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1.4 3D智能数字化与3D打印：用“虚拟”再造“现实” |
目前，全球正在兴起新一轮数字化、智能化制造浪潮。欧美等发达国家面对近年来制造业竞争力的下降，抓住以网络化为驱动的“创客运动”的发展机遇，大力倡导“再工业化、再制造化”战略。以智能数字化为核心的“第三次工业革命”引发的前提和基础是模式识别、视觉计算、自动化控制、机器学习、大规模数据挖掘等学科的成熟以及大批量低成本传感设备的普及。这种深层次的产业革命，不仅将席卷人类的体力劳动岗位，也将毫不留情地占据人类之前引以为豪的脑力劳动岗位。任何能够提取出统计规律、特征描述或编码索引的日常工作都将被自动化。可以确信的是，将来一个人薪酬的高低，将取决于他掌握智能数字化的专业程度。
而作为“第三次工业革命”的前沿代表技术──3D数字化打印，成功地将虚拟的数字智能化技术与实实在在的工业产品桥接在一起。据预测，3D打印行业的产值将在2016年达到31亿美元。作为快速成型技术的一种，3D打印以经过智能化处理后的3D数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印、叠加成型的方式来增量构造物体。
3D打印实质上反映了制造业向智能化不断演进的历程。由于3D打印个性化定制的特点，决定了其不具备规模经济（即所谓的“大规模生产”），相应地，3D打印技术推动的未来商业模式之一将是云制造，其由数百万个小规模、自动组织的生产节点组成。这个由众多小型制造业企业组成的超大规模分布式网络，结合云端的智能计算服务，将形成一种全新的“大规模定制”解决方案。
在传统的2D打印机时代，我们可以把经计算机处理过的Word等格式的电子文档在纸张上打印出来。2D打印机对我们绝大多数人而言，仅仅是一种工具而已，因此，我们可能不太会去在意使用的是何种品牌的2D打印机，只要它能把“电子文档”转变成“纸制文档”就行。我们几乎把所有的关注点都放在了电子文档内容的设计和制作上，因为它才是我们工作的价值体现，这种情况在3D打印时代也完全一样。
尽管说到3D打印，就会让人联想到打印出来的硬件和物品，但是3D打印的神奇之处来自软件。因此，智能数字化软件是3D打印的核心，其利用计算机来生成数字化的3D模型，以便输出到3D打印机。正所谓“巧妇难为无米之炊”，缺少数字化文件支持的3D打印机将只是一个空壳。3D智能数字化设计使得消费者和制造商之间关系越来越密切，可以在产品打印出来之前对方案进行反复修改，并使用户对于定制的期望变得更强烈。
为了让计算机知道如何更好地设计形状，目前有两大类方法可以进行3D数字化。本节介绍第一大类方法，即使用智能数字化设计软件，由设计师从无到有地设计3D数字化产品（详细介绍请阅读第4章“3D智能数字化：3D打印的孪生兄弟”）。
最简单的几何表示是采用传统的建模工具，如使用SolidWorks、AutoCAD、3DS Max、Maya、Rhino3D、ZBrush等常见3D商业设计软件，还有Blender、Tinkercad、3DTin、SketchUp等多款各有特色的免费设计软件，来表达曲面网格形状。
其次是使用参数设计软件，如简单指定长、宽、高这3个参数，就能获得一个定制的茶杯形状模型。更加智能化的是编程式设计，计算机把形状的设计过程描述成一系列有特定顺序的操作步骤，有点像按照食谱而不是最终的外观来制作蛋糕。编程式智能设计可以轻易地在这个蛋糕上绘制几百万个规则的精美图案，而这对于手工设计来说犹如噩梦。
为了生成更加丰富的个性图案，还可以采用复杂的生长式智能系统，按照一套既定的生长规则加上随机扰动，随着时间的推移发展，将一颗种子形状最终生长成独一无二的定制形状。
