如果開一個(gè)3D打印吐槽大會(huì)，會(huì)有這些槽點(diǎn)

3D打印技術(shù)是制造界、學(xué)術(shù)界乃至整個(gè)科技界這幾年的熱點(diǎn)之一。這讓許多人誤以為3D打印技術(shù)是近年興起的技術(shù)。實(shí)際上在上世紀(jì)80年代，所謂的3D打印技術(shù)便已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了。這些年，越來(lái)越多的人興奮地表示，3D打印將會(huì)引領(lǐng)第四次工業(yè)革命。那么問(wèn)題來(lái)了，如果30年前這樣的革命沒(méi)有到來(lái)，我們憑什么還對(duì)這種可能性抱有幻想？要知道，3D打印的概念和技術(shù)幾十年來(lái)都沒(méi)有飛躍式的提高，其目前的應(yīng)用大多局限于醫(yī)療輔助和科學(xué)研究，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)談不上真正改變我們的生活。

如果給3D打印開一個(gè)吐槽大會(huì)，有這么幾個(gè)槽點(diǎn)是肯定無(wú)法逃避的。

一，速度太慢 - 蘑菇都比你長(zhǎng)得快呢
3D打印簡(jiǎn)單而言就是增材制造。不論是選擇性激光燒結(jié) (Selective Laser Sintering, SLS) 、固體光刻 (Stereolithography, SLA)，還是熔融沉積 (Fused Deposition Modelling, FDM)，實(shí)際上都是在二維打印的基礎(chǔ)上，疊層累加而成，不得不以耗時(shí)為代價(jià)來(lái)滿足基本的制造精度。一個(gè)巴掌大小的物件通常需要幾個(gè)小時(shí)才能打印出來(lái)。因此有人笑稱，有些蘑菇生長(zhǎng)的速度都比3D打印快。這一劣勢(shì)使得3D打印技術(shù)無(wú)法滿足量產(chǎn)需求，其應(yīng)用大多局限于科研或者單個(gè)昂貴部件的樣品測(cè)試，或是DIY玩具打印的小打小鬧上。可以說(shuō)，3D打印因?yàn)槠渌俣攘觿?shì)時(shí)至今日還沒(méi)完全從象牙塔里走出來(lái)。

二，材料種類限制及特性缺陷- 有了金剛鉆，也難攬瓷器活。
目前市面上的3D打印材料選擇越來(lái)越多，但離完全滿足工業(yè)及消費(fèi)需求都有著很遠(yuǎn)的距離。激光燒結(jié)技術(shù)的材料選擇局限于各級(jí)尼龍、TPU和聚苯乙烯等少量聚合物，以及鋼、鈦等合金。SLA的材料更是局限于光敏樹脂。FDM則局限于ABS、PLA、Nylon、PET等熱塑性材料。其它材料的打印工藝仍舊不夠成熟。

顯然，這些材料目前難以委以重任，目前大多作為輔助手段。比如，3D打印如果用于汽車制造，會(huì)大大縮短測(cè)試時(shí)間、降低成本，然而從力學(xué)角度而言，3D打印的制造特性決定了其受力部分的強(qiáng)度和剛度是達(dá)不到要求的。而就外形而言，不管如何設(shè)定打印精度，入門級(jí)3D打印成品的打印層始終會(huì)降低最終的視覺(jué)效果，進(jìn)而大大影響用戶體驗(yàn)。如果把FDM的噴頭看作是金剛鉆的話，那么這樣的金剛鉆還暫時(shí)攬不了瓷器活。

Light Cocoon 3D打印概念車– 暫時(shí)只能存在概念中的眾多產(chǎn)品之一

三，造價(jià)昂貴 - 不如買房。
一臺(tái)工業(yè)級(jí)的SLS、SLM或SLA 3D打印機(jī)通常在百萬(wàn)人民幣以上，最貴的可以達(dá)到上千萬(wàn)人民幣，而且在可預(yù)見的未來(lái)，這一級(jí)別的打印機(jī)普遍大幅降價(jià)的可能性不高。而隨著主要3D打印技術(shù)的專利過(guò)期，許多入門級(jí)別的3D打印機(jī)的造價(jià)直線下跌。目前最普及的入門3D打印機(jī)主要為FDM及SLA打印機(jī)，最便宜的XYZprinting da Vinci Jr只需要200美元就能抱回家。然而這些桌面級(jí)3D打印機(jī)的功用實(shí)在有限。首先，打印容積很小，小到打印一個(gè)小凳子小椅子通常是奢望。其次，速度很慢，不再贅言。再有就是打印質(zhì)量較差，通常需要大量的后處理�？傊�，好用的不便宜，便宜的不好用。

浩如星海的入門級(jí)3D打印機(jī)選擇 (productchart.com)

