1.2 叠积木的技术

其实，应该把它叫做“3D制造机”，“打印”这个词汇太不准确了。众所周知，计算机及互联网的普及，将我们的生活带进了一个广阔的虚拟世界。计算机最擅长的事情就是模拟，广义而言，只要是使用计算机的人，都算是计算机模拟出来的虚拟环境中的“居民”。居民们通过文字、图像、声音、视频等各种媒介，在其中生活、交流、学习、玩耍、游戏，甚至于按照想象的模式来生产、劳动，在一无所有的土地上种植庄稼、建造城市，用各种工具创造出形形色色的产品和艺术品……通过计算机创造的虚拟世界，人们得到心理上的满足感和幸福感。

然而，生活毕竟是现实的，人们脱离不了“吃喝拉撒睡”这些现实世界的元素。到今天为止，计算机所能提供的，仍然是一个屏幕上的二维世界。顶多就是，可以用打印机把屏幕上的二维信息，包括图像和文字，打印出来显示到二维的纸上而已！

从这个角度来看，3D打印机的功能就大大不一样了，我们不得不承认它代表了一个“革命”。起码它为我们提供了一个从计算机的虚拟世界过渡到真实世界的桥梁。它不同于2D打印，2D打印机只不过是把屏幕上看到的东西移到了纸上。3D打印呢？它可是玩真的，打印出来的东西能吃能用，大到能住、能在其中生活的房子；能驾驶上天的飞机；能发射子弹的枪支，小到能够塞进耳朵里的助听器、戴在牙齿上的牙套等。总而言之，那都是一些不仅看得见摸得着，而且在真实生活中能用得上的物品！所以我们说它实际上是用以制造产品的机器，因为它从本质上已经完全不同于“打印”了。

而它似乎又有些类似于“打印”。它将三维的物品，包括形状和材料两方面的信息，分解成一层一层的两维信息。对每一层，采取和2D打印机相同的模式，用计算机来精确控制打印“头”，或“喷嘴”的动作，按照人们的要求而移动，画出人想要画出的图案。然后，也是按照计算机的控制，将打印头提高一定的距离，或者是相应地将打印完成的部分下降一定距离，再来“打印”第二层。如此反复，“打印”出第三层、第四层……直到最高一层，整个物体便大功告成，结束了。

上面叙述的3D打印过程，的确是与孩子们搭积木的过程相类似，如图1-2所示。

这种通过逐层叠加增加材料制造物品的搭积木式技术，有一个学名，叫做增材制造。这种方法的发展历史，最早可以追溯到150年前的照片雕塑和地貌成型。

从运用材料的方式来分，制造业中使用四种不同的成型方式。除了常常听到的增材、减材方法之外，还有压缩方法和生长方法。压缩方法使用压力而形成各种形态，既不增材也不减材，属于“等材”；而生长成型的方法利用活性生物组织的自我复制来达到目的，这不是一般的物理过程，它与生物仿生技术有关。所以，这里我们只将增材和减材两大类方法加以比较。传统的加工方法是减材的方法。一个机械零件通常是怎么造出来的？开始时，我们有了材料，比如，一整块塑料、石头或者金属。然后，传统机械加工的办法就是大家经常听到的“车钳刨铣磨”，各种机床，装置了各种切割的刀具，它们的目的就是要将这一大坨材料中多余的部分去掉，形成我们所需要的形状。就像艺术家将一块大理石制成雕像的过程一样，雕刻的过程也就是不断地“减材”成型的过程。

增材制造则反其道而行之，是将材料一层一层地堆积上去而成型的过程。

1859年之前，就在林肯就任美国总统的前一年，一个叫威廉· 弗朗索瓦的法国艺术家，在巴黎开发了一种模仿真人而制造雕像的方法，叫做照片雕刻（Photo sculpture）。现在看起来，这种方法非常接近目前3D打印中所使用的各种技术：3D扫描、建立模型、再分层建造。可是想想，我们现在有强大而快速的计算机帮忙进行扫描、建模、处理数据、实施打印等数字计算及机械工作，而在1859年，这件事情应该是很棘手的，不得不令人赞叹当年法国艺术家们的聪明才智 ^【2】 。

威廉· 弗朗索瓦当时采取的办法是使用一个圆形平台，让真人真物位于平台中心，周围放置2 4（或者更多）个照相机（每隔15°放一个），这些照相机同时从不同的角度拍摄出许多照片。然后，专家们将这些照片获取的信息数据综合起来，得到表征被拍摄的真人实物的三维立体形状的数据。再将这些数据转换成每一层平面图形的数据，然后一层一层地雕刻，再重叠起来并由熟练的工匠或艺术家进行整体艺术加工，一个活灵活现、颇似真人的三维雕像便完成了，如图1-3所示。

照片刻像技术的做法与3D打印过程十分相似，20世纪80年代被Charles Hull结合激光技术及计算机软件技术而发扬光大，直到近几年火爆起来。这就是为什么有人说3D打印是“上上世纪的思想，上世纪的技术，本世纪的市场”，的确如此。

有趣的是，笔者从理论科学工作者的角度看3D打印这种逐层“增材制造”三维物体的过程，颇像微积分中所用的三重积分求体积的过程：将三维物体分成很多薄层，即分解成很多二维形状，逐层地处理每一个二维的平面图形，将这些图形复制出来（3D打印），或是计算这些形状的面积（微积分），然后再逐层叠加起来，得到整体。至于分层的厚度，可以相等，也可以不相等。用微积分思想来计算物体体积时，是让分层的厚度趋于零而能够得到精确体积。在3D打印技术中，分层越薄，生成物体的精度便能越高。

比较“减材制造”的方法而言，增材制造显然要更为节约材料。需要材料的部分才用，不需要的部分留下的材料粉末还可以下一次再使用，这样就极大地提高了原材料的利用率。传统制造业的优点是便于低成本高效率地大规模生产，但传统采用的减材制造方法，在铸造或者锻造的过程中会产生大量的、无法继续使用的废料。并且，减材制造方法在铸造过程中需要模具，因而它的加工周期长，质量不容易控制，也容易引起安全事故等问题。而3D打印使用计算机控制，质量得以保证，没有大型机械带来的安全问题，适合生产小批量、个性化、形状复杂的产品。

因为增材制造是将材料先变成粉末再进行制造，或者使用液体材料。总而言之，它要经过全体积的逐点扫描才能成型。所以如果我们计算这种方法所消耗的能量的话，那么应该比传统制造工艺花费的能量多得多。另外，也可能有粉尘及使用作为黏合剂而产生的化学有毒物质对人体健康带来的危害之类的问题需要考虑。但总的来说，两种制造方式各有用武之地，两者互补互成，才是将来制造业的最优答案。 kIbFZp7lgKlPGG0/NuD13fRr2Agbt8JhF2qhyb7vSwC8ZEtZsFSZOcD2kd6hI9HG