智能化达到一定层次后，更可让设计的形状根据未知环境实时调整，适应各种物理和美学约束条件。比如，基于算法的智能设计软件能够根据物理环境调整建筑结构的空间形状，从而使建筑结构更稳定。
采用人工智能进行设计的另一个途径是增强人和计算机之间的交互性，用户不需要了解计算机设计的内部原理，只需从计算机推荐的参考形状中不断地做出挑选，计算机根据反馈对参考形状进行优化调整，如此反复，直到最终生成一个满意的设计。
对于要求具有复杂的内部中空、凹陷、互锁或者有大量规则细节图案的形状加工，3D打印机是首选或唯一的制造设备。智能化设计可对零件进行优化，减轻重量，同时保持原有强度和其他关键性能；还可使产品成为一个整体，这样也减少了零部件的装配。
注意： 3D打印机往往并不能直接打印任意复杂的形状。大多数设计文件，特别是那些复杂物体的设计文件，都需要专业人员进行调整优化。此外，一名好的设计师必须考虑支撑结构，以便在3D打印过程中帮助物体保持形状。还有一个困难的问题是如何解决多种材料的混合制造。只有实现了混合材料打印，多元结构的部件才能一次制造出来，以避免传统的首先制造单个（不同材料）零件再组装在一起的弊端。
当然，并非人人都有能力自己设计3D形状，因此第二大类的3D数字化就是3D扫描（俗称3D照相），基于计算机视觉、计算机图形学、模式识别与智能系统、光机电一体化控制等技术对现实存在的3D物体进行扫描采集，以获得逼真的数字化重建（详细介绍请阅读第5章“3D智能数字化与3D照相馆：科学与艺术的结合”和第6章“视觉计算：构建3D打印的杀手级应用”）。3D扫描技术可分主动式（Active）扫描与被动式（Passive）扫描两种。
主动式扫描是对被测物体附加投射光，包括激光、可见白光、超声波与X射线等。其中激光线式的扫描（如手持式激光，Handhold Laser），可以扫描大型物体，但是由于每次只能投射一条光线，所以扫描速度慢。另外，由于激光会对生物体以及比较珍贵的物品造成伤害，所以不能应用于某些特定领域。而目前最新的基于结构白光（Structured Lighting）的扫描设备，能同时测量物体的一个面，点云密度大、精度高，在快速采集物体三维表面信息方面具有独特优势。除此之外还有基于时差测距（Time-of-Flight）、三角测距（Triangulation）、调变光（Modulated Lighting）和光照编码（Light Coding，如Microsoft Kinect设备就是采用此原理，具有实时性的特点）的主动式扫描技术等。
被动式扫描对被测物体不发射任何光，而是采集被测物表面对环境光线的反射，因不需要特殊规格的硬件，往往只需要一台或几台照相机获取多个视角的图片即可，因此成本非常便宜。被动式重建方法，如Autodesk的123D Catch，通常基于计算机三维视觉的理论方法，如立体视觉法（Stereoscopic）、从明暗恢复形状方法（Shape from Shading）、立体光度法（Photometric Stereo）和轮廓法等。被动式扫描的精度和健壮性受环境光照和照片质量的影响较大。
在获得3D扫描的原始数据后，往往还需要对其进行复杂的后处理，如将多个视角的形状片段进行对齐（Alignment）和拼接配准（Registration），以统一在同一个世界坐标系下。此外还需要进行漏洞修补、噪声去除、三角化、重网格化等操作，以生成最终的高质量水密（Watertight）流形曲面。目前，还没有一种成熟的3D数字化技术能够对自然界的任意形状进行全自动地真实重建，如对于人体的头发等还不能获得理想的结果。因此在实际操作过程中，往往需要同时结合多种扫描技术，以及一定的手工编辑，以获得一个好的重建质量。
