,有6个手柄。图4–3 Shapeways公司用3D打印机制作的咖啡杯(可使用)

2007年罗伯特和其他两位创始人共同创办了Shapeways公司,之前他在一家咨询公司担任白帽黑客,负责入侵公司的计算机网络找出安全漏洞。在罗伯特看来,辞去咨询公司的工作、组建3D打印服务公司非常有意义,“这家公司为个人制作提供平台,向专业人士和消费者开放”。罗伯特认为消费类3D打印的未来基于以服务为导向的“平台”的理念,而不仅是在家中制造。“Shapeways公司像亚马逊的平台,是人们推销自己产品的窗口。”罗伯特解释道,“2002年,杰夫·贝佐斯给亚马逊员工发送了一份内部备忘录,里面提到亚马逊打算成为一家平台公司。”贝佐斯这一在当时将改变电子商务未来的指示是这样下达的,公司内部的各个团队必须通过应用程序接口向他人或外界公开他们的数据。十多年后,亚马逊成长为互联网上最大的电子商务平台,产品供应商、存货商和其他软件公司均可自由访问此平台。

平台战略有可能引导Shapeways公司的商业模式,它的神奇之处就在于设计师的艺术性和广泛的材料选择范围,人们在打印时有很多选择。如果你买了自己的3D打印机,就可以在不同颜色的塑料材料中做出选择。我们写作这本书时,Shapeways公司就可以提供25种不同的打印材料供客户选择。Shapeways公司出售商品的范围极广,从设计师马克·布卢姆菲尔德为客户定制的魅力手镯,到弗朗切斯科·德科米泰的抽象艺术。Shapeways公司的网店业主们也开始真金白银地赚钱了,其年收入可达数十万美元。

Shapeways公司的设计师和消费者目前尚未涉足日常用品的打印,例如汽车零部件、印刷或制作注塑模具。想要实现这些产品的实际生产,依赖于另一家开创性的DIY业务公司100kGarages。100kGarages公司的客户遍及全球,既有技术纯熟的业余爱好者,也有兼职的专业人士。100kGarages公司的创始人特德·霍尔和比尔·扬建立了一个在线社区,供买卖双方交流,创客和买家可以把产品制作成“想要什么样,就是什么样”。100kGarages公司

特德·霍尔说:“没人专门从事为别人制作东西的工作。”很多积极的用户都是专业的小生产公司,配置一台数控雕刻机或一台3D打印机,希望赚一点儿外快。特德说:“但是,我们从制造商和消费者那里听说,他们通过100kGarages公司在网上建立联系,然后在线下签署更大的合同。”

100kGarages公司最初的两家客户是Ponoko和ShopBot Tools,这两家公司通过100kGarages公司建立了合作关系。100kGarages公司的运营模式是消费者在网站上发布项目需求,创客和专业的制造商进行投标。Ponoko公司是新西兰一家聚合器厂商,从事聚合器的定制设计和制造业务,它喜欢把自己描述为“世界上最简单的决策系统”。ShopBot Tools公司的总部设在美国,制造和销售数控机床。

虽然互联网已使专业社区之间彼此相联,但特德和比尔发现在可能的情况下人们还是愿意就近选择。100KGarages公司的客户并不根据距离选择他们的制造商。但是,特德解释说:“人们在东西设计出来后,还是喜欢选择本地制造商帮他们制作模型。如果产品最终得以出售,那么他们会在客户附近寻找商店销售,这样就能够使用当地的材料以节约成本。”

类似贝宝的便捷支付方式促进了网民之间的网上交易,但小厂商因为无法预付材料费而很难从中受益。特德解释道:“大部分制造商希望先收钱再付货。”

另一种能促使互联网经济发展的技术就是进行互联网用户评级。特德说:“我们无法认证。制造商证明自己最好的方式就是在网站上发布他们的作品。卖家通过作品证明自己,买家通过信用评级证明自己,这才是一个行之有效的系统,将促进互联网经济的蓬勃发展。”打印产品有经济效益吗

新技术和新商业模式在互联网上迅速推广,大有燎原之势。与此相反,制造业的创新却是一个非常缓慢且谨慎的过程。布鲁斯·克雷默是美国国家科学基金会的项目负责人,他长期以来一直热衷于3D打印和个人层面的制造工具。他的体会是制造业的创新风险极高,高得甚至令人生畏。他解释说:“制造业的创新需要新技术,使其能够规避风险,更像互联网及软件社区。”

如今大规模制造业是世界经济发展的支柱,但仅仅是它的规模、复杂性和实际物流就使创新具有一定的风险。大型制造企业在创新方面必须谨慎行事。制造业的核心思想就是减少营业成本,遵守环境和工作场所规定,并有效地将货物从一个地点运送至另一个地点。

3D打印技术降低了新产品推向市场的风险和成本。前期投入减少使很多小型制造商能够一次生产几个产品以响应客户的需求,并扩大适销产品的产量。例如,生产一个手机套如果采用传统的注塑模具,最少需要投入10 000美元的模具费。这笔初期投入必须通过极大的销量冲抵,更重要的是,这种成本形成了“创新阻力”,使小创意无法得到实验,除非成本被抵消。但是,就像进化论生物学家告诉你的那样,大的突破性创新往往是由很多小创意组成的。

