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打印新世界

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2013年01月10日15:15 来源:第一财经周刊  作者:文姝琪 徐涛

  在诞生数十年之后,3D打印忽然被赋予了全新的含义:它有可能成为颠覆制造行业的终极力量。这个想法现在看起来还有些大胆,但历史上很多变革的开始也都是“想一想”。

  “我可以把你的头部扫描下来,打印出一个立体的半身像。”Joshua John对两个好奇又困惑的男孩说。

  这是在2012年9月21日的纽约科技博物馆。在这场名为Maker Faire的活动上,1/3的场地被各种3D打印出来的物品所占据。

  这不会轻易地被人从表面上看出来,这两位男孩也不例外。于是他们困惑地停下了脚步。一个男孩坐下了,努力保持一动不动,另一个则拿着iPad 绕着他拍摄。几分钟后,男孩头部的3D影像出现在了电脑屏幕上,3D打印机也接受到指令,它开始工作了。

  整个过程就好像凭空出现一样。在打印机的底座上,原料从一个喷嘴喷出,一层层地往上叠加、凝固,男孩的头像开始成型。

  Joshua John是一家名为Geomagic的公司的技术人员。凭借在3D扫描和影像方面的技术,Geomagic一直为福特宝马这样的大客户服务—使用这种“打印”式的生产方式。

  在两个孩子的周围,有人用手指在iPad上作画,写上自己名字,然后等着3D打印机打出薄薄一层涂鸦;在一个帐篷里,有年轻人教授如何用软件设计出更为复杂的玩意儿,例如环环相扣中间镂空的球体;在MakerBot或者Shapeways的展台前,人们惊叹3D技术已经能够打出逼真的艾菲尔铁塔模型,或是时髦鲜艳的小小高跟鞋。

  Maker Faire是一个主旨为发扬“艺术、手工、工程、科技项目、DIY精神”的集市活动,由O'Reilly 出版集团下属的Make杂志发起,已经进行到第六年。到2012年,它想表达的意思已经越来越明确:未来每个人都有可能通过3D打印机来制作任何—至少是大多数—你想要的产品。

  杨义浒是这场活动中出现的为数不多的中国人之一,他在深圳创立的公司维示泰克,主要业务是生物塑料的制作,但也一直在向海外销售3D打印的耗材。

  他进入3D打印领域完全是一件计划外的事。早在2008年,维示泰克陆续接到了几笔国外的订单,要求他们生产一些直径1.75毫米的塑料条。杨义浒不知道这些塑料材料的用处,试制成品出来之后,客户在柔韧性和精度上做了更细致的要求。

  既然有人买,维示泰克索性把它们以“焊条”的名字挂在了网上。两三个月后,这门生意在不断的客户询问中变成了这家公司的大业务。杨义浒这时知道,这些“焊条”其实是3D打印的原材料。为此,他还专门找来3D打印的开源技术文件,弄清楚到底发生了什么。

  现在维示泰克的业务拓展到了3D打印的整机、材料和打印服务。在2012年,这家公司在国内卖出了上千台3D打印机,国外的整机业务则刚刚开始。

  在Maker Faire的现场,杨义浒看到的是一种乐观态势。两天之内共有大约10万名观众走过他们的展台,还收到了一份100台打印机的订单。一家售卖服务器的公司最后买走了维示泰克带去的唯一一台样机,将它与原有的MakerBot生产的3D打印机一起,搬到服务器的安装现场用于打印线卡。

  这样的态势,已经让以往的一些鼓吹者们跃跃欲试。比如《连线》的前任主编克里斯·安德森,他也出现在了2012年Maker Faire的现场。作为一名Maker文化的践行者,他在自己的新书《造物者:新工业革命》发布不久,就辞去了《连线》的职务,到机器人(28.440,1.04,3.80%)公司3DRobotics担任首席执行官。从名字上看,这家公司与3D打印脱不了关系。

  “你可以这么来想这个问题。一开始有个人电脑出现的时候,它就是一个桌面机,后来有了网络和云,桌面机的意义已完全不同;在今天这个阶段你再看3D打印,它就有点像最初的个人电脑。”在到访中国期间,安德森对《第一财经周刊》说。

  站在历史的角度,这个说法倒是很有道理:个人电脑将计算机行业带入了一个新时代,而互联网则赋予了个人电脑新的含义。假设有一天3D打印的世界真的到来了,那么它一定也起源于互联网时代。因为今天3D打印忽然以一种“革命”的姿态出现,完全是拜云、大数据这些热门玩意所赐。

