3D打印：从打印鼠标到打印房子

　　美国霍什耐维斯教授项目组接受本报专访，首次向国内媒体揭秘如何“在月球上打印房子”上海交大机械与动力学院习俊通教授：“我并不认为3D打印技术是多么‘神乎其神’的东西”

　　3D打印最近很红。

　　《经济学人》杂志将这种技术列入第三次技术革命范围。“而今，我们仍然无法预测，3D打印将在漫长的时光里如何改变这个世界。”

　　这是什么样的一项技术？

　　它与普通打印机工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等打印材料，与电脑连接后，通过电脑控制把打印材料一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。

　　最初，这种快速成型技术制造出拳头大小的鼠标；后来，它打印出了最高时速达141公里的赛车；最近，南加利福尼亚州大学霍什耐维斯教授领衔的“轮廓建筑工艺” (ContourCrafting)项目组，试图利用3D打印技术在月球上“打印”一栋建筑！

　　日前，霍什耐维斯教授及其项目组部分成员接受了本报记者的专访，首次向国内媒体揭秘“在月球上打印房子”的奥秘。

　　打印一栋房子只需20小时

　　霍什耐维斯教授研发这项技术的最初动力，来自1994年某次地震后，他修复自家受损房屋过程中，感受到的种种人力所不及：速度慢、不安全、成本高。这样危险、辛苦的工作，为什么不能完全由机器来完成呢？

　　通过多年的潜心研究，霍什耐维斯教授研发出了“轮廓建筑工艺”技术，2004年，该项技术就已经能够“打印”出5英尺(约合1.52米)长、3英尺(约合0.91米)高、6英寸(0.15米)厚的建筑部件。随着近年来的技术改进，该技术不仅能够“打印”方形、圆形、环形甚至不规则形状的房屋部件，也有能力“打印”一整栋房子。

　　霍什耐维斯教授向记者提供的材料显示，房屋是这样被打印出来的：

　　先在要修建房子的空地上，安装巨大的 “打印”设备，而这一过程只需要两三位工人花费几个小时。这个设备的外观，有点像建筑行业中使用的两边有滑轨的巨大行车，只不过行车横梁上通常用来装吊货物的部分，装有巨大的给料器，按照房屋3维设计图，稳定均匀地挤压出混凝土，一层层地“打印”叠加，同时机械手还能拾取旁边的其他建筑材料安装，甚至还能做铺设瓷砖那样的精细活。

　　按照教授的估算，若要建起一栋2500平方英尺(约合232.3平方米)的房屋，仅需要20小时左右。

　　这样的“打印机”，不仅能“打出”一栋房屋，还能够建起一整片房屋群落，而且能够使得同一个群落内的房屋呈现不同的样貌。

　　记者迫不及待地问霍什耐维斯教授：什么时候能够看到“打印”出来的房子？

　　他幽默地说，那个大家伙目前放在实验室内，真要搬出来造房子，得先把实验室拆了才行。目前，那台巨大的“打印机”，还主要用于打印一些建筑部件等等。“轮廓建筑工艺”还处在技术转化阶段。

　　据霍什耐维斯教授介绍，除了节约时间外，“轮廓建筑工艺”最主要的优点之一，就是极大降低建筑成本。

　　他打了这么一个比方：就像用机器来制鞋和纯手工制鞋子一样，当然是机器制的鞋子比手工造的鞋子便宜。在美国目前的建筑成本中，45%-55%是人力成本；25%-30%是材料成本；如果使用“轮廓建筑工艺”来建造房子，那么人力成本几乎为零。成本的降低并不等于质量的下降：经测算，“轮廓建筑工艺”“打印”出来的建筑的最高强度能达到10000PSI(约合69.0MPa)，而人工建成的强度一般只有3000PSI(约合20.7MPa)。霍什耐维斯教授还特别强调，人力劳动的减少，自然能有效避免工伤事故。

