导语:以第四次工业革命、革新制造业之名,3D打印技术一度被推上神坛,然而至今并不大的市场规模(全球百亿美金)让从业者似乎看不清未来,GE、HP、西门子等体量较大的世界500强公司也在推动变革,不过3D打印给人的印象是,似乎什么都能做,似乎也做不了什么。

                                                     3D打印一个人的头像能产生什么价值呢?

                                                            3D打印技术造房子

      今天要写这篇文章的目的也很简单,我们每天看到的新闻,打印火箭、打印汽车、打印房子、打印人体关节、打印细胞、打印文物、打印家具等等,3D打印似乎无所不能,但是这些新闻的技术应用是概念炒作还是未来方向,包括我在内的大众其实很难判断,我们该怎么去利用好这些技术,从哪里入手仍然是一个不太好回答的问题。 

                                                     FDM技术打印出不同颜色的物品

   所以这篇文章的初衷还是希望大家更加理性客观的去理解3D打印技术,了解技术的应用,之前写过关于全彩3D打印的分享《挑战色彩管理极限 揭秘3D打印彩色物体》,今天主要和大家聊的是3D打印技术里最容易使用、最基础的技术,也就是FDM技术,下面结合我过去6年接触和使用FDM技术和产品的理解,还有周围朋友将FDM玩到极致的DBS以及康湿傅等人,让我对FDM技术的理解更加深刻。

                                      笔者当年见到第一台3D system的Cube打印出来的小瓶子

 首先要和大家分享一个概念,3D打印技术学名增材制造,是一类技术的统称,根据技术原理、材料以及应用的不同,技术类型又分为7大类,小的细分技术数十种,这些技术的共通点都是将三维模型离散为二维切片数据,然后逐层堆积或烧结固化材料,最终将三维数据变为立体实物。

                                                   FDM双头双色打印打印的双色模型

 3D打印技术一定不能万能,客观来讲,它最初是为了实现快速原型而发明的,随着技术和材料的发展,现在在向工业化的直接制造发展,无论是工业4.0还是国家提倡的《中国制造2025》,都离不开这个技术,这项技术与传统的机加工、模具注塑、金属注塑(MIM)等技术工艺一样,能够应对更复杂和优化的设计、单件和小批量加工,有一定的技术特点,与其它工艺应该是互补的关系,目前还不能臆断的去讲3D打印技术可以替代传统工艺,可以理解为是一种面对客户的定制化需求、快速原型以及优化设计的快速加工工艺和技术。

 

                                                       2011年之前的FDM打印机是这个样子

      我们最容易接触的3D打印细分技术之一是FDM技术(熔融堆积),所使用的材料大部分是高分子线材,比如廉价稳定的PLA、ABS等,但是也有物理性能更好的材料,比如复合碳纤维、尼龙、PEEK、PC、PP等材料,由于该技术门槛低,最廉价的有几百元的硬件,但是定位工业应用FDM设备数百万,然而仍然有不少人认为这个技术太初级,没有什么技术门槛,和激光烧结技术、喷射类技术、光固化技术相比,略微有点LOW,但是我却不这么认为。

 3D打印和航空航天关联最多的案例是3D打印航空发动机叶片或者喷油组件,然而东方航空的技术公司早已经利用FDM 3D打印技术来进行飞机客舱内的配件维修和更换,所使用的材料ULTEM 9085是一种通过美国联邦航空管理局认证的材料,具有很好的强重比和阻燃性。

                                        东方航空技术公司利用FDM技术打印的座椅书报架

      截止到2017年,东方航空技术有限公司增材制造实验室开发出客舱零件30多种,共生产了500多件成品零件装配在飞机客舱内,实现了飞机上标准零件的快速制造和定制化零件的设计、开发、生产,解决了过去易损零件订货周期长订货成本高的问题。

                                东方航空技术公司利用FDM技术打印iPad支架,用于查阅飞行手册

  上次采访东航维修公司的时候,他们在使用一台Stratasys Fortus 450在进行飞机客舱内饰零件的生产,一台设备就已经产生不小的经济效应。

                             东方航空技术公司利用FDM技术打印iPad支架,用于查阅飞行手册

  所以,我们大部分人对FDM技术和材料的理解还处于比较初级的阶段,而在实际的应用中,具有一定生产能力的FDM技术3D打印机已经很好的完成了从实验到商业的转化。

汽车工业的规模和产值在制造业占有极为重要的位置,汽车的生产制造也正在经历着诸多变革。在生产线上,优化部门既要保证生产不停,又要完成对工装夹具的优化和试装,相信不少车厂都会遇到同类的问题。

