3D打印不是萬(wàn)能的，但FDM技術(shù)也沒那么LOW

作者：李剛


導(dǎo)語(yǔ)：以第四次工業(yè)革命、革新制造業(yè)之名，3D打印技術(shù)一度被推上神壇，然而至今并不大的市場(chǎng)規(guī)模（全球百億美金）讓從業(yè)者似乎看不清未來(lái)，GE、HP、西門子等體量較大的世界500強(qiáng)公司也在推動(dòng)變革，不過3D打印給人的印象是，似乎什么都能做，似乎也做不了什么。


3D打印一個(gè)人的頭像能產(chǎn)生什么價(jià)值呢？


3D打印技術(shù)造房子

      今天要寫這篇文章的目的也很簡(jiǎn)單，我們每天看到的新聞，打印火箭、打印汽車、打印房子、打印人體關(guān)節(jié)、打印細(xì)胞、打印文物、打印家具等等，3D打印似乎無(wú)所不能，但是這些新聞的技術(shù)應(yīng)用是概念炒作還是未來(lái)方向，包括我在內(nèi)的大眾其實(shí)很難判斷，我們?cè)撛趺慈ダ�用好這些技術(shù)，從哪里入手仍然是一個(gè)不太好回答的問題。


FDM技術(shù)打印出不同顏色的物品

      所以這篇文章的初衷還是希望大家更加理性客觀的去理解3D打印技術(shù)，了解技術(shù)的應(yīng)用，之前寫過關(guān)于全彩3D打印的分享《挑戰(zhàn)色彩管理極限 揭秘3D打印彩色物體》，今天主要和大家聊的是3D打印技術(shù)里最容易使用、最基礎(chǔ)的技術(shù)，也就是FDM技術(shù)，下面結(jié)合我過去6年接觸和使用FDM技術(shù)和產(chǎn)品的理解，還有周圍朋友將FDM玩到極致的DBS以及康濕傅等人，讓我對(duì)FDM技術(shù)的理解更加深刻。


筆者當(dāng)年見到第一臺(tái)3D system的Cube打印出來(lái)的小瓶子

       首先要和大家分享一個(gè)概念，3D打印技術(shù)學(xué)名增材制造，是一類技術(shù)的統(tǒng)稱，根據(jù)技術(shù)原理、材料以及應(yīng)用的不同，技術(shù)類型又分為7大類，小的細(xì)分技術(shù)數(shù)十種，這些技術(shù)的共通點(diǎn)都是將三維模型離散為二維切片數(shù)據(jù)，然后逐層堆積或燒結(jié)固化材料，最終將三維數(shù)據(jù)變?yōu)榱Ⅲw實(shí)物。


FDM雙頭雙色打印打印的雙色模型

      3D打印技術(shù)一定不能萬(wàn)能，客觀來(lái)講，它最初是為了實(shí)現(xiàn)快速原型而發(fā)明的，隨著技術(shù)和材料的發(fā)展，現(xiàn)在在向工業(yè)化的直接制造發(fā)展，無(wú)論是工業(yè)4.0還是國(guó)家提倡的《中國(guó)制造2025》，都離不開這個(gè)技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)與傳統(tǒng)的機(jī)加工、模具注塑、金屬注塑（MIM）等技術(shù)工藝一樣，能夠應(yīng)對(duì)更復(fù)雜和優(yōu)化的設(shè)計(jì)、單件和小批量加工，有一定的技術(shù)特點(diǎn)，與其它工藝應(yīng)該是互補(bǔ)的關(guān)系，目前還不能臆斷的去講3D打印技術(shù)可以替代傳統(tǒng)工藝，可以理解為是一種面對(duì)客戶的定制化需求、快速原型以及優(yōu)化設(shè)計(jì)的快速加工工藝和技術(shù)。