　　“轮廓建筑工艺”技术还能打印不同功能的房子。

　　在霍什耐维斯教授的项目中，大致分以下两类：

　　第一类是紧急用房，即给遭受自然灾害的灾民或者被迫逃离家园的难民居住的房屋。“轮廓建筑工艺”技术建造出来的是真正的房屋，还能安装各种设施，强度和功能性都要优于现有的救灾帐篷或者活动板房，且速度快。

　　第二类是低成本住房，用于给穷人居住，能改善他们的居住条件，这类房屋的强度要比第一类更高，所需要的建造时间也更长一些，工序要更多。

　　霍什纳维斯教授的博士生、“轮廓建筑工艺”成员项目组张靖和袁宵表示：据先前一项估算，如果该项技术能够普及，机器的造价大约在10万到15万美元左右，一般的小型建筑公司完全能够负担得起。

　　“月球建筑工程”

　　教授领衔的课题组一年前把重心转向了另外一项美国航天局出资的项目——“月球建筑工程”。该工程其实也是“轮廓建筑工艺”技术的一种延展运用——“走出地球迈向太空”：

　　由于“轮廓建筑工艺”几乎不需要人力劳动，在目前把人类送上月球的成本还很高的前提下，利用这种技术在月球等外星球造房子是最佳的选择。

　　它可以建造航天器着陆场、防护墙以及永久基地等各种功能建筑。在月球环境下，“轮廓建筑工艺”技术所需要的机械，要考虑在没有大气层以及1/6地球重力等条件下工作的特殊情况，进行相应调整，所以它比在地球上造房子所需要的时间要更长一些，造100平方米左右的房子，可能需要两三天的时间。

　　张靖告诉记者，因为月球环境的特殊性，这项工程需要攻克的难关更多，目前最急需解决的难题是建筑材料哪里来？

　　曾有专家提出一种方案，在地球上建好所需各种部件，然后运到月球上组装，但这个方案的代价太高。

　　张靖给记者算了一笔账，把地球上1千克的物体运到近地轨道大约需要1.5万美元，而运到月球可能花费10万美元左右，如此天价，即便是地球上再有钱的国家都承受不起。剩下的选择就只能就地取材，利用月球现有的土壤。

　　目前工程组正在进行两种尝试：一，将月球土壤加热到1100摄氏度，使其融化成所需的流体形态建材；二，将月球土壤与硫磺(该材料可以从月球土壤中提取)混合物加热到130摄氏度融化后，形成具有一定流动性的所谓 “高科技混凝土”，这种混凝土的表现一点都不比地球上所用的混凝土逊色。

　　以目前进度而言，若在充沛的资金支持下，那么最早到2015年左右，人类就可以实现在月球上造房子的梦想了。

　　虽然美国的重返月球计划目前暂时遭到了搁置，但是世界上包括中国在内的多个国家，都有在近20年内登月的计划。因此项目组对这项技术在世界范围内的推广运用，非常有信心。

　　3D打印技术将改变世界

　　“‘轮廓建筑工艺’能够改变建筑业，3D打印技术却将改变世界。”霍什耐维斯教授在采访中如是说。

　　3D打印技术发明到现在仅有几十年的时间，正是打印材料的多样化，给3D打印技术安上了腾飞的翅膀，美国《时代》周刊已将3D打印列为“美国十大增长最快的工业”。

　　贝宝的联合创始人之一安德拉斯·福加斯投资了一家实验室，致力于生物打印肉的研究；3D骨骼打印技术已经成功复制出人类的指骨、下颌骨，并且移植到了病人身上；有人甚至声称成功打印出点22手枪的部分组件，并结合真枪其余部件制作成一把枪，该枪累计射击200余次后，依然完好无损。