3D打印使很多小想法的尝试成为可能。小公司或个人可以小批量地制造和销售某种未经测试的产品,先观察市场的反应,这样就降低了财务风险。通过这种3D打印技术,企业不需要像目前的制造环境一样,购买机械设备和基础设施开展新的投资。从零起点到规模化生产:3D打印兼职也可做到

创新阻力并不只是大企业的烦恼,也是个人发明者需要特别关注的。任何行业中的新商业模式都需要被民主化的制造工具激活,个人制造工具将企业家从密集的资本资源和技能中解放出来。未来的企业家将能够比以往尝试更多的新产品和新商业模式,而几乎不需要任何前期投资。图4–4注:马克·肯德里克设计和销售的独特的不锈钢火车零部件模型。图为Shapeways公司销售的3D打印“排障器”。图片来源:Mark Kendrick

有新业务想法的企业家将能够向企业及潜在投资者证明他们的想法,或者推迟投资的必要。这种商业模式通常被称为“从零起点到规模化生产”,降低了准入门槛,使制造和零售更加大众化。

如今推出一个新产品需要制造商进行大规模制造:工业级制造机器一次不能只制造一个产品。希望成为企业家的人必须采购大量材料和机器设备以实现规模经济,而且还要为必要的零售货架空间埋单。

3D打印技术可以使人们在从事日常工作的同时,探索他们创新产品的市场潜力。小公司不需要投资购买昂贵的机器、租赁可能根本用不着的货架空间或聘请专家技术支持,从而没有这些方面的财务风险。生活在发展中国家、没有足够资本的人也能够在当地制造中心开展生产,而无须支付基础设施费用,因为他们可能永远也不会使用这些基础设施。

3D打印降低了业务启动成本,为企业家提供了成本更少、风险更小的市场路径。企业家可以先3D打印一两个产品样本,观察他们的创意是否具有市场潜力,而不是一开始就筹建工厂。如果第一批样品销售成功,他们可以制造更多的产品,也可以按照客户的要求修改设计。如果需求持续增长,他们可以将生产扩大到传统工厂的规模,或者投资加大3D打印量。FabApp:就像iPhone应用程序一样

3D打印的未来设计将来自意想不到的地方。比如你想设计并3D打印一把更好的发梳,你不太可能设计出一把好看的、符合人体工程学又安全的发梳,尽管发梳看起来是一个简单的产品,但仍需要多年的经验和技术才能设计成功。然而,随着3D打印机的出现,人们即使没有经验也可以设计自己的产品。

未来3D打印的设计可以来自可下载的制造应用程序,即FabApp(这个词是由我以前的学生丹尼尔·科恩和杰夫·利普顿创造的)。一个FabApp就像一个iPhone应用程序一样,其中涵盖一小部分应用,但可以为购买者带来定制化和易用性的完美平衡。

购买一个FabApp需要99美分。你可能会为某一特殊需求而购买一个FabApp,比如你想为你的自行车手柄定制一副把套。你在线购买一个FabApp,它会在设计过程中提供指导。你上传一张你的手的照片以及你的自行车手柄的快速光学扫描(确保完美的贴合),最后一步是选择一种颜色和材料,点击“打印”,几分钟后你就可以自豪地拥有一副全新的完美贴合的手柄把套了。

FabApp还将为未来的专业设计师提供一种新的业务模式,也就是将设计师的专业设计知识融入分布式制造这一成长型经济中。像iPhone应用程序一样,FabApp将产生新的经济。定制化打印应用程序将在那些有限而复杂的市场中发挥优势,而这些市场可能太小,不足以吸引那些大型制造企业,但却足够为小型企业和个人提供机会。连续定制和产品多样性

为什么有些技术惊天动地,有些技术则悄无声息,对我们的生活没有一点儿影响?新兴技术出现后,曾经高昂的成本、距离和时间壁垒都迎刃而解,这时创新也应运而生。3D打印的出现使两项高昂的成本消失,即定制成本和产品造型成本。

定制产品很贵,相应地要想使产品多样化也花费不菲。公司不能完全满足客户对产品种类的需求,要弄明白客户喜好什么样的产品,不仅花费巨大,还容易出错。

能提供定制产品服务的公司不仅速度慢且费用不低。一般的公司可能也能开展这项业务,但目前这一可能依然未知。要想定制复杂的产品,不仅需要多种选择,还要适应不断变化的市场,因而传统的市场调研方式已无法适应当今的市场趋势。

这一现象在创业公司身上尤为明显,因为它们根本买不起传统的市场研究工具。在埃里克·莱斯的著作《精益创业》(The Lean Startup)中,他建议企业探索和尝试多个思路,并在运作中调整战略。莱斯认为,创业公司应进行一系列稳定的小规模的精益尝试。

3D打印技术将帮助企业快速进入市场,对新产品进行测试,以适应不断变化的市场需求。通过3D打印各种类型的定制产品,企业可以提供给客户多种选择。传统工厂生产的产品要想改变,需要大量的金钱投入。即使是在工厂小批量生产,对此种需要反复和持续的市场测试的产品来说,依然花费巨大。

试想一下,你刚刚创立了一家新公司。你出售软件产品,但不确定有多少客户愿意购买该产品或者客户需要产品具备哪些性能。莱斯建议,创业公司提供不同类型的产品,向不同的客户报不同的价格,然后公司收集数据,改变产品参数,然后再次投入市场。数据收集的模式需要显示产品的最佳性能,并选择最合适的产品定价。