2011年之前的FDM打印機(jī)是這個(gè)樣子

      我們最容易接觸的3D打印細(xì)分技術(shù)之一是FDM技術(shù)（熔融堆積），所使用的材料大部分是高分子線材，比如廉價(jià)穩(wěn)定的PLA、ABS等，但是也有物理性能更好的材料，比如復(fù)合碳纖維、尼龍、PEEK、PC、PP等材料，由于該技術(shù)門檻低，最廉價(jià)的有幾百元的硬件，但是定位工業(yè)應(yīng)用FDM設(shè)備數(shù)百萬(wàn)，然而仍然有不少人認(rèn)為這個(gè)技術(shù)太初級(jí)，沒有什么技術(shù)門檻，和激光燒結(jié)技術(shù)、噴射類技術(shù)、光固化技術(shù)相比，略微有點(diǎn)LOW，但是我卻不這么認(rèn)為。

3D打印和航空航天關(guān)聯(lián)最多的案例是3D打印航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片或者噴油組件，然而東方航空的技術(shù)公司早已經(jīng)利用FDM 3D打印技術(shù)來(lái)進(jìn)行飛機(jī)客艙內(nèi)的配件維修和更換，所使用的材料ULTEM 9085是一種通過美國(guó)聯(lián)邦航空管理局認(rèn)證的材料，具有很好的強(qiáng)重比和阻燃性。


東方航空技術(shù)公司利用FDM技術(shù)打印的座椅書報(bào)架

      截止到2017年，東方航空技術(shù)有限公司增材制造實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出客艙零件30多種，共生產(chǎn)了500多件成品零件裝配在飛機(jī)客艙內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)上標(biāo)準(zhǔn)零件的快速制造和定制化零件的設(shè)計(jì)、開發(fā)、生產(chǎn)，解決了過去易損零件訂貨周期長(zhǎng)訂貨成本高的問題。


東方航空技術(shù)公司利用FDM技術(shù)打印iPad支架，用于查閱飛行手冊(cè)

      上次采訪東航維修公司的時(shí)候，他們?cè)谑褂靡慌_(tái)Stratasys Fortus 450在進(jìn)行飛機(jī)客艙內(nèi)飾零件的生產(chǎn)，一臺(tái)設(shè)備就已經(jīng)產(chǎn)生不小的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。


東方航空技術(shù)公司利用FDM技術(shù)打印iPad支架，用于查閱飛行手冊(cè)

      所以，我們大部分人對(duì)FDM技術(shù)和材料的理解還處于比較初級(jí)的階段，而在實(shí)際的應(yīng)用中，具有一定生產(chǎn)能力的FDM技術(shù)3D打印機(jī)已經(jīng)很好的完成了從實(shí)驗(yàn)到商業(yè)的轉(zhuǎn)化。

汽車工業(yè)的規(guī)模和產(chǎn)值在制造業(yè)占有極為重要的位置，汽車的生產(chǎn)制造也正在經(jīng)歷著諸多變革。在生產(chǎn)線上，優(yōu)化部門既要保證生產(chǎn)不停，又要完成對(duì)工裝夾具的優(yōu)化和試裝，相信不少車廠都會(huì)遇到同類的問題。


北京奔馳在利用FDM技術(shù)3D打印進(jìn)行工裝夾具優(yōu)化


北京奔馳的工具車間打印的一個(gè)量具模型

      我們知道北京奔馳在用FDM技術(shù)3D打印機(jī)進(jìn)行工裝夾具和量具的設(shè)計(jì)優(yōu)化，而通用汽車已使用3D打印用于產(chǎn)品開發(fā)三十多年，并且在過去的十年中，使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)了超過250000個(gè)零部件。


通用利用3D打印機(jī)打印工裝夾具


金屬3D打印直接制造的金屬零件，設(shè)計(jì)優(yōu)化更重要

      全新的零件設(shè)計(jì)，與原來(lái)的部件相比，重量減少40%，機(jī)械強(qiáng)度提高20%，原有的8個(gè)組裝零件變?yōu)?個(gè)，從而實(shí)現(xiàn)了無(wú)需組裝、一體化成型。

