3D 列印:體驗造物奇蹟
近年來,我們經常能聽到“3D”這個名詞,且常常跟高科技關聯在一起,如3D 顯示、3D 電影、3D 掃描、3D 列印等。按理說,人類每天就生活在3D 空間中,3D 對我們來說本應是一個再尋常不過的概念。3D 之所以被認為是“高科技”,是因為我們透過高科技的數位化方法,使得客觀世界中的3D 實體能夠在虛擬世界中得以高精度重建(3D 掃描)、智慧化編輯(3D 設計)、真實感高畫質展示(3D 顯示),乃至重新傳回至客觀世界(3D 列印)。就學科專業而言,3D 技術橫跨電腦視覺、電腦圖形學、模式識別與智慧系統、複雜系統與自動控制、資料採擷與機器學習、專案材料學、光
機電一體化等,是名副其實的“技術密集型”高科技。
3D 列印(3D 列印)是積層製造技術(AM,Additive Manufacturing) 的俗稱。3D 列印,名為“列印”,實為“製造”,結合智慧數位
化,更可實現“創造”!實際上,在大量的英文文獻中,3D 列印(3D Printing)常被稱作3D Fabrication(3D 製造),這更準確地描述了3D 列印的本質。
與傳統的“切削去除材料”的加工技術(如3D 雕刻)完全不同,3D 列印以經過智慧化處理後的3D 數位模型檔案為基礎,運用粉末狀金屬或塑膠等可熱熔黏合材料,透過分層加工、重疊成型的方式“逐層增加材料”來產生3D 實體。由於可採用各種各樣的材料(液體、粉末、塑膠絲、金屬、沙子、紙張,甚至巧克力、人體幹細胞等),而且可以自由成型(任意複雜的中空鑲嵌形狀),所以3D 印表機是名副其實的“萬能製造機”。
圖1-1 是一幅關於3D 列印的漫畫,一個人把自己給列印了出來,相信一定會讓你印象深刻。接下來,就讓我們一起體驗3D 列印帶
來的造物奇蹟吧!
如圖1-2 所示的這些雕塑是由Bathsheba Grossman 用複雜的雷射燒結而成的。對於要求具有複雜的內部中空、凹陷、互鎖或有大量規則細節圖案的形狀加工,3D 印表機是首選的製造裝置。智慧數位化設計(圖1-2 左1)可對零件進行最佳化,減輕重量,同時保持原有強度和其他關鍵性能。由於是一次成型,使產品成為一個整體,這樣也減少(或免除)零組件的裝配。
如圖1-3 所示,3D 列印的衣服和鞋子亮相巴黎時裝周。仔細檢視衣服上無數精細花紋,我們可以知道:精美的手動刺繡和針線活已被智慧數位化和3D 列印取而代之。
在材料上,服裝師們也已經有了更多、更好的選擇,例如Materialize 公司最新研發的TPU92A-1 合成材料,可用於設計很酷的時裝:
這種材料擁有非常好的彈性和韌性,能夠在受到高強外力的情況下快速恢復原來形狀。
3D 列印不僅可以用來製造獨具個性的高跟鞋(圖1-3 右上角),還可以幫助設計師實現更多靈感。圖1-3 右下角的這雙鞋的設計靈感來自大自然中的樹根,3D 列印技術能夠建立錯綜複雜、相互交織的鬚狀鞋跟,模仿樹根在腳下扭曲和盤旋。這是其他任何一項製造技術都做不到的。
耐吉(Nike)“Vapor Laser Talon”跑鞋,如圖1-4 所示,拋棄了傳統製鞋製程,使用3D 列印製造,只有158.7g(相當於3 枚雞蛋的重量),可以幫助運動員在草地賽場上“飛”起來。這款鞋子僅在7 個月之內,就已經試做、試用了成百上千雙,直到最後滿意定型。傳統製程在如此短的時間內根本無法做到,只能透過3D 列印來實現。
