3D 打印,打印一切?

受海外医疗防护物资紧缺影响,利用 3D 打印设备制作出的口罩、医用面罩、护目镜等一时间成了“救场奇兵”。

 

根据国内 B2C 跨境电商平台全球速卖通的数据显示,疫情以来该平台上 3D 打印机的销售额和去年相比已经翻了一番,尽管今年 3D 打印机的海外仓备货大幅增加,但疫情之下这些备货已被抢空。其中,4 月份中国 3D 打印设备产量同比大幅增长 344.7%。

 

那么,3D 打印机的销量为何会因疫情而“走俏”?

 

雷锋网了解到,欧、美国家由于基础制造业较少,他们选择用 3D 打印技术去制造面罩、呼吸阀、口罩扣等紧缺的医疗物资。与传统制造模式相比,这种制造模式的好处是不受空间的制约,能够缩短供应链流程,生产效率更高,并且制造门槛也更低。

 

 

国内消费级 3D 打印机制造商创想三维,既是这一波 3D 打印风潮中的获益者,同时也是国内 3D 打印行业的主要参与力量。他们表示:

 
“3D 打印只需要事先设计好,制作过程可以完全不用人工,减少了人力成本。其次,3D 打印所需的工序更少,传统工艺在制作需要经过原型塑形、翻模、打磨的阶段,而 3D 打印则不需要加工机床和模具,复杂程度大大降低。虽然单个打印时间较长,但是批量化生产能缩短工艺流程。”

 

“另外,3D 打印的精确度远高于传统工艺塑形,它能够从一开始就尽早发现产品问题,避免没必要的返工,从而缩短产品设计周期,更快反应市场,降低企业开发成本,提高效率。”

 

为了带大家更深度地了解 3D 打印行业,近期雷锋网和创想三维、大势智慧等这些国内 3D 打印行业的主体力量进行了对话,从 3D 打印机、3D 建模、行业未来趋势等视角展开交流。

 

1、如何打印“世界”?

 

3D 打印又称“增材制造”(Additive Manufacturing),它的出现可以说颠覆了人们对传统生产制造的认知。

 

与普通打印机相比,3D 打印机的工作原理和前者基本相同,只是打印材料有些不同。普通打印机的打印材料是墨水和纸张,而 3D 打印机内装有粉末状的金属、陶瓷、砂,以及塑料等可粘合的打印材料。当 3D 打印机与电脑连接后,通过电脑控制可以把打印材料一层层叠加起来,最终把计算机上的模型变成实物。

 

 

起初,3D 打印主要是在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型,后逐渐用于某些产品或零部件的直接生产制造,比如在航空航天、工程施工、医疗、教育、地理信息系统、汽车等垂直领域都有所应用。 

 

  • 2015 年,美国国家航空航天局(NASA)基于 3D 打印技术,打印出航空火箭发动机的头部。这使得零件大量减少,焊缝也随之减少,降低了火箭发动机出现故障概率的同时,使得迭代周期缩短、成本降低。在迪拜,政府选择用 3D 打印来建造政府大楼。3D 打印建筑主要作业由机器完成,一体成型,建筑速度快,工人的作用多为操作和检验 3D 打印机的工作情况,因此对人力的需求比传统建筑行业少。2019 年,美国加州大学圣迭戈分校利用 3D 打印技术,制造出模仿中枢神经系统结构的脊髓支架,成功帮助大鼠恢复了运动功能。在英国利兹和爱丁堡大学的科学家,他们成功研制出仿生舌头。科研人员找到 15 名成年志愿者,在其舌头表面做了硅胶印模,再把印模通过 3D 扫描,绘制成数百个味蕾状结构的密度和尺寸 ......

 

另外,今年 5 月我国首飞成功的长征五号 B 运载火箭上,搭载着我国新一代载人飞船试验船,船上还搭载了一台“3D 打印机”。这是我国首次太空 3D 打印实验,也是国际上第一次在太空中开展连续纤维增强复合材料的 3D 打印实验。

 

以上这些,大到工程建筑、火箭发动机,小到脊髓支架等都有用到 3D 打印技术,那么它是如何打印这一切的?

 

雷锋网了解到,3D 打印产业链上游包括 3D 建模软件、3D 建模扫描仪和 3D 模型数据平台等建模工具,以及各种 3D 打印材料。产业链中游主要是桌面级、工业级打印机等设备,再加上航空航天、船舶工业、汽车工业、轨道交通及医疗为主的一些下游应用。

 

据公开信息,目前 3D 打印采用的主流技术有:FDM 熔融沉积、SLS 粉末材料选择性激光烧结、DLP 光固化、SLA 光敏树脂选择性固化等。

 

国内主要专注于 FDM 和光固化技术研发与制造的 3D 打印机制造商——创想三维,谈及为何会选择这两大技术方向,他们表示:

 
“因为这两大方向是目前运用得最广泛、普及率最高的技术。创想三维自成立六年来,结合自身的技术、资源选择了 FDM 和光固化做运用功能的开发,为 3D 打印产业化真正落地助力。”
 
“在不少人眼中,3D 打印机体积大、价格昂贵,并有较大的使用瓶颈,是属