值得指出的是，在获得数字化模型之后，通常还需要进行个性化编辑定制，才会最终输出到3D打印机。这种追求高附加值的个性化定制，之前都是以较大的手工工作量为代价的，尤其是当需要“大批量定制”时。因此，为提高定制效率，智能数字化技术将发挥关键作用。比如，需要为一万名用户打印定制个性化的眼镜、服装、帽子、鞋子，如果使用人工逐一为每位用户进行手工测量和手工设计，工作量和成本都将变得不可接受。而应用智能数字化技术，如采用视觉计算方法，利用摄像头自动采集、分析提取每位用户的体貌个性特征，并自动根据视觉美感进行形状设计、颜色肤色搭配等，可极大地缩减定制周期。
可以说， 数字化是“第三次工业革命”的媒介和载体，而智能化则是手段和核心。 目前，智能化技术的应用研究尚处于起步阶段，离工业化的实际应用还有一定的距离，但最近几年发展很快。
通过上面的介绍可以看出，智能数字化技术涉及视觉计算、模式识别与智能系统、复杂系统与自动控制、数据挖掘与机器学习等众多“高科技”学科，普通技术人员掌握该技术的门槛很高。因此，这些技术将来会以云端智能化服务的形式提供给普通用户和开发者。以定制一双鞋子为例，普通用户只需在手机上下载一个App应用，给自己的双脚拍几张照片，并指定喜欢的款式和颜色，之后位于云端的智能计算服务将根据用户上传的照片重建出3D脚型，然后把鞋子设计出来。所涉及的复杂智能计算全都在云端完成，App的开发者根本无须了解。用户提交订单后，系统在云制造集群中搜索到邻近的打印节点，以便快速送货上门。
以上涉及云制造的概念，其对3D打印这种“规模定制”的运营模式尤其关键。维基百科对云制造的定义是：“具有各种制造资源和能力，可以智能检测并连接更广泛的互联网，具备自动管理和控制能力”。每个单独的制造节点都是自主的、通过网络互联的。云制造的优点是资源可以扩展，还可自动平衡负载。制造商可以根据项目的特别需求，如本批次是定制一千件还是一万件，来构建一个临时的集群。每个云制造商的产能可能很小，但集群后的整体产能完全可以满足项目需求，且非常经济、灵活。
在本书中，我们把3D打印产业模式所依赖的云端智能化服务和云制造统称为 “智能云网”（ICN，Intelligent Cloud Network） ，如图1-27所示。 智能化、云端化、网络化、数字化 将是3D打印未来的重要特点。
图1-27“智能云网”模式下的3D打印产业链
近年来，我们从各类媒体上获得的关于3D打印的新闻逐渐增多，比如时尚的衣服、合脚的鞋子、营养的食物、后现代的房屋和自行车、汽车、无人飞机等都被打印出来了，3D打印正在以一种不可思议的速度渗透进我们生活中“衣食住行”的各个方面。
3D打印诞生于20世纪80年代，用于将虚拟世界中任意复杂的3D数字化模型变成客观世界中真实存在的3D实体。通俗来讲，只要你能够设计出来，你就能够通过3D打印技术打印出任何你想要的个性化产品。3D打印无须机械加工或任何模具，就可加工任意复杂的中空形状，解决了许多过去难以制造的复杂结构零件（如复杂的航空发动机叶片）的成型问题。而且产品结构越复杂，制造效率优势（研制周期缩短、原材料节省）越显著。目前3D打印在电影制作、游戏动漫、医疗、教育、建筑、文物考古、生产制造业都发挥了其独特的作用。
与2D打印机类似，3D打印机也是由控制组件、机械组件、打印头、耗材和介质等架构组成的。3D打印一般采用分层加工、叠加成型的方式来完成3D实体的打印工作。以喷墨沉积（3DP）技术为例：每一层的打印过程分为两步，首先喷洒一层均匀的粉末，然后在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水，胶水液滴本身很小且不易扩散，粉末遇到胶水会迅速固化黏结，而没有胶水的区域仍保持松散状态。这样在一层粉末一层胶水的交替下，实体模型将会被“打印”成型，打印完毕后只要从松散的粉末堆中取出模型即可，而剩余粉末还可循环利用。