3D 列印的OpenReflex 膠卷單眼相機(如圖1-5 所示),成本相當便宜(不到1000 元台幣),只需要15 小時的3D 列印及1 小時的組裝就能使用了。這台相機雖然只能使用1/60s 快門,卻可以相容任何鏡頭,可謂相當強悍,其主要組件都是用ABS 材料列印的。
圖1-6 的俄羅斯大皇冠是為1762 年凱薩琳的加冕禮打造的。它作為官方權力的象徵,每任君王都需要戴著它。透過智慧數位化掃描和設計,3D 印表機已精確複製出原版皇冠。複製品採用WIC-100 樹脂以及14K 白金打造。由於使用了3D 印表機,將製造時間由預計的一年縮短到兩個月,而且所達到的精準度超越了手工打造的正常方式。
維也納科技大學推出的“奈米級3D 印表機”可列印出奈米級的物件,讓很多人驚歎的微雕作品現在就可以透過這台印表機輕鬆搞定。如圖1-7 所示,我們看到的是3D 列印出的維也納聖史蒂芬大教堂和F1 賽車模型,直徑不超過人類的髮絲,比一粒沙子還小。奈米級3D 印表機使用液態樹脂,透過雷射使樹脂硬化成型,此技術被稱為“雙光子光刻”,而且列印速度非常快,可達5m/s,創造出了一個新的世界紀錄。
美國太空總署(NASA)太空人前往火星需要攜帶大量食物,3D 印表機可以按照“數位食譜”混合各種粉末,製造色香味俱全且營養可口的太空食品。食物原料從藻類、甜菜葉及昆蟲等可持續資源中分析,經過脫水處理後,保存期可延至30 年左右。這個計畫很快
就會得以實現,不信?請看看目前3D 印表機所列印出來的各種餅乾、巧克力和糖品,如圖1-8 所示,是否很誘人呢?
荷蘭建築師Janjaap Ruijssenaars 所主導的3D 列印專案如圖1-9 所示,將是全球首個3D列印的大型建築物。他的計畫是列印6m×9m
的模組框架,這些模組由沙子和無機黏著劑組成,然後使用鋼纖維混凝土填充,最後的產品將是一幢二層樓。這是一個“莫比烏斯帶”(Möbius band)式的建築(它沒有正反面之分,在上面一直走,可一次走完所有面)。由於採用了創新的3D 技術進行打造,因此它將
成為一座兼具延伸性和適用性的建築。與此同時,麻省理工學院(MIT)的研究人員正在開展另一項研究,如何利用3D 列印在一天之內列印出房屋主要結構,而利用傳統的建築團隊則需要一個月的時間才能完成。
如圖1-10 所示,美國研究人員花了4 個月設計階段,3D 列印出無人飛機,巡航時速可達到45 英哩,成本僅2,000 美元。該飛機翼展約2m,所有零組件都是透過3D 印表機製造出來的。經打磨噴漆處理之後,外形也非常時尚。而在5 年前,光製造塑膠渦輪扇引擎的成本就約為25 萬美元,還需要花上兩年時間。
美國重型機車廠OCC,利用大型的商用3D 印表機成功打造出一款咆哮的“中國龍”型摩托車,如圖1-11 所示。該車由一位中國客戶訂製,龍首由3DS Max 軟體設計後,輸出到3D 印表機一次列印成型,然後直接組裝和整合到機車上就可以了,大幅簡化了龍頭的設計和生產週期,同時也相當大地降低了製造成本。勞斯萊斯?純手工打造?可以肯定的是,手工打造以後將不再顯得那麼金貴。
隨著外科修復科技的日益發展與手術理念的日漸人性化,義肢不僅很舒適而且也可以很時尚!如圖1-12 所示,由於每個人的身材和喜好不同,所以需要進行完全個性化的訂製。首先使用3D 掃描器取得使用者腿部詳細資料,然後根據使用者本身資料、年齡、性別、特殊要求等,設計出適合的義肢款式,使用者覺得滿意後,再透過3D 印表機進行製造。
如圖1-13 所示的這只美洲鵰2005 年曾被誤傷,從此生活不能自理。如今,透過3D 掃描嘴喙的殘缺部分並使用SolidWorks 對數位化模型進行編輯處理,然後再用尼龍聚合物材料將假體3D 列印出來。於是,這只海雕得以順利回歸了大自然。從圖片上可以看到,鷹嘴具有精細的內部中空結構,而3D 列印的再造能力絲毫不亞於最好的整形醫生。