按照惯例,对数码产品来说,这种动态尝试更容易实现且成本较低,关于用户的偏好和购买习惯的数据比较容易获得。对于实物产品,实时测试产品的变量就变得很难实现,并且用户的数据更难以收集。

如何把好的原则应用于实物产品呢?试想一下,你的公司出售手机套,你想比较两个手机套,一个后面印有星形图案,另外一个则是普通的手机套,上面没有任何图形。你可以同时销售,看看哪种手机套销量更大,但在此之前,你需要把两种手机套都实际生产出来,并为生产所需的两种不同的注塑模具埋单。

有了3D打印机,你生产1 000个不同图形的手机套与生产1 000个图形相同的手机套一样容易。你可以提供种类繁多的不同图形的手机套,在你的网站上架销售,看看销量如何。

有些图形的手机套的成交量可能为零,有些可能销量很少。最后,你可以知道哪种图形的手机套卖得最火,这就是经过证明可以投资的手机套。

一个月后,你可以重复这个实验,把那些无人购买的产品下架,并对受欢迎的产品进行调整和改良。达尔文的进化论和自然选择就是这样,你可以不停地改进你的产品。

这样的过程只有在3D打印机形成规模经济后才能成为可能,目前3D打印机因其制造产品周期短且不需要太多前期投资而广受追捧。这是一种全新的方式,你可以迅速发现哪种材料可以制造成产品,哪种不行;哪种产品受欢迎,哪种没有市场;哪方面需要改进,哪方面表现出色无须改进。这就是快速适应性。

多样性是一把双刃剑,需谨慎使用。随着3D打印机可以为客户提供种类繁多的实物产品,我们也可以开始体验已经有点儿超过正常范围的多种选择。然而为客户提供太多的选择也要注意适度,否则会适得其反。性和娱乐

小批量生产的定制产品以高价出售,对于性行业来说很理想。性和色情加速了早期互联网的发展,事实上,一些人认为流媒体视频技术(在此之前是VCR)迅速发展的强大动机之一就是为色情客户提供更好的体验。视频游戏是另一经济巨头,有些人认为,游戏技术是改进图形显示技术的主要推动力。

总有一天,3D打印技术会应用于性行业和视频游戏行业。人们不愿在别人面前承认这一点,但是人们会经常谈起有人用公司的3D打印机打印了一个性玩具,或者他们会说,公司的3D打印机需要使用的某种聚合物材料总是不够用,原来是因为有人下班后用公司的材料打印性玩具。

哪里需求强烈,哪里就有利可图。这是距我们一步之遥的商业模式,但是目前为止,3D打印领域领先的企业还是审慎地远离性市场。

当第一家3D打印性用品商店出现的时候,应该是很有趣的。人类的创造力是无限的,如果在自己家中,人们具备制造独特新颖玩具的能力和相关设备,再加上扫描技术、简单的设计软件和机器人,那么各种可能都会出现。微型金融和微型工厂

小额贷款、小额信贷和小额交易是一种新兴的微型金融经济。由于通信技术和网上银行可以快速处理国际交易,小规模交易才得以实现。与大额投资相比,多笔小额投资更容易实现。在某些地区,多笔小额投资可以比几个精心挑选的大额投资产生更大的影响。

传统的放款人往往更愿意将资金投给信用记录好的借款人,然而一些有天赋的企业家、发明家和制造商往往缺乏这样的记录。

小额贷款减轻贫困的潜力巨大。世界各地都有一部分人群很难获得贷款或投资进行创新,比如妇女、少数民族和贫困人口,但获取途径更容易的小额贷款改变了这一切。

截至2009年,估计有7 400万人获得了小额贷款,总贷款额为380亿美元。还款率是95%~98%,这比一些大银行甚至是国家的还款率还高。

小额融资战略可以直接和未来的商业典范(微型工厂)相媲美。微型工厂得此名,是因为其物理规模小、生产规模小。但是,微型工厂可以使用小额投资减少投入的时间,从事全方位的分散业务。像小额贷款一样,微型工厂可以产生积极的经济影响,改变低收入群体的现状,使弱势群体获得应有的公民权。

相关的社会发展趋势有利于微型工厂的成长。通过使用开源代码的协同业务模型,微型工厂可以获得必要的专业知识和工具。通过在线大众外包,微型工厂可以探索新的思路。通过大众融资,微型工厂可以为新思路筹集资金。

以后,经济发达的国家不能再依赖通过大规模生产产生利润的经济模式。低工资的制造工作和低利润的商品生产将继续转移至低劳动力成本的国家。3D打印技术将帮助企业建立新的商业模式,开拓未来经济中能盈利的职业。为了生存,企业必须追求价值链的高端,制造和销售高利润的产品和服务,为消费者提供个性化和革命性的体验。第5章 3D打印机是如何打印的章内容主要针对那些喜爱技术、希望挖掘3D打印过程中机械奥秘的读者。对于其他读者而言,阅读过前面介绍的3D打印本技术的简要说明后,完全可以理解本书的其他内容。所以,如果你对本章内容不感兴趣,可以跳过,直接阅读本书的其他章节。