四，產(chǎn)品鏈上下游聯(lián)系低效 - 拿不出STL文件，要你何用？
技術(shù)上講，離開了STL文件（一種計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）的通用格式），3D打印機(jī)基本就是無(wú)用的。而創(chuàng)造STL模型有兩種方式，一是用CAD軟件建模，二是用掃描儀，包括入門級(jí)的便攜式掃描儀器和高規(guī)格的醫(yī)用掃描儀器，如CT和MRI。這兩種方式都具有較高的門檻，除非使用者本身具有專業(yè)背景，否則需要尋找第三方服務(wù)。而這樣的門檻幾乎把普通科技愛好者的體驗(yàn)空間壓縮殆盡。

從市場(chǎng)的角度講，3D打印服務(wù)提供方需要思考用戶端在產(chǎn)品鏈的位置。比如，有的3D打印服務(wù)網(wǎng)站提供一些免費(fèi)的模型供下載。問(wèn)題是，這些模型顯然不是獨(dú)特的，為什么還要下載下來(lái)再上傳供3D打印呢？直接購(gòu)買現(xiàn)成的不好嗎。這樣的服務(wù)顯然只是披了層3D打印的外衣，卻只是讓3D打印代替了傳統(tǒng)的制造方式，而沒(méi)有改進(jìn)產(chǎn)品概念。換句話說(shuō)，如果認(rèn)同3D打印技術(shù)在大眾消費(fèi)市場(chǎng)的主要賣點(diǎn)或優(yōu)勢(shì)是其滿足私人定制的能力，那么這一服務(wù)目的本身就與高效量產(chǎn)制造的傳統(tǒng)思維背道而馳。如何高效、便攜地形成用戶接觸是3D打印相關(guān)從業(yè)者需要思考的問(wèn)題。

3D打印從業(yè)人員一直在改善這四大缺陷。這里重點(diǎn)回顧一下這幾年3D打印提速的創(chuàng)新。3D打印的蝸速一直是制約其大規(guī)模制造的最大瓶頸，直到一家來(lái)自硅谷的叫Carbon 3D的初創(chuàng)公司在2015年發(fā)明了名為連續(xù)液體界面制造 (Continuous Liquid Interface Production, CLIP)的新型快速3D打印技術(shù)。平地起驚雷，3D打印也許從此從火車隆隆進(jìn)入了音速時(shí)代。

革命性的CLIP工藝登上了Science的封面

不管是何種3D打印方式，都受制于累層不連續(xù)性，幾厘米大小的物件通常耗時(shí)幾個(gè)小時(shí)。而CLIP技術(shù)基于立體光刻技術(shù)(SLA)，利用氧氣對(duì)光固化作用的抑制，達(dá)成光敏樹脂的連續(xù)、快速成型。它比傳統(tǒng)的技術(shù)快了25到100倍。

CLIP原理

CLIP打印機(jī)的底部是一層由可熔性聚四氟乙烯Teflon AF 2400構(gòu)成的透氧透光窗口，而充滿氧氣的樹脂溶液是無(wú)法進(jìn)行光固化反應(yīng)的，這一區(qū)域便形成了“死水區(qū)”(Dead Zone)。通過(guò)調(diào)節(jié)氧氣含量、光強(qiáng)等變量，死水區(qū)的厚度（大約幾十微米）得以調(diào)控。死水區(qū)之上就是可打印區(qū)，投影的光源基于CAD模型的分層形狀把紫外光打在打印平面上，使得該層的樹脂溶液固化。制造平臺(tái)按照一定的速度上移，帶動(dòng)已經(jīng)被固化的樹脂繼續(xù)“拉起”即時(shí)被打印的部分。

基于CLIP的Carbon 3D打印機(jī)

整個(gè)技術(shù)的核心與關(guān)鍵，也是CLIP與傳統(tǒng)SLA技術(shù)的最大區(qū)別，就是創(chuàng)生了由透氧造成的死水區(qū)。傳統(tǒng)的SLA工藝如下圖所示，依靠光源以點(diǎn)為單位逐次固化打印平臺(tái)與樹脂液池底部之間的液態(tài)光敏樹脂，然后被固化的樹脂會(huì)被平臺(tái)拉起形成分離，以防止固液混合體附著在底部。在這一過(guò)程中液態(tài)樹脂回流，平臺(tái)重新浸入溶液中，重新開始下一層的固化，如此往復(fù)。這個(gè)過(guò)程是間斷不連續(xù)的，每一層的成型都伴隨著分離、回流。而CLIP技術(shù)是接近連續(xù)不間斷的，其打印速度的制約因素變成了固化速度和液體黏度。

傳統(tǒng)SLA與CLIP的對(duì)比(Tumbleston et al., 2015, Science)