之前已有報導3D 列印可製造出真正有觸覺的生物人耳(不只是裝飾性的模型)。現在,普林斯頓大學的研究人員利用3D 列印的細胞
和奈米粒子,結合小型線圈天線軟骨組織創造了一隻仿生耳,如圖1-14 所示,竟能夠聽到超越人類所能聽到的無線頻率!以後,生物印表機將使用病人本身的幹細胞,那麼器官移植後的排斥反應將減小。隨著整個世界逐漸變得越來越電子化和數位化,我們將製造出一些新型器官,以便和手機、可攜式電腦進行直接交流。
美國太空總署(NASA)使用直接金屬雷射燒結的3D 列印技術製作了火箭噴射器零件,如圖1-15 左邊所示。據悉可承受1,400磅每平方英尺的壓力並可耐6,000 華氏度的高溫。而且該噴射器在削減成本方面邁出了一大步,因為它僅由2 個零件組成,而此前傳統技術製造的同類噴射器由115 個零件組成。而更讓人驚訝的是,美國加州大學的學生也用3D列印製造了一種微型火箭進行了成功的點火測試,如圖1-15 右邊所示,他們在短短8 個月內就完成了火箭金屬引擎的設計,且火箭的全部製造費用只有6800 美元。
3D 列印技術集概念設計、技術驗證與生產製造於一體,這必將極速縮小武器裝備從“概念”到“定型”的時間差,進一步加快武器裝備的更新週期,如圖1-16 所示。據媒體報導,殲-10 戰鬥機研發用了近10 年時間,而運用3D 列印技術後,中國大陸僅用3 年就推出了第一款艦載機殲-15。目前,3D 列印技術已被全面應用於第一款本土隱形戰鬥機殲-20 和第五代戰鬥機殲-31 的研發中。
再說個喜慶點的案例。你完全可以自己在電腦上設計戒指的形狀,列印出專屬的訂婚戒指,如圖1-17 所示。拿著這樣的戒指求婚,相信沒有一個女孩會說不。
目前在北京、西安、武漢等地都相繼開設了3D 照相列印館。本書第5 章“3D 智慧數位化與3D 照相館:科學與藝術的結合”將從零起步、一步步地教你開設3D 照相館,包含3D人像掃描和3D 列印塑像,如圖1-18 所示。
列印了3D 圖示,再列印個3D 頭盔吧!國外一名叫Ryan Brooks 的創客,用塑膠列印出了鋼鐵人頭盔,如圖1-19 所示。整個開發和微調過程大約花了100 小時。頭盔採用Adafruit 加速度感測器和Arduino Pro 迷你伺服機構,可自動開啟或關閉頭盔的面罩。
最後再介紹“宅男”們的最愛──人體模型製作。如圖1-20 上方所示,日本的DIY 同好借助3D 數位化技術和3D 列印技術製作了動漫具體的立體人偶。而如圖1-20 下方所示,日本東京一家公司利用3D 列印技術,對新娘進行複製,製作出模擬模型,以留住她們人生當中最美好的時刻。相信在未來,這個方向將大有可為。
透過以上的一番體驗,你是不是開始感覺到3D 列印已經滲透進我們生活中的“衣食住行”等各個方面了呢?實際上,3D 列印可廣泛用於工業製造、珠寶首飾、玩具設計、機器人、生物醫學、建築與城市規劃、食品製作、航空太空、考古科學研究等領域。以樂器為例,目前大多數樂器,如吉他、小提琴、喇叭、鋼琴等,已經有幾百年都沒再改進過。而使用3D 列印,你不僅可以自由設計出奇形怪狀的創意樂器(例如將一把馬頭琴變成印有你自己3D 圖示的琴),而且更重要地,你可以發揮3D 列印輕鬆製造任意複雜空腔(共鳴腔)的優勢,設計製造出一把發聲效果最佳的、屬於我們21 世紀的新型樂器,演奏屬於我們這個全新智造時代的新樂章!