  嘿,也可以说得不那么玄乎,让我们从头开始。3D打印其实是一个诞生了数十年的技术,在一些行业中也有着广泛的运用,比如你用3D打印机做出一个杯子、一个饰品,或者一个生产模具。

  中兴手机是杨义浒的客户之一,这家手机厂商利用3D打印机为手机图纸打手板。“手板”是手机的初始模型,设计师根据实物还会做出修改。传统的方式是外发手板厂,因为是全手工制作,一个模型的完工周期大约为两周,成本至少3000元。如果采用3D打印的方式,三到四个小时可以打印出完整的模型,按照每克0.1元的塑料材料费用,一支手机模型的成本不过20块。

  宝马则正在利用3D打印机创建出更符合人体工程学且更轻便的装配工具,这可以提高生产效率,“看上去可能差不多,但一个工人将这些工具用上数百次的时候,区别就大了”,宝马工程师Gunter Schmid说道。

  一位名为Behrokh Khoshnevis的教授,在最近的一次TEDx的演讲中,展示了能够打印建筑的机器,这种打印材料单位面积的承重能力是标准混凝土的3倍。日本赤石的一家造鞋工厂引用了这个技术制造模具,相比起原先的外包制模,3D打印可以节省90%的时间,设计师得以有足够的时间去修改和实现自己的想法。

  这些都还是星星之火。在这个阶段,以及未来相当长的一段时间内,3D打印还不会直接导致现有生产模式的终结。但包括英国工程学家Adrian Bowyer在内,一些人有着更大胆的期望:3D打印机将来不是要取代某一个制造业,而是要取代几乎所有的制造业。

  从生产方式上,3D打印意味着在未来很多消费品可以以定制甚至社会化生产的方式出现:任何物品都可以通过打印和拼接完成,一些沿用了数百年的生产工序会消失,批量同质的流水线或许只保留下来生产最小的零件,仓储等供应链流程将会简化;最后,企业的销售方式也会发生变化,因为客户更愿意与制造方共同完成图纸,最大限度使产品接近自己的要求。

  技术总是有着不断进化的可能。最开始的电脑只能读懂简单的Dos命令,而现在以更复杂指令控制的机器人已经站在了工厂的车间里。

  这件事也离不开最初的播种者,他们对于3D打印的意义,就如同那些1970年代的数字英雄:正是这些人的努力,电脑才由一种只有少数“技术特权”才可以使用和控制的神秘机器,变成了大众产品。

  睁大眼睛,下面出现的这些人当中,有些可能会成为3D打印领域的开创性人物。

  一家名为Retro的复制家具零售商,创建了一条3D打印的家具产品线,通过分析门店和网站的访问数据,为客户推荐定制的3D打印服务。除了家具的图纸,Retro还将打印需要的材料和兼容的打印机,都一并在网站中列出供客户选择购买。

  2005年,Adrian Bowyer发起了名为Reprap的3D打印开源项目,它的含义是“实现自我复制的打印”。Bowyer希望世界上更多人拥有3D打印机的能力,他的解决办法是:只要你有一台名为“Reprap”的机器,那么你就可以有第二台、第三台。把它们送给亲人朋友,所有人都可以实现3D打印。

  最开始Bowyer只是热心地写了篇文章,发在英国巴斯大学的论坛上,告诉大家这里有一个好主意。那时他还是那里的老师,希望有人将3D打印技术推广出去。后来他决定自己试一试,于是自己建立了一家网站,并将3D打印机的技术数据公之于众。不过目前,他的方案只有专业技术人员才可以看懂并组装。

  这个项目在2008年发布了第一版,代号“达尔文”,你可以看出Bowyer的野心。不断有人参与Reprap的计划,甚至自己动手做出修改。在维示泰克3D打印材料的海外客户中,就有一个20多岁的荷兰年轻人,做出了自己的Reprap打印机。

  在一次客户拜访中,这个荷兰人把杨义浒带到了自己的工作场所。这个所谓的办公室,其实就是他住的屋子。房间里乱糟糟地摆着打印机和一堆塑料条,正在跟着图纸不断打印零件。这些零件再加上一些电子元器件和金属配件,构成了一套可以DIY 3D打印机的工具,加上包装就可以挂在eBay[微博]上出售,每一套的价格大概40到50美元。“看他从我们这边进货的频率,生意还挺好的。我们卖过去的材料一套不过12美元。”杨义浒说。

  电机工程师Richard Horne,在Reprap的基础上创造了名为“Rich Rap”的打印机。它拥有三个挤压引擎,可以同时在一个物体上打印出几种颜色。“开源3D打印机和软件工具发展得十分迅速,尽管目前还是一块小众业务,但不久后就会变成一个巨大的市场。”Horne曾说。