　　同时，随着技术的发展，3D打印机的价格也越来越“亲民化”，目前在美国最便宜的一台家用3D打印机，只需要500美元左右。

　　打印机的体积也出现两极化发展的态势，目前体积最小的打印机只有牛奶盒一般大小，而巨型的打印机甚至有一栋楼房那么高。

　　只要有3D设计图，就能打印所需要的模型。然而这样的便利同时也带来了法律方面的纠纷。

　　媒体曾经报道过发生在国外的一个真实事件：有位年轻人买了一台3D打印机，他根据哥哥买的某品牌玩偶形象，用打印机制造了类似的玩偶模型，他还把3D的设计图上传到网络上供人们免费下载。不久后，该品牌公司找上门来，援引版权法要求他将图纸撤下。

　　目前市场上还出现了一种带扫描功能的3D打印机，就像现在复印打印一体机一样，甚至只需要把多幅简单照片反向合成三维实体，然后打印出所需要的物品。如果这种3D扫描打印一体机得到普及的话，其中涉及的版权纠纷会更多。

　　不过，这只是3D打印技术发展中的小插曲而已，3D打印技术的发展并不会因此而停滞。

　　霍什耐维斯教授认为，3D打印技术对制造业业态的影响可谓是革命性的，它能使制造业本地化，也就是说只要有电脑和3D打印机，即便是在没有制造业的地方都能大批量生产所需要的物品。正如《经济学人》所盛赞的那样：这是一种新型的生产方式，能够促成第三次工业革命。这种新型的生产方式是“社会化制造”，当这种方式得到广泛的运用，那么每个人都可以是一家工厂。

　　如此一来，世界制造业的格局将重新“洗牌”，处在产业价值链上游的发达国家不需要大量人力就能像下游的发展中国家那样大批量生产物品，对倚重传统手工制造业的发展中国家的制造业来说不啻为重大挑战。

　　而事实上，发达国家已经敏锐地察觉到了一点。

　　就在上月中旬，美国政府宣布在俄亥俄州建立一所由政府部门和私营部门共同出资的制造业创新研究所，以扶持美国制造业和鼓励企业在本土投资，而该研究所的研究重心就是3D打印技术。

　　在国内3D打印并非新鲜事

　　对于中国来说，3D打印其实也非新鲜事。

　　上海交通大学机械与动力学院计算机集成制造研究所所长习俊通教授还记得，1997年前后，他所在的实验室花16万美元进口了一台采用当时主流工艺的3D打印设备。“像一台洗衣机大小，制造模型的材料成本大约要3000-4000元人民币/公斤，可算奢侈品。”

　　那时候，每天都有五六拨人闻讯前来参观。

　　在上海实睿信息技术有限公司，记者目睹了一次3D打印的全过程：

　　这台3D打印机的大小，相当于两个复印机。通过顶部的透明玻璃，可以看到在机器中央的 “原料台”上，平铺着厚厚一层白色的粉末。

　　打印时，刷子每刷过一层粉末，喷头就向这层粉末喷射粘结剂，从而实现成形。

　　而喷头喷射图形的依据，就是3D数据模型。

　　是不是很简单？这次打印的是一个巴掌大小的“蓝莲花”模型。它的一个个横截面，都是一个个锯齿边缘的同心圆。于是，喷头每次喷出来的图形，就是一个个蓝色的同心圆。到最后，逐层累积成一朵“蓝莲花”，再用工具拭去多余的粉末，就大功告成了。

　　“外形越复杂、越不规则，3D打印的优势越明显。”总经理许建辉手里托着的一个建筑模型，堪比“鸟巢”，一根根“枝条”错综复杂。如用传统人工，一根根胶水粘结，工时需长达数月；3D打印机大概5天就能完成。

　　“还有更复杂的。”许建辉拿出一个齿轮嵌套的小模型，上面3个不同角度互相嵌套的齿轮可以转动，但无法分拆——这意味着，用传统方法是无法制造的。而用3D打印，再复杂的嵌套结构都不在话下。