                                           北京奔驰在利用FDM技术3D打印进行工装夹具优化

                                                  北京奔驰的工具车间打印的一个量具模型

      我们知道北京奔驰在用FDM技术3D打印机进行工装夹具和量具的设计优化,而通用汽车已使用3D打印用于产品开发三十多年,并且在过去的十年中,使用3D打印技术生产了超过250000个零部件。

                                                             通用利用3D打印机打印工装夹具

 

 

                                                  金属3D打印直接制造的金属零件,设计优化更重要

  全新的零件设计,与原来的部件相比,重量减少40%,机械强度提高20%,原有的8个组装零件变为1个,从而实现了无需组装、一体化成型。

   宝马i8Roadster的软顶采用3D打印铝制部件,呈Z字型折叠,通过粉末床金属3D打印技术制造的轻量化支架也随着i8Roadster的批量化生产而进入到量产领域。

                          XEV利用FDM技术打印电动车的车体结构和内饰件,输出3D打印生产线

  除了这些大厂之外,中国电动车公司也在利用3D打印技术进行汽车制造,世界首款量产3D打印电动车LSEV由意大利电动车制造商XElectricalVehicle(XEV)与中国3D打印厂商Polymaker公司合作制造,然而据了解XEV这家公司的主要业务是输出3D打印汽车的生产解决方案。

 

                                                      XEV的内饰零件也是3D打印的

   在汽车工业中,几乎所有的车企都在利用3D打印技术积极优化设计验证和终极生产效率,并最终用于零件的制造。可以预想到的是,汽车工业中不仅需要金属3D打印技术,还需要大型FDM技术或者专业级的FDM打印机,比如MarkForged的碳纤维3D打印机。

当提到金属3D打印的时候,业内大部分会认为SLM技术(激光烧结金属粉末)或者EBM(电子束烧结金属粉末)技术是主流,然而该技术的工业级3D打印机的使用门槛还是比较高的。

                                               FDM技术结合MIM工艺打印金属零件

 FDM技术同样能够制造金属零件,目前有两大类利用FDM技术来生产金属零件,一种是用FDM技术打印可以用失蜡法铸造的模具,然后用传统这铸造工艺来进行小批量金属件的生产。

                                  FDM技术结合MIM工艺打印金属零件,烧结之后的金属零件成品

 还有一类工艺是利用FDM技术结合MIM工艺,也就是像Desktop Metal或MarkForged的方案,直接打印金属注塑材料,然后清洗、烧结,最终产出金属零件。

                                          FDM技术结合MIM工艺打印金属零件(左:金属件;右:绿坯)

                                                  MarkForged Metal X打印的金属零件

                                                    MarkForged Metal X打印的金属零件

                                                FDM技术打印的PolyCast材料进行金属铸造

                                            FDM技术打印的PolyCast材料进行金属铸造

                                               FDM技术打印的PolyCast材料进行金属铸造

      无论是铸造还是金属注塑工艺,都是将传统技术、材料和FDM技术进行了结合,所以目前FDM技术是可以用于金属零件的生产加工,优势是硬件更灵活,成本更低。

 PEEK,学名聚醚醚酮,英文名称polyetheretherketone(简称PEEK),它是分子主链中含有链节的线性芳香族高分子化合物。其构成单位为氧-对亚苯基-氧-羰-对亚苯基,是半结晶性、热塑性塑料。

                                                    FDM技术打印PEEK零件

  聚醚醚酮(PEEK)树脂是一种性能优异的特种工程塑料,与其他特种工程塑料相比具有更多显著优势,耐正高温260度、机械性能优异、自润滑性好、耐化学品腐蚀、阻燃、耐剥离性、耐磨性、不耐强硝酸、浓硫酸、抗辐射、超强的机械性能可用于高端的机械、核工程和航空等科技。

                                                          FDM技术打印PEEK零件

   PEEK这种材料不仅物理特性好,而且具有非常好的生物兼容性,能够像钛合金一样作为人体植入物来使用。

                                                           FDM技术打印PEEK零件

 目前,不少FDM技术的企业已经推出了针对PEEK材料的3D打印机,结合PEEK这种性能卓越的热塑性材料进行个性化零件的加工和生产,比如德国的Apium,要加工PEEK这种材料,打印机要具备高温、恒温和高精度加工能力。