  几乎在Bowyer开始实践的同一时间,意大利的硬件开源项目Arduino出现了,它大大降低了3D打印的硬件成本。Arduino并非只与3D打印相关,它包括一个简单易用的电路板以及一个软件开发环境,可以用于制作任何电子产品,可以是独立的,也可以具备与PC互动的功能。

  任何人都能在Arduino的网站上找到图纸、设计文件和电路板配套的软件,然后通过下载文档生产电路板甚至销售,一分钱专利费也不用付。Arduino在2009年开始量产,并在全世界销出了超过5万件产品。

  这种形势不断发展,3D打印本身的门槛会变得越来越低,人们可以用它来制造一些新鲜玩意,并且出售。这是个人电脑早期发展状况的翻版,开源项目让越来越多的人对以往只有Geek才乐意碰的那些东西产生了浓厚的兴趣。

  一些人只是因为兴趣,而MakerBot和Shapeways这些公司正在做的,就是把技术推向更广泛的人群。

  成立于2009年的MakerBot,就正试着抓住3D打印可能带来的机遇。在这家公司成立之前,创始人Bre Pettis还只是西雅图的中学教师,在漫长暑假里过着像艺术家一样摆弄油画的日子。

  当他结识Zach Smith时,后者正在参与Reprap的项目。他们决定制造一种“万能的打印机”,并从风险投资人那里筹到7.5万美元启动资金。仅仅在公司成立两周之后,他们制造的20台3D打印设备就被销售一空。

  2011年8月,MakerBot接受了一笔1000万美元的融资,投资人包括亚马逊[微博]的创始人贝索斯。2012年9月,他们在纽约曼哈顿的Mulberry Street上开设了全球第一家3D打印机零售店,消费者花上5美元就可以试用3D照相或扫描,20美元可以打印出自己的头像。

  除了硬件,MakerBot的应用程序已经可以用来制作玩具类的各种模型,最近他们还开发了一款类似3D Max的制图软件MakerWare。零售店的开设加上软硬件一体的服务策略,使这家公司看起来就像3D打印领域中的苹果。最低2199美元的价格也使得“Maker”或者设计师—那些在流行领域具有话语权的人们愿意去消费它。

  另一家竞争者Shapeways由飞利浦最先出资成立,它的模式则更加亲近普通人:用户在网站上传自己设计好的3D模型并选择材料,支付一定费用后,Shapeways会将其打印出来,通过邮寄送出产品。

  “已经有超过16万个客户通过我们将他们的点子变成现实,”Shapeways对《第一财经周刊》说,“我们看到很多行业因此发生了改变,从珠宝设计到房间装修,还有很多小配件小玩意的生产。”

  它们目前还只是“好玩”而已—还算不上真正意义上的“生产”,质量也未必比其他方式生产出来的物品更好。美国两家3D打印的上市公司Stratasys和3D Systems,2011年的营收分别是1.7亿美元和2.9亿美元。在科技行业当中这两个数字只能算作零头。

  但就在你看着它们的这个时候,却是3D打印的浪潮真正来临之前不可或缺的孕育阶段。

  世界上第一台3D打印机诞生于1986年。美国人Charles Hull发明了利用树脂凝固成形来制造物体的方法,之后成立名为3D Systems的公司。两年后3D Systems推出了第一款商业化的3D打印机SLA-250,材料是光学照相用的丙烯酸树脂。

  在一个3D打印技术的记录短片中,Hull严肃地对着镜头说:“我们正在研发一种技术,能够把你在电脑屏幕上看到的图像迅速转化成实物。”但1990年代3D Systems生产的SLA7000价格高达80万美元,现在已经出现了更便宜的解决方案。

  在维示泰克总部的办公桌上,一台3D打印机正在制作一个模型的头部,打印机中部的零件不断地吞食塑料条,将它们熔化后再通过针头挤出变成流质的原料。零件下方的托板依照事先设定的程序,在四个方向活动,通过喷嘴挤出直径0.1毫米的液态塑料丝,先层层拼接成面,再逐渐升高分层堆积出立体的形态。

  这是3D打印方式中最便宜和流行的熔融挤出技术。目前3D打印主要利用三种原理生产:激光烧结、光固化和熔融挤出。熔融挤出只支持塑料材料,打印尺寸的大小取决于托板的尺寸。维示泰克的打印机每小时可以打印出15立方厘米的物体,一个手机结构的模型大致需要三到四个小时的完工时间。