3D打印的正式名称为“增材制造”,这非常恰当地描述了3D打印机的工作原理。“增材”是指3D打印通过将原材料沉积或黏合为材料层以构成三维实体的打印方法,“制造”是指3D打印机通过某些可测量、可重复、系统性的过程制造材料层。

一台3D打印机可以小到放入一个手提袋,也可以大到一辆微型面包车大小。3D打印机的造价可从几百美元到50万美元不等,它们共同的特点是按照计算机的指示将原材料按层堆积以形成三维物体。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。”

ABC成像公司成立于1982年。大约5年前,公司聘请了约翰管理其不断增长的3D模型和快速成型业务。约翰于20世纪90年代在莱斯大学学习地质学和地球物理学,他在一家生产三维地图的公司工作时接触到了3D打印。

在ABC成像公司位于华盛顿的总部,从精心设计的网站到主会议室完美无瑕的顶级斯堪的纳维亚风格办公桌,无处不彰显着公司的品位与对细节的关注。ABC成像公司已从一家华盛顿的打印店成长为在全球拥有35家分店和550名雇员的公司。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。员工们身着商务休闲服饰,正在维护几台嗡嗡作响的大型工业级3D彩色打印机。

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。在华盛顿总部,其小型3D打印“工厂”位于主生产区几个工位后面的小角落。这个灯火通明的玻璃房曾是公司的小厨房和员工休息室,房间里两个中等规模的工业级3D打印机基本占据了一面墙。

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既无法用注压成型这样的传统塑料加工技术实现,工匠也不能用雕刻工具以其精湛的技巧将模型从塑料块中雕塑出来,传统的硬纸板模型也不能胜任。如果要雕刻出游廊柱子后面的开阔空间,柱子就会在压力下折断。

约翰想在打印创作方面不断突破,想制作更精致的物体。他说:“3D打印让你可以制造一些令人称奇的模型和零部件,一些用3D打印制作的几何体是无法用其他方法制作出来的。”图5–1 3D打印的最终模型:一座古老的修道院图片来源:Midwest Studios. Photo:Ed Watson3D打印机的两大家族

向人们介绍3D打印时,我经常会说3D打印有两大家族,第一个家族通过沉积原材料层制造物体,第二个家族通过黏合原材料制造物体。

第一个家族我们称之为“选择性沉积打印机”—将原材料沉积为层,这类打印机通过某种注射器或打印头注射、喷洒或挤压液体、胶状物或粉末状的原材料。家庭或办公室应用的通常是沉积型3D打印机,这是因为激光或工业热风枪相对来说容易产生危险。

第二个家族是将原材料黏合在一起(不是放置或沉积)的打印机,通常是利用激光或在原材料中加入某种黏合剂来实现,这类打印机被称作“选择性黏合打印机”—利用热或光固化粉末或光敏聚合物。不知道你是否还记得那个推销员的话,他告诉我和我的同学:他是在一台机器上利用激光打印出他的模型的。喷射、挤压或喷雾打印机

首先,我们探讨使用打印头沉积原材料的选择性沉积打印机。所用原材料可以是遇到打印台就会变硬的软塑料、原始的饼干面团或是特殊医疗凝胶里的活细胞。如果你在媒体上看到过诸如MakerBot的消费类3D打印机,你可能已经见过上述这种打印机了。

这类打印机所应用的打印技术的正规学名是FDM(熔融成型)。FDM打印机是斯科特·克伦普于20世纪80年代发明的,他凭借该技术创立了公司。如果一台机器被称作“FDM打印机”,那就意味着这台打印机会通过打印头挤出某种软质材料。

打印头开始工作前,这种类型的3D打印过程已经开始了数个步骤。第一步是定位软件设计文件,该文件可以告知3D打印机的内置软件(就是常说的“固件”)需要打印什么。一旦设计文件准备就绪,用户便将笔记本电脑连接到打印机,并将设计文件保存为能被3D打印机的内置软件读取并使用的特殊格式(我们稍后将详细解释转换过程)。图5–2注:白色的物体正在被打印,如果仔细观察可看见锥尖在接触白色部分的顶层并挤出细缕白色塑料。黑色塑料是打印的支撑结构,稍后会洗掉。图片来源:Stratasys Inc.

一旦打印机固件开始读取文件,它将计算出打印头的机械路径和动作。例如,打印头需要知道在哪里沉积出外形的轮廓,以及在哪里喷射多少材料等。

3D打印机固件完成操作计划后,物理打印过程就可以开始了。沉积材料的打印头通常沿着一系列的水平、垂直轨道(工程师们称作“桁架”)移动。沉积第一层时,打印头先勾勒出要打印物体的轮廓。第一层勾勒出物体的基础,就像在咖啡杯底部用铅笔描画出其形状。然后打印头来回扫描以填充轮廓,就像孩子在图画书中按形状填充颜色一样。

第一层打印完成后,打印头会略微抬起,然后回落并开始第二层打印。3D打印机持续重复该过程,耐心地打印出设计文件所描绘物体的每个横截面,这一过程可能持续数小时甚至几天。

3D打印家族的这个分支的优点在于其打印技术可以简化为技术含量相对较低的版本。简化版本的成本低、可使用的材料范围广。任何可以通过喷嘴挤压的原材料都可以进行3D打印。霜状白糖、奶酪和饼干面团是热爱美食的打印爱好者喜爱的原材料。另一种新兴的打印材料是“活体墨水”,它是一种特殊医疗凝胶中的活细胞混合物,医学研究人员使用这种医疗凝胶研究生物打印。