  前面聊的是具有一定生产能力的工业级FDM技术的3D打印机的应用价值,下面,我举三个利用普通的桌面级FDM 3D打印机来进行创作的例子,因为桌面机价格和使用门槛都很低,对大部分个人都能去使用,但是有的人能用来创作大型作品,有的人比如我,也就能打一些小玩意,在专业玩家手里,依旧能产生巨大的价值,再次证明了FDM技术的3D打印机并不LOW,只是我们大部分人没有将它的价值发挥到最大。

                                                  @康康康湿傅制作的1:1钢铁侠机甲

  @康康康湿傅花费了近10年的时间,利用FDM技术3D打印机完成了可穿戴带交互的1:1钢铁侠机甲的开发和制作,在此过程中,付出了巨大的心血和精力,当我们看到成品的时候,你很难想象,这就是一套用最普通的FDM 3D打印机完成的开发和制造。

                                                   FDM技术3D打印机打印的全部零件

                                                           喷漆后的钢铁侠机甲零件

                                                  同样是使用FDM技术3D打印机来打印

  在此过程中,@康康康湿傅还是借助FDM技术3D打印机完成了大量电影道具的开发工作,积累了3D打印和影视实体道具开发的全部经验和技术储备。

 艺术家刘泳岐在2015年帮助艺人欧豪身穿的机械外骨骼设定,这套机械外骨骼经过三维设计,整套装备80%的零件经过数十台FDM 3D打印机不分昼夜的打印了上百组零件,然后进行精工装配,呈现了未来战士的先锋科技感。

                                                打印机械外骨骼的FDM技术3D打印机

                                              利用FDM打印技术制作的机械外骨骼

    它创作的时间是在2015年,3D打印行业应该没有太多人关注到这个项目,而欧豪穿的这套机械外骨骼的零件,大部分由FDM 3D打印机制作完成,在没做任何表面处理的情况下毫无粗糙感和违和感,这需要对FDM技术有非常好的理解才可以发挥到很极致。

 

                                                      欧豪MV中的道具机械外骨骼

  关于3D打印和设计,这个项目负责人刘泳岐的理解是:“design这个词很多人说是包豪斯定义的,不管是谁定义,设计其实就是在那个背景应运而生,而工业革命和两次世界大战的大时代命运,人们不得不加快生产效率,设计是一种迫切的目的,所以引发新一轮的工具和材料的变革,人们发明各种设备在各种行业里从事更快更“好”的生产,所以设计一开始就是目的为先不是理念为先。而3D打印算是一个新的工具的发明,如何使用它的经验方法就是3D打印设计,3D打印的料性、特征、机理、以及效率等因素需要不断洗刷从前的工业设备及材料认识,所以3D打印一定会帮助更多设计师,同时也会破坏一定的平衡,比如我经常会思考的一个问题是传统行业是该保留还是该灭亡”。 

近期,张飞打印正式发布了曾侯乙编钟交互装置,去年开启的项目暂时告一段落,这套编钟复制品看上去近乎接近于原品,而且还能发声,整体以FDM 3D打印打印技术为主,辅助使用交互芯片,最终实现一个与两千多年前编钟发声相同的互动媒体装置。

                                                           3D打印编钟交互装置

      以闻名遐迩的“曾侯乙编钟”作为原始参照模型,在尊重国之重器时,创新出更具时代气息的3D打印编钟。钮钟,形体上取曾侯乙钮钟造型,钟体铭文替换成“北京工业大学艺术设计学院”以作纪念。

                                                   利用FDM 3D打印技术机型实体制造

 

                                                 利用FDM 3D打印技术机型实体制造

  张飞打印过去利用FDM 3D打印技术制做了大量的艺术装置和作品,包括《马上张飞》、《李小龙》、《玛丽莲梦露》等等太多数不过来,每年带着学生利用FDM 3D打印机进行毕业作品的创作。最终呈现出来的作品,将我们带回到历史的那个年代,重新思考艺术与创新、艺术与技术。

 结语:再次重申一下我的观点,3D打印并非万能,而FDM技术的3D打印也没有大家想象中和认知中的那么低端,我们更多的应该去思考,这项技术应该用在哪里,怎么去发挥技术和材料的特性,最终带来价值。然而,无一例外的是,我们看到的这些成果,使用者和他们的团队在背后都付出了巨大的心血,无论是创意和设计层面的思考,还是对技术的理解,以及最后的精细化处理和涂装,结合了先进技术和传统工艺的优势,在我看来,这就是创新的关键所在,所以,请让我们心怀敬畏之心参与到创新加工的时代中。

来源:南极熊