  激光烧结的成本最为昂贵,一台打印机往往要上百万元。这项技术以激光器作为能源,利用程序控制激光束对粉末状的原材料进行烧结。和平面激光打印类似,由于激光可以成面打印,在三种原理中激光烧结的速度最快,并且可以使用金属和高分子材料。

  光固化烧结则是另一种解决办法。这其实是一种对感光聚合物的处理过程,它可以引导激光束穿过液态的塑料槽,并借助紫外线激光束使液态塑料凝固成形。这项技术的打印质量相对比较高,但打印机价格也需要数十万。来自麻省理工的Natan Linder和另外两个合伙人为自己的廉价光固化打印机生产项目在Kickstarter上筹集到了超过10万美元的启动资金。如果一切顺利,他们将在2013年2月开始提供低于2500美元的桌面光固化打印机Form 1。

  “未来3D打印还是会朝着两端发展。激光技术适合更复杂的生产,而熔融挤出则更适合家用和小规模的制造。”杨义浒对《第一财经周刊》说。

  从个人、家庭、小组织用户的角度看3D打印,设备价格昂贵是阻碍普及的主要因素。大部分打印机价格都还在1000美元之上。Portabee公司最近发布的新品已经把价格降到了500美元,维示泰克最便宜的机型3000元人民币就可以买到,不过生产产品的精度还极其有限。

  如果要正儿八经讨论“颠覆制造业”,除了时间因素,另一个重要的因素是材质。相关的原材料技术的发展,是决定3D打印行业最终能有多大前景的关键。

  除了激光打印机之外,目前商用比较频繁的熔融挤出技术打印机只能处理诸如塑料和蜡这样的软材料,或许芝士和巧克力也会成为可能。但你要说用塑料制品和糖果去颠覆现在的制造行业,看起来还有点异想天开,更不用说“打印一切”了。

  Natan Linder位于麻省理工的实验室,眼下在打印材料上有一些突破。他们尝试用喷涂“聚氨酯泡沫”的方式,打印混凝土结构的大型模具,成品是高1.5米左右的原型墙面。

  它完成的速度太慢了。一个体积为10立方厘米的模型,至少需要几个小时的打印时间。如果你真的想在商店里预定个茶杯,那得排队。这有些像1970年代的计算机—运行任何一个程序都要到公共的计算机上去,排队等着计算机空出来让用户把写好的卡塞进去,一旦程序出现哪怕一个bug,这个过程就得从头开始。

  “虽然我对它很感兴趣,但是不在工作中用它。它打印得太慢了,而且也没有比直接在电脑上呈现的效果更好。”纽约Leeser Architecture的创始人Thomas Leeser对《第一财经周刊》说。

  伦理和法律上的争议也随之而来。Cody Wilson发起的“维基武器”项目希望通过3D打印推广自制枪械,用户无需登记,就可以利用打印机和零件组装手枪。12月14日胡克小学枪击案之后,这些图纸被MakerBot设立的Thingiverse网站撤下,但3D打印的随意创造性,还是可能会让用户方便地制造出一些危险物品。

  它同时也为知识产权带来了麻烦,只要有图纸和一台打印机,设计师们将无法保护他们的劳动成果。美国专利与商标局推出了一个针对3D打印版权保护的“生产控制系统”,如果待打印的3D制图模型与系统数据库中的产品有大比例的匹配,对应的3D打印任务将不能被执行。但这个限制只在联网的情况下才能发挥作用,即使拔掉网线,3D打印机依然可以工作。

  这个时候,大公司的积极介入对于这个行业而言是好消息。根据《福布斯》的报道,空客公司的机舱设计师宣布将从打印飞机的小部件开始,最终在2050年左右用3D打印机打印出整架飞机。这架3D打印机制造出来的飞机重量比传统飞机要轻65%,而且更加便宜。

  看起来正有越来越多的个人、组织和公司对3D打印产生兴趣并投入其中。不应该小看这样的力量,要知道在历史上,家用珍妮纺织机成为了第一次工业革命的开端,而玩着晶体管和零件的孩子们最后成就了惠普[微博]和苹果。

  3D打印正身处一个美好的年代。互联网成了基础设施,云和大数据正在赢得重视—这意味着生产与消费者之间的联系会越来越紧密,它们相互之间的影响会越来越直接。工业革命终结了作坊时代,在此后长达数百年的时间里,人类享受了大规模、机器化制造的种种好处,但也丧失了很多选择的可能。如果说,制造业为此需要一场根本的变革,那么3D打印至少提供了一种技术上的可能。

  再大胆一点想的话,我们今天可能真的正站在人类另一个历史时期的开端。

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