3D打印成为近年来的新闻热点，与2008年英国RepRap开源桌面级3D打印机的发布不无关系。RepRap是3D桌面级打印发展的基石，直接催生了包括MakerBot在内的一大批廉价普及型3D打印机，价格从几千到几万元人民币不等。而在高精度大尺寸工业打印领域，成立已近30年的美国3D Systems和Stratasys两大公司占据了大部分的市场份额。当然，在这个新技术竞争激烈的领域不乏挑战者，如Mcor公司2012年新推出的Iris全彩打印机只需普通A4办公纸作为原材料，具有超低的成本优势和绿色环保优势。在国内，由亚洲制造业协会联合华中科技大学、北京航空航天大学、清华大学等科研机构和企业共同发起的中国3D打印技术产业联盟于2012年成立。
与我们日常使用的2D打印机相比，3D打印机所能使用的材料已经不再局限于墨粉和纸张。目前，3D打印机已经能够使用各式各样的新材料（液体、粉末、塑料丝、金属、沙子、纸张，甚至巧克力、人体干细胞等），通过喷墨沉积、熔融沉积、激光烧结、立体光刻、电子束熔融、超声波固结等工艺将三维数字模型变成实物，从玩具、工具到厨房用品、建筑、时尚衣服应有尽有，甚至还可直接打印具备触感的人造耳朵、人体骨骼、人造假牙、鲜肉，以及枪支、跑车、无人飞机等。因此，如果说2D打印机属于一种必不可少的办公用品，那么3D打印机则将会成为一种使用广泛的个性化制造工具。利用3D打印机，未来甚至能够打印出人类（还记得第一张漫画图吗？其实科技一直在努力！）。
3D打印技术目前面临着以下几个主要问题亟待解决。
●一是与传统切削加工技术相比，产品尺寸精度和表面质量相差较大（制造精度一般仅相当于铸型），产品性能还达不到许多高端金属结构件的要求。
●二是加工速度，以及大批量生产效率还比较低，不能完全满足工业领域的需求。
●三是设备和耗材成本仍然很高，如基于金属粉末的打印成本远高于传统制造。
由此可见，3D打印技术虽然是对传统制造技术的一次革命性突破，但它却不可能完全取代切削、铸锻等传统制造技术，两者之间应是一种相互支持与补充，共同完善与发展的良性合作关系。
不过，可喜的是，研究人员正在打破打印尺寸、材料整合、打印速度的局限，甚至还有系统正在研究将3D打印（添加式制造过程）和传统削减式生产过程的优势（如数控加工）相整合。这些整合方式同时使用3D打印和机械加工，省去后期处理过程。例如，大多数3D打印制造的金属部件需要人工干预进行精加工或抛光。然而，日本重型机械制造公司──松浦机械制作公司，开发了一个系统，整合3D打印（如激光烧结技术）和高速铣削，对打印成品的边缘进行五层增量铣削。
更重要的是，通过智能感知设备，3D打印机还可控制制造的行为，对打印的过程进行实时监控，如产品的质量和强度，然后根据反馈信息随时做出调整，以实现闭环控制。也就是说，这台3D打印机具有学习和控制的能力。可以想象的是，会有专为糖尿病患者推出的食品打印机，通过微型皮肤植入物监测病人的血糖，依据每日不同的身体状况为其量身打印食物。在将来，通过把人工智能从计算机拓展到现实世界，还可打印具备感知和学习能力的智能物品。此时，3D打印机就是新一代智能机器人，它们能设计、制造、修理、回收其他机器，甚至能够改进和升级机器自身，达到“机器制造机器”的新境界。
3D智能数字化与3D打印技术相结合所带来的优势，不仅仅在于通过复制手段真实还原现实世界，而且还可以在3D数字化的基础之上，通过再设计工作，创造出一个更加美好的世界来。以电影《阿凡达》为例，很多美轮美奂的场景都无法从现实中直接拍摄，而通过数字化的艺术设计，再使用3D打印机直接打印出来，这样不仅免去了费时费力的手工制作，而且获得了超越现实的逼真效果。3D智能数字化与3D打印的完美结合，将实现用“虚拟”再造“现实”的崭新境界。