       寶馬i8Roadster的軟頂采用3D打印鋁制部件，呈Z字型折疊，通過粉末床金屬3D打印技術(shù)制造的輕量化支架也隨著i8Roadster的批量化生產(chǎn)而進(jìn)入到量產(chǎn)領(lǐng)域。


XEV利用FDM技術(shù)打印電動(dòng)車的車體結(jié)構(gòu)和內(nèi)飾件，輸出3D打印生產(chǎn)線

       除了這些大廠之外，中國(guó)電動(dòng)車公司也在利用3D打印技術(shù)進(jìn)行汽車制造，世界首款量產(chǎn)3D打印電動(dòng)車LSEV由意大利電動(dòng)車制造商XElectricalVehicle(XEV)與中國(guó)3D打印廠商Polymaker公司合作制造，然而據(jù)了解XEV這家公司的主要業(yè)務(wù)是輸出3D打印汽車的生產(chǎn)解決方案。


XEV的內(nèi)飾零件也是3D打印的

      在汽車工業(yè)中，幾乎所有的車企都在利用3D打印技術(shù)積極優(yōu)化設(shè)計(jì)驗(yàn)證和終極生產(chǎn)效率，并最終用于零件的制造�？梢灶A(yù)想到的是，汽車工業(yè)中不僅需要金屬3D打印技術(shù)，還需要大型FDM技術(shù)或者專業(yè)級(jí)的FDM打印機(jī)，比如MarkForged的碳纖維3D打印機(jī)。

當(dāng)提到金屬3D打印的時(shí)候，業(yè)內(nèi)大部分會(huì)認(rèn)為SLM技術(shù)（激光燒結(jié)金屬粉末）或者EBM（電子束燒結(jié)金屬粉末）技術(shù)是主流，然而該技術(shù)的工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)的使用門檻還是比較高的。


FDM技術(shù)結(jié)合MIM工藝打印金屬零件

      FDM技術(shù)同樣能夠制造金屬零件，目前有兩大類利用FDM技術(shù)來(lái)生產(chǎn)金屬零件，一種是用FDM技術(shù)打印可以用失蠟法鑄造的模具，然后用傳統(tǒng)這鑄造工藝來(lái)進(jìn)行小批量金屬件的生產(chǎn)。


FDM技術(shù)結(jié)合MIM工藝打印金屬零件，燒結(jié)之后的金屬零件成品

      還有一類工藝是利用FDM技術(shù)結(jié)合MIM工藝，也就是像Desktop Metal或MarkForged的方案，直接打印金屬注塑材料，然后清洗、燒結(jié)，最終產(chǎn)出金屬零件。


FDM技術(shù)結(jié)合MIM工藝打印金屬零件（左：金屬件；右：綠坯）


MarkForged Metal X打印的金屬零件


MarkForged Metal X打印的金屬零件


FDM技術(shù)打印的PolyCast材料進(jìn)行金屬鑄造


FDM技術(shù)打印的PolyCast材料進(jìn)行金屬鑄造


FDM技術(shù)打印的PolyCast材料進(jìn)行金屬鑄造

      無(wú)論是鑄造還是金屬注塑工藝，都是將傳統(tǒng)技術(shù)、材料和FDM技術(shù)進(jìn)行了結(jié)合，所以目前FDM技術(shù)是可以用于金屬零件的生產(chǎn)加工，優(yōu)勢(shì)是硬件更靈活，成本更低。

PEEK，學(xué)名聚醚醚酮，英文名稱polyetheretherketone（簡(jiǎn)稱PEEK），它是分子主鏈中含有鏈節(jié)的線性芳香族高分子化合物。其構(gòu)成單位為氧-對(duì)亞苯基-氧-羰-對(duì)亞苯基，是半結(jié)晶性、熱塑性塑料。