　　近年来，实睿公司的3D打印机销量逐年上升。不过，客户群仍以跨国企业和高校艺术院系为主。“其实，3D打印机对中小型设计企业很有用，每次创意都能打印成形，比做模具轻松许多。”

　　“噱头”背后也有缺陷和瓶颈

　　今年以来，关于3D打印的神奇和对传统制造业的颠覆作用，频繁见诸报端。但更多业内人士对此的态度，仍较为客观理性。

　　“从理论上说，现有的3D打印技术，的确可以‘打印’一整幢房子；如果多台设备同时开动，‘打印’一辆整车也不过是几个小时的功夫。”习俊通教授说。这样的“噱头”，或许有助于普通人了解3D打印技术，却不能掩盖目前为止，这项技术本身仍存在的缺陷。

　　首先是强度问题。房子、车子固然能“打印”出来，但是否能抵挡得住风雨，是否能在路上顺利跑起来？从现有技术来看，恐怕有点够呛。由于采用层层叠加的增材制造工艺，层和层之间的粘结再紧密，也无法和传统模具整体浇铸而成的零件相媲美，这意味着在一定外力条件下，“打印”的部件很可能会散架。

　　其次是精度问题。由于分层制造存在 “台阶效应”，每个层次虽然很薄，但在一定微观尺度下，仍会形成具有一定厚度的一级级“台阶”，如果需要制造的对象表面是圆弧形，那么就会造成精度上的偏差，需要在“打印”成形后再进行表面打磨处理。同理，还有些工艺方法还需二次强化处理，也会引起材料的收缩与变形，造成尺寸精度较低。

　　还有材料的局限性。目前非常有限，无外乎石膏、无机粉料、光敏树脂、塑料等。如果真要“打印”房屋或汽车，光靠这些材料是远远不够的。比如最重要的金属构件，这恰恰是3D打印的软肋。习俊通教授分析，要3D打印金属件，必须先把金属原材料变成粉末，再用高能激光束将其烧结成型，这其中的加工成本、能耗非常高，还有待进一步探索更可靠、低廉的工艺路径。如果这些问题没有解决，3D打印技术还没到能够挑战传统流水线大规模生产制造的时候。

　　此外，也有业内人士开始关注3D打印材料本身潜在的危害性。塑料、树脂等大多难以降解，一旦大规模运用，是否会对人体带来致癌危险？

　　“我并不认为3D打印技术是多么‘神乎其神’的东西，它的确改变了产品的开发、生产和组织模式，但是否会颠覆制造业本身？现在说答案还为时过早。”习俊通说。

　　上海如何能有所作为

　　以2011年全球主要国家三维打印设备的装机比例来说，我国三维打印设备的装机量，仅占全球的9%，显然与我国的经济规模不相称。

　　“Z Corp”公司的三维打印机，去年在我国共销售50余套，其中教育系统用于教学培训占了大头，约60%，建筑行业约10%，医疗保健约5%，消费类产品约15%，其它10%。产品创新创意设计行业的比例非常低。

　　总体来说，3D打印是一个新领域，但规模多大，潜力如何，还没有任何权威的机构或人士给予明确定论。国际权威的三维打印技术与设备咨询机构GARPA有一个不完全统计：三维打印技术已形成的专利超1000多件，有报道的打印装置近100个，专业公司近60家，近3年来竞争空前激烈。

　　和美国等发达国家相比，我国在相关设备制造的关键技术方面，差距较为明显。

　　在这样的大背景下，上海是否能有所作为？

　　习俊通教授建议，在装备方面，可以加强三维打印材料的研发，为从事三维打印装备研发的公司或机构提供基础器件，促进三维打印设备产业发展。在为创意公司提供服务方面，可以结合上海创新创意设计园区发展，组建专业面向园区的三维打印服务中心，一方面为专业创新创意设计公司提供服务支持，同时通过园区统一管理规范，避免知识产权和创意外泄。(视觉设计 朱伟 赵亮)(驻美记者 成珞 记者 章迪思)