制造公司和设计公司使用昂贵的大型3D打印机,选择性沉积是家庭、学校或办公室的理想选择。即使是低端的3D打印机运行起来也很安静,而且它们使用相对低温的打印头,和高功率激光3D打印机相比,操作更安全。

选择性沉积打印机的主要缺点在于它只能打印可以通过打印头挤出或挤压的材料。熔化的金属或玻璃必须在不同的条件下成形,目前市场上大部分选择性沉积打印机使用的材料是为其特制的一种塑料。3D打印塑料以意大利面状的细条形式按卷出售,其末端直接连接打印机,在打印机中融化并通过打印头挤出。

Polyjet打印机

Polyjet打印机是选择性沉积打印机中最年轻的成员,它由以色列一家名为“Objet Geometries”的公司(2012年与Stratasys公司合并)开发。Polyjet打印机借用了3D打印家族两个主要分支的技术,其打印头将液态光敏聚合物喷射为很薄的层,再通过UV(紫外线)光将其固化。

使用Polyjet打印机打印的好处是喷射的液滴落下后可快速、精确地形成16微米的薄层(参考:一个红细胞的直径约10微米)。Polyjet打印机的精确度高,因此十分适合应用于注重高分辨率形状和快速打印的工业或医疗行业。Polyjet打印机可同时使用多个打印头,因此可以在一个单独的打印作业中使用多种材料。图5–3 Polyjet打印机制造的本书封面的候选样式

Polyjet打印机的主要缺点在于其所使用的打印材料的固有局限性,它使用的是一种被称作“光敏聚合物”的塑料。光敏聚合物是一种能对UV光产生反应的、高度专业化的昂贵塑料。塑料是最耐用的制造材料之一,但大部分光敏聚合物仍十分脆弱易碎,这限制了其应用范围。

激光工程化净成形

选择性沉积打印机家族的另一成员是LENS(激光工程化净成形),将材料粉末吹入精心引导的高功率激光束。错过光束的粉末会落在一边,遇到激光焦点的粉末会立即融化并融合到增长部分的表面。因此,当激光的焦点扫描过打印对象的轮廓,打印头吹出更多的粉末时,部件就会一层一层地逐渐增长。

这种工艺的优点在于它可以用硬质材料(例如钛和不锈钢)制造物体。这种金属“打印”发明之前,由于3D打印只能使用塑料(聚合物)材料,因此大型产业并不是很重视3D打印。像LENS这样的金属打印工艺出现后,航空航天、汽车等大型产业开始对3D打印产生兴趣。现在,通过LENS技术,人们可以使用硬金属材料制造复杂的物体,例如具有内部冷却通道的钛涡轮叶片。图5–4 金属粉末吹入激光束,遇到焦点的粉末融化并逐渐形成金属部件图片来源:Richard Grglls, Optomec, Inc.

由于多个打印头可同时向激光束吹粉末,可以同时使用多种基础金属按不同的比率“打印”合金(混合金属),该比率甚至可以根据打印头的位置调节,生成各种级别的合金。

分层实体制造

最后介绍的一种选择性沉积打印机是LOM(分层实体制造)打印机。LOM打印机不使用打印头生成层,而是像它名字所描述的,将材料薄片层压成一个单独的三维实体。

LOM工艺由设计文件开始,进行打印工作的不是打印头而是刀具或激光束。在设计文件的指引下,刀具将实体外形的轮廓从纸、塑料或金属的材料薄片中切出。想象将一个咖啡杯放在一张纸片上,沿着杯底的形状切出轮廓。

切完一张薄片后,LOM打印机将切出的部分放至一边,铺入一张新的黏合薄片开始下一层的切割。打印机将切好的纸、塑料或金属薄片堆叠在一起,当制作对象的所有横截面都切好后,将这些切片层按压融合为一个三维实体。LOM打印机制造的一些铝箔模型是利用强大的超声波振动使片材之间产生摩擦力,从而整合为密实的整体。融合、凝固、黏合式打印机

3D打印机的第二个主要家族是由使用选择性黏合工艺的打印机构成的,这种工艺将原材料融化或凝固为层,许多早期的商业打印机使用的就是这种方法。需要指出,该方法的两种变体得到了广泛应用:SL(立体光刻)和LS(激光烧结)。

立体光刻

SL(立体光刻)是最早商用的3D打印方法之一。想象一下,一个装有液体聚合物的小桶放置于公寓冰箱大小的打印机内部,打印机在一种特殊塑料的表面扫出一束激光。这种塑料是光敏聚合物,当其暴露于UV光下会硬化。每次激光扫描循着所打印形状的轮廓和横截面逐层进行。

每次激光扫描后,可移动的台面会将已打印的部分下沉1毫米。打印的部分下沉到液体中,新的光敏聚合物覆盖其顶部。有些SL打印机以相反的方式工作,激光向上瞄准聚合物,然后抬起(而不是下沉)打印的物体使其底部(而不是顶部)被新鲜液体浸没。

物体通过该方法3D打印出来后,还有其他工作需要做。多余的材料需要洗掉,有些物体表面还需要手工打磨,有时还要根据打印需求将物体放入紫外线“微波炉”中进一步固化。

SL打印的优势在于激光作业快速、精确。多束激光可并行工作,其分辨率比挤压式3D打印头更高。当今的工业级3D打印机可生产出精细的模型和零部件,层薄仅为10微米,比一张薄纸片还要薄。随着光敏聚合物原材料质量的提升,以及应用范围的不断扩大,SL打印机可生产出更多具有特殊材料属性的物体。

图5–5 UV激光循着连续的横截面形状扫描,被固化的部分慢慢地沉入桶中图片来源:Solid Concepts Inc.