FDM技術(shù)打印PEEK零件

      聚醚醚酮(PEEK)樹脂是一種性能優(yōu)異的特種工程塑料，與其他特種工程塑料相比具有更多顯著優(yōu)勢(shì)，耐正高溫260度、機(jī)械性能優(yōu)異、自潤(rùn)滑性好、耐化學(xué)品腐蝕、阻燃、耐剝離性、耐磨性、不耐強(qiáng)硝酸、濃硫酸、抗輻射、超強(qiáng)的機(jī)械性能可用于高端的機(jī)械、核工程和航空等科技。


FDM技術(shù)打印PEEK零件

      PEEK這種材料不僅物理特性好，而且具有非常好的生物兼容性，能夠像鈦合金一樣作為人體植入物來(lái)使用。


FDM技術(shù)打印PEEK零件

      目前，不少FDM技術(shù)的企業(yè)已經(jīng)推出了針對(duì)PEEK材料的3D打印機(jī)，結(jié)合PEEK這種性能卓越的熱塑性材料進(jìn)行個(gè)性化零件的加工和生產(chǎn)，比如德國(guó)的Apium，要加工PEEK這種材料，打印機(jī)要具備高溫、恒溫和高精度加工能力。

   前面聊的是具有一定生產(chǎn)能力的工業(yè)級(jí)FDM技術(shù)的3D打印機(jī)的應(yīng)用價(jià)值，下面，我舉三個(gè)利用普通的桌面級(jí)FDM 3D打印機(jī)來(lái)進(jìn)行創(chuàng)作的例子，因?yàn)樽烂鏅C(jī)價(jià)格和使用門檻都很低，對(duì)大部分個(gè)人都能去使用，但是有的人能用來(lái)創(chuàng)作大型作品，有的人比如我，也就能打一些小玩意，在專業(yè)玩家手里，依舊能產(chǎn)生巨大的價(jià)值，再次證明了FDM技術(shù)的3D打印機(jī)并不LOW，只是我們大部分人沒有將它的價(jià)值發(fā)揮到最大。


@康康康濕傅制作的1:1鋼鐵俠機(jī)甲

      @康康康濕傅花費(fèi)了近10年的時(shí)間，利用FDM技術(shù)3D打印機(jī)完成了可穿戴帶交互的1:1鋼鐵俠機(jī)甲的開發(fā)和制作，在此過程中，付出了巨大的心血和精力，當(dāng)我們看到成品的時(shí)候，你很難想象，這就是一套用最普通的FDM 3D打印機(jī)完成的開發(fā)和制造。


FDM技術(shù)3D打印機(jī)打印的全部零件


噴漆后的鋼鐵俠機(jī)甲零件


同樣是使用FDM技術(shù)3D打印機(jī)來(lái)打印

      在此過程中，@康康康濕傅還是借助FDM技術(shù)3D打印機(jī)完成了大量電影道具的開發(fā)工作，積累了3D打印和影視實(shí)體道具開發(fā)的全部經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)儲(chǔ)備。

藝術(shù)家劉泳岐在2015年幫助藝人歐豪身穿的機(jī)械外骨骼設(shè)定，這套機(jī)械外骨骼經(jīng)過三維設(shè)計(jì)，整套裝備80%的零件經(jīng)過數(shù)十臺(tái)FDM 3D打印機(jī)不分晝夜的打印了上百組零件，然后進(jìn)行精工裝配，呈現(xiàn)了未來(lái)戰(zhàn)士的先鋒科技感。


打印機(jī)械外骨骼的FDM技術(shù)3D打印機(jī)


利用FDM打印技術(shù)制作的機(jī)械外骨骼

      它創(chuàng)作的時(shí)間是在2015年，3D打印行業(yè)應(yīng)該沒有太多人關(guān)注到這個(gè)項(xiàng)目，而歐豪穿的這套機(jī)械外骨骼的零件，大部分由FDM 3D打印機(jī)制作完成，在沒做任何表面處理的情況下毫無(wú)粗糙感和違和感，這需要對(duì)FDM技術(shù)有非常好的理解才可以發(fā)揮到很極致。