2017年三月，Carbon 3D發(fā)布了第二代CLIP 3D打印機(jī)，進(jìn)一步提升了打印空間。值得注意的是，Carbon采用的是類似“訂閱”的購(gòu)買方式。一年的機(jī)器使用費(fèi)用是5萬(wàn)美元，而安裝費(fèi)和培訓(xùn)費(fèi)為1.5萬(wàn)美元/年。這一價(jià)格雖然比傳統(tǒng)3D打印巨頭的產(chǎn)品低了一些，但依舊比SLA入門價(jià)格高了不少。

另外，其所用耗材和其它SLA 3D打印機(jī)一樣也是自制的樹脂液，每升造價(jià)高達(dá)124 - 474美元。如果像Carbon 3D所營(yíng)銷的口號(hào)那樣，“停止試樣，開始量產(chǎn) (Stop prototyping. Start producing)”，那么如此量產(chǎn)的毛利率很可能會(huì)很低。目前Carbon 3D已經(jīng)鋪開與各個(gè)領(lǐng)域的合作，比如與阿迪達(dá)斯合作開發(fā)3D打印鞋。雖然據(jù)筆者了解，在這個(gè)案例中3D打印仍然只是起到產(chǎn)品制造終端的替代，尚未整合私人定制的功用，但這也許將會(huì)是3D打印真正進(jìn)入消費(fèi)品市場(chǎng)，乃至部分替代傳統(tǒng)制作的里程碑。

Carbon 3D與adidas聯(lián)合開發(fā)的Futurecraft 4D

截至目前，另有兩家初創(chuàng)公司聲稱它們的技術(shù)能夠媲美甚至超過(guò)CLIP。去年，來(lái)自溫哥華的初創(chuàng)公司NewPro3D推出了智能液態(tài)界面技術(shù) (Intelligent Liquid Interface, ILI)，其原理類似CLIP技術(shù)。NewPro3D用一種可吸附薄膜來(lái)起到CLIP中透氧層的作用，抑制了光固化作用并且同樣略過(guò)了傳統(tǒng)SLA技術(shù)的分離步驟。NewPro3D聲稱，Carbon的CLIP在光源邊緣的固化效率不夠，ILI有效地解決了這一問(wèn)題，因此速度甚至更快。另外，專業(yè)人士指出， CLIP仍未解決液體回流等待時(shí)間的問(wèn)題。因此，這一新技術(shù)對(duì)于纖細(xì)或者鏤空的打印目標(biāo)效果卓越，而實(shí)心的寬厚的打印物件效果要差一些。ILI通過(guò)設(shè)定非勻速打印速度來(lái)改善這一問(wèn)題，簡(jiǎn)單而言，其打印速度取決于目標(biāo)的分層寬度。

NewPro3D的ILI技術(shù)

ILI聲稱的巨大速度優(yōu)勢(shì)

無(wú)獨(dú)有偶，意大利的初創(chuàng)Nexa3D幾乎在同一時(shí)間開啟了自潤(rùn)子層光固化 (Self-Lubricant Sublayer Photocuring, LSPc) 3D打印機(jī)的眾籌。LSPc的核心專利技術(shù)在于其逐層釋放特質(zhì)油層而產(chǎn)生自潤(rùn)薄膜的能力。這一自潤(rùn)層的作用類似CLIP的透氧層和ILI的可吸附薄膜，其目的都在于略過(guò)固化樹脂與平臺(tái)分離過(guò)程這一步驟，從而使打印過(guò)程能盡可能地接近連續(xù)作業(yè)。

Nexa3D的LSPc3D打印機(jī)效果圖

截止目前，NewPro3D和Nexa3D都未正式發(fā)布其產(chǎn)品，相信還有一些技術(shù)細(xì)節(jié)有待完善。可以預(yù)見的是，基于固體光刻技術(shù)的3D打印工藝已經(jīng)開始全面提速，3D打印量產(chǎn)的曙光初現(xiàn)。這些自帶黑科技的初創(chuàng)公司必然會(huì)刺激像Stratasys、EOS這樣的3D打印工業(yè)巨頭重新審視3D打印產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)，把部分的注意力從從事生物醫(yī)學(xué)、航空航天、機(jī)械制造的科研機(jī)構(gòu)和大型制造企業(yè)身上再度轉(zhuǎn)向大眾消費(fèi)者市場(chǎng)。當(dāng)3D打印的這些槽點(diǎn)都成了歷史的時(shí)候，也許第四次工業(yè)革命，至少是制造業(yè)的革命，才有可能到來(lái)。

作者/ 廖志鵬Floyd：澳大利亞悉尼大學(xué)計(jì)算機(jī)生物力學(xué)博士，目前正在從事基于3D打印與工程優(yōu)化技術(shù)的私人定制可穿戴項(xiàng)目，研究領(lǐng)域包括生物力學(xué)分析，骨重建算法開發(fā)，置換植入體優(yōu)化等。