SL打印的缺点在于吸入未固化的光敏聚合物粉尘会中毒,而且光敏聚合物并不像工业注塑成型所使用的热塑性塑料那样结实耐用。由于维护SL打印机的激光器十分复杂且成本高昂,对于大多数家庭用户来说,SL打印机过于昂贵。但是使用来自蓝光光盘的低成本UV激光器的廉价机器市场可能会有所增长。目前的SL打印机一次只能打印一种材料。图5–6 这是世界上最早的3D打印成果,所用的SL技术可追溯到20世纪80年代图片来源:Chuck Hull

激光烧结

选择性LS(激光烧结)由得克萨斯大学研究员卡尔·德卡德和约瑟夫·比曼于20世纪80年代发明。选择性LS使用类似于SL打印机的技术,所不同的是其不使用液态光敏聚合物,而是使用粉末。

和SL一样,很多人很难将LS打印工艺视为一种“打印工艺”。这种打印机以高功率激光束在粉床表面扫描,激光照射到的粉末融化,打印机内部的滚筒在粉床顶部刷上一层新的粉末并将打印台降低1毫米。

用粉末代替液体材料进行打印有其优势:一个用粉末打印出来的物体不太可能在打印过程中倒塌,因为未熔化的粉末可作为其内部支撑。在一些情况下,未使用的松散粉末可回收再利用。由于大部分原材料都可制成粉末形式,比如尼龙、钢、青铜和钛,因此粉末材料应用范围更广。

就缺点而言,使用LS打印机制造的物体表面往往不光滑、多孔。目前LS打印机还不能同时打印不同类型的粉末,不适合家庭或办公室使用。由于某些粉末若处理不当会引发爆炸,所以LS打印机必须使用氮气填充密封腔。图5–7 一束激光正在熔融金属粉末,打印过程完成后物体最终被埋在粉末下图片来源:Solid Concepts Inc.

最后,LS打印是高温过程,刚刚打印完的物体不能立刻从机器中取出。视打印层的尺寸和厚度的不同,大型物体可能需要一天的冷却时间。

三维打印

根据另一易混淆的命名惯例,3DP(三维打印)使用一种称作“三维打印”的工艺,其通过打印头将黏合剂或某种胶挤到原材料粉末中。3DP是在20世纪80年代由麻省理工学院的学生保罗·威廉姆斯和他的导师伊莱·萨克斯教授发明的。

那时,商业类增材制造系统使用激光或有毒的打印材料,而且整个系统体积有小卡车大小。早期的增材制造机器操作复杂且价格昂贵。由于3DP是个受欢迎的替代品,因此麻省理工学院在后来将3DP的相关技术申请了专利并授权给了几家公司(这些技术后来成为世界上很多商业类3D打印机的基础)。图5–8 彩色3DP工艺将彩色胶水喷至淀粉基粉床上,然后再涂一层新的粉末并重复此过程图片来源:David McCarthy

3DP的突破性在于它的简单。保罗·威廉姆斯对于3DP的愿景相当大胆,特别是在当时那种技术现状下。保罗在他的硕士论文中写道:“台式机生产的目标是只需要按一下按钮就可以制造零部件,而无须其他操作。”他设想作为台式制造系统的3DP将是精确、快速、廉价和易于使用的。

今天,3DP已经实现了其创始人的愿望,成为一种流行的、成本低廉的3D打印方法。由于3DP打印机通过在原材料内挤入胶水生成层,所以并不需要激光,而且有很多原材料可以使用。3DP打印机不需要高功率的组件,因此其操作的能源效率高。不利的一面是它不用激光,从而很难制造出很薄的层,制造出的物体往往表面粗糙。

3DP突出的优势之一就是可以彩色打印。当胶水沉积时,一些附加的彩色墨水也会被喷入,可制造出全彩色三维模型。3DP可使用粉末状材料,从可生产出砂岩状纹理的淀粉状材料到需要在火炉中硬化的粉状陶土,都可以作为3DP的打印材料,还有一些3DP使用玻璃粉末、骨骼粉末、轮胎碎片甚至是锯末。有的打印机还使用青铜等金属粉末,胶合的青铜需要放入熔炉烧结成固体。整理设计文件

打印过程开始于设计文件,像冰山的水下部分一样,还有大量的准备工作需要完成,包括准备设计文件和设置打印机。在我访问ABC成像公司时,约翰告诉我工作量最大(虽然经常不被视作挑战)的是帮客户将设计文件正确地转为可用文件格式。

设计文件必须可以和3D打印机的内置软件准确交流,打印机的内置软件(或固件)会告诉其机械组件如何操作。为3D打印准备一个完整的设计文件并不是一项简单的工作。

在ABC成像公司,3D打印过程开始于客户提供的设计文件,大部分客户是建筑师或工程师。大多数行业都倾向于使用专业设计软件,例如很多建筑师使用Sketchup进行设计。Sketchup是一款免费的、易于使用的设计工具,它在教育工作者、建筑师和初级设计师中很流行,工程师们喜欢用高端商用实体建模软件制作设计文件。约翰还经常与地理学家、外科医生或地图制造商合作,这些人的数据来源于光学扫描仪、远程传感器或医学图像。