歐豪MV中的道具機(jī)械外骨骼

      關(guān)于3D打印和設(shè)計(jì)，這個(gè)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人劉泳岐的理解是：“design這個(gè)詞很多人說是包豪斯定義的，不管是誰(shuí)定義，設(shè)計(jì)其實(shí)就是在那個(gè)背景應(yīng)運(yùn)而生，而工業(yè)革命和兩次世界大戰(zhàn)的大時(shí)代命運(yùn)，人們不得不加快生產(chǎn)效率，設(shè)計(jì)是一種迫切的目的，所以引發(fā)新一輪的工具和材料的變革，人們發(fā)明各種設(shè)備在各種行業(yè)里從事更快更“好”的生產(chǎn)，所以設(shè)計(jì)一開始就是目的為先不是理念為先。而3D打印算是一個(gè)新的工具的發(fā)明，如何使用它的經(jīng)驗(yàn)方法就是3D打印設(shè)計(jì)，3D打印的料性、特征、機(jī)理、以及效率等因素需要不斷洗刷從前的工業(yè)設(shè)備及材料認(rèn)識(shí)，所以3D打印一定會(huì)幫助更多設(shè)計(jì)師，同時(shí)也會(huì)破壞一定的平衡，比如我經(jīng)常會(huì)思考的一個(gè)問題是傳統(tǒng)行業(yè)是該保留還是該滅亡”。

近期，張飛打印正式發(fā)布了曾侯乙編鐘交互裝置，去年開啟的項(xiàng)目暫時(shí)告一段落，這套編鐘復(fù)制品看上去近乎接近于原品，而且還能發(fā)聲，整體以FDM 3D打印打印技術(shù)為主，輔助使用交互芯片，最終實(shí)現(xiàn)一個(gè)與兩千多年前編鐘發(fā)聲相同的互動(dòng)媒體裝置。


3D打印編鐘交互裝置

      以聞名遐邇的“曾侯乙編鐘”作為原始參照模型，在尊重國(guó)之重器時(shí)，創(chuàng)新出更具時(shí)代氣息的3D打印編鐘。鈕鐘，形體上取曾侯乙鈕鐘造型，鐘體銘文替換成“北京工業(yè)大學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院”以作紀(jì)念。


利用FDM 3D打印技術(shù)機(jī)型實(shí)體制造


利用FDM 3D打印技術(shù)機(jī)型實(shí)體制造

      張飛打印過去利用FDM 3D打印技術(shù)制做了大量的藝術(shù)裝置和作品，包括《馬上張飛》、《李小龍》、《瑪麗蓮夢(mèng)露》等等太多數(shù)不過來(lái)，每年帶著學(xué)生利用FDM 3D打印機(jī)進(jìn)行畢業(yè)作品的創(chuàng)作。最終呈現(xiàn)出來(lái)的作品，將我們帶回到歷史的那個(gè)年代，重新思考藝術(shù)與創(chuàng)新、藝術(shù)與技術(shù)。

      結(jié)語(yǔ)：再次重申一下我的觀點(diǎn)，3D打印并非萬(wàn)能，而FDM技術(shù)的3D打印也沒有大家想象中和認(rèn)知中的那么低端，我們更多的應(yīng)該去思考，這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)該用在哪里，怎么去發(fā)揮技術(shù)和材料的特性，最終帶來(lái)價(jià)值。然而，無(wú)一例外的是，我們看到的這些成果，使用者和他們的團(tuán)隊(duì)在背后都付出了巨大的心血，無(wú)論是創(chuàng)意和設(shè)計(jì)層面的思考，還是對(duì)技術(shù)的理解，以及最后的精細(xì)化處理和涂裝，結(jié)合了先進(jìn)技術(shù)和傳統(tǒng)工藝的優(yōu)勢(shì)，在我看來(lái)，這就是創(chuàng)新的關(guān)鍵所在，所以，請(qǐng)讓我們心懷敬畏之心參與到創(chuàng)新加工的時(shí)代中。