3D打印过程中经常出现的挑战是需要弥补大多数设计软件在开发时并未考虑到3D打印所带来的问题,设计文件以各种令人眼花缭乱的文件格式发送过来,各具问题和挑战。在我访问ABC成像公司时,约翰告诉我:“在二维打印时,如果文件制作糟糕或是毫无吸引力,只要点击‘打印’,你仍然可以最终获得打印文档,虽然那并不是你想要的。”

约翰继续说:“在3D打印中,不是输入糟糕的设计文件就能打印出糟糕的物体,而是你输入糟糕的设计文件,什么都打印不出来。在3D打印中,如果你得到的是糟糕的设计文件,那你最终什么也打印不出来,或是比什么也得不到更糟糕的情况就是浪费了昂贵的原材料。”

大多数设计文件(特别是那些复杂物体的设计文件)需要专家进行调整优化。“尽管人们谈论很多关于设计软件质量的问题,但设计文件制作者的技术才是核心问题。”约翰说,“一个杂乱的设计文件会拖延进度,因为我需要重做并对其进行修正。”图5–9注:3D打印世界是复杂的生态系统,它涵盖了软件和硬件的产品(开源代码的)、工具和应用,还包括为个人客户及商业客户提供服务。图片来源:Tuan TranPham tuan@tranpham.com|@ttranpham http://www.linkedin.com/in/ttranpham

客户提交了他们的设计文件后,接下来约翰便会将文件转换为3D打印的特殊格式STL(标准镶嵌语言)。STL是一种业内标准的有着几十年历史的文件格式,它是由SL打印的发明者、3D系统公司的创始人查克·赫尔创造的,STL文件格式有点儿类似于PostScript文件格式,PostScript可将计算机文件转换为二维打印机能识别和处理的文件格式。

约翰说:“我的大部分工作是质量控制,以确保STL文件正确运行。”当今的STL文件格式退回到了人们对3D打印机没什么要求的年代。STL文件的工作并不轻松,它的一生漫长而杰出,但却无法跟上先进打印技术和设计软件的步伐。

挑战在于STL文件必须将设计的复杂细节转换为直观的数字形式,而这很难传达到3D打印头。例如,工程软件是在机械通过切割制造物体而不是层层堆积制造物体的年代成长起来的。因此,体现着制造血统的工程设计软件仍然在学习如何增材制造而不是切割制造。

在设计文件转换为STL格式后,STL将设计对象的数字形状“包装”在虚拟的表面之内,我们称之为“网格”,其由成千上万(有时数百万)个连锁多边形组成。表面网格上的每个连锁多边形(常用的是三角形)都携带着物体的形状信息。在设计文件转换中,全部的设计表面包括物体可以接触到空气的任何部分,不是工程师的人可能会对此感到些许困惑。例如,一个物体的表面设计既包括物体的外表面,也包括其空心处的内表面。

当STL转换完成,新包装的STL文件的虚拟表面必须是防水的,这有点儿类似于给物体涂上一层防水密封剂。一个防水的STL文件的表面网格可以精确而完整地覆盖和捕捉到设计表面的曲线和内部镂空。就像在密封防水麂皮鞋上的孔洞或缝隙一样,STL文件表面网格的缝隙将会在后续过程中引起问题。

一旦STL准备就绪,连接CAD和CAM的桥梁已经基本完成。即将进行3D打印的物体在完成表面防水网格包装后,还要为其最终阶段做准备:分层制造过程。在此STL文件将完成它的最后一部分工作,打印机固件读取STL文件,将数字网格“切”为虚拟的薄层,这对应着将来3D打印的物理薄层。

STL文件每个虚拟切片都反映着最终打印物体的一个横截面。还记得沿着咖啡杯底描出轮廓吗?该轮廓就等于STL文件中的一个单独的“薄片”的轮廓,也对应着一个单独的3D打印层。轮廓跟踪完成后,打印机需要进行光栅前后扫描以填满内部轮廓,就像填满着色薄中的所有形状。

有些3D打印机配备了内置可视化工具,可对CAD与STL文件间的转换进行双重检验。未来,智能软件将可以确保设计文件打印出设计者的想象中的物体。同时,像约翰一样的专家将引导所有类型的设计文件由数字模型化身为坚固的、吸引人的3D打印模型。约翰说:“一旦设计文件准备就绪,最难的工作接踵而来。”

如果人们到目前为止所做的全部正确,当设计文件准备好后,打印机将开始自助活动。在打印机深处,微控制器和传感器(类似于纸张打印机的打印驱动)将告诉机器如何操作以确保一切正常。约翰说:“当你点击打印后,打印机可在无人看管的状态下全天候运行。”图5–10 将打印好的物体从粉床上拣出并清理图片来源:3D Systems后处理:3D打印的最后工序

在ABC成像公司,打印过程以后处理来结束。当一项3D打印工作完成后,操作人员重新发挥作用。大多数刚打印完成的物体看起来并不光滑或没有完全成型。新打印的物体从打印机中取出后,需要进行一些人工的准备和清理工作,这个过程称作“后处理”。

在处理复杂的新打印对象时,就像3D打印的其他步骤一样,有其自己的学习曲线。新打印的部分在从机器中出来后可能很脆弱,约翰说:“学习曲线的一部分就是要打破很多东西,还有烧掉很多材料。”

突出的能力使得3D打印成为一种新的强大的塑型方式,而且它将塑型的复杂性转移到了设计和制造过程中。有很多细弱部分、环形或是镂空设计的物体打印起来是最棘手的,想象一下3D打印出布鲁克林大桥或是一个具有宽且薄平顶的建筑模型,那该有多难。

要打印出精致的交错网状结构,达到令人惊叹的效果,一名好的设计师必须考虑支撑结构。支撑材料是伴随着3D打印的持久材料,就像建设项目中的临时脚手架一样,支撑结构可在3D打印过程中帮助物体保持形状。一些打印机需要支撑结构,而另一些则依靠原材料粉末提供支撑,但有些设计者会增加额外的支撑结构应对增加的弹力。支撑材料会在打印结束后的后处理步骤中移除。

后处理的程度和形式由物体设计的复杂性决定,如所使用塑料树脂的类型、对外表的要求。移除支撑材料会使用一些手工打磨、清洗或抛光的手段,根据用途某些物体会被打磨、喷漆或与其他物体焊接在一起。3D打印催生原材料革命

对于弥合数字世界和物理世界之间差距,如果与设计文件之间的角力是一项挑战,那么另一项挑战就是将原材料变成设计者想要的形式。微小的彩色光点和快速的二进制指令构成了数字世界中的原材料,而在物理世界却不是如此简单和容易掌控的。

今天的3D打印机主要以塑料为原料,虽然塑料已成为低成本的代名词,但3D打印塑料却没那么廉价。事实上,塑料打印材料的成本很快成为3D打印机运行成本中的重要部分。

大部分3D打印机制造商会提供他们自己的专有材料。在ABC成像公司,约翰向我展示盛满打印粉末的存储桶时,他将3D打印塑料的成本比喻为“剃须刀和刀片”的商业模式,他说:“就像吉列,它免费赠送剃须刀,但你只能从吉列买到合适的刀片。”

工业3D打印技术已优化为配置特定厂商的3D打印材料,这一事实针对不同对象阻碍或推动了创新。不利方面在于用户担心制造商的保修服务无效而不愿尝试廉价材料。专属材料的有利方面在于3D打印机制造商将热衷于投资开发高性能的可盈利的原材料,这将推动该技术的进步。

未来,打印材料将包括活体组织或具有微小的计算能力,或具有超乎想象的性能。然而今天的大部分公司和打印爱好者只满足于塑料、金属、陶瓷、半固体食品以及混凝土和玻璃。

塑料是最常用的打印材料,塑料工程师把塑料分成两大类:热塑性塑料和热固性聚合物。它们之间的区别很容易记住,想象为奶酪与鸡蛋的区别。热塑性塑料像奶酪一样加热融化,但其内部结构并不改变,所以它们可以反复融化使用。而热固性聚合物像鸡蛋一样加热后固化,而且内部结构发生改变,因此只能使用一次,不能融化分解为可重复使用的液体。

大多数消费类3D打印机(通过打印头沉积原材料)使用一种名为ABS的热塑性材料,与乐高玩具的材料相同。大部分SL打印机使用光敏热固性聚合物,LS打印机使用热塑性粉末。

3D打印机也可以使用其他类别的塑料,比如软塑料,也叫“弹性体”,就像它的名字一样,这种橡皮筋似的材料具有多种弹力性能。这种材料有些可以从注射器中挤压出来然后风干,比如硅树脂。另一些柔软有弹性的物体可以通过熔融一种热塑性弹性体来打印,就像制造硬质塑料的过程。

在3D打印技术发展早期,质疑者认为这种新技术无法在“真正的”制造机器中立足。为什么?因为那时的3D打印机还不能制造金属零件,现在的3D打印机可打印钢、钛甚至钨这样传统制造工艺很难塑造的硬质金属。

打印金属机械部件是3D金属打印的一种普遍应用,有几种可行的金属打印方法。一种方法是使用多步骤工艺,即首先在金属粉末上涂敷热敏塑料黏合剂,并使用激光选择性地将其融合。接下来,抖掉未熔融的粉末,将剩下的金属部分放置于热炉中烧掉塑料黏合剂。打印金属更直接的方法是通过打印头挤出熔融金属,或是直接用激光融化金属粉末。图5–11 设计蓝图(上部)和使用各种方法制造出的零件及成本(下部)图片来源:Robert MacCurdy

家用3D打印机还不能直接打印金属,但是这正在发生改变。消费类3D打印机(例如Fab@Home)可挤出凝胶与金属粉末的混合物。为了使打印凝胶在金属中更坚固,打印对象会被放在炉或窑中烘烤。显然,这个额外的窑烧步骤并不简单—它带来了缩水、开裂和变形的危险。

试读结束[说明:试读内容隐藏了图片]

下载完整电子书

若在网站上没有找合适的书籍,可联系网站客服获取,各类电子版图书资料皆有。

客服微信:xzh432

登入/注册
卧槽~你还有脸回来
没有账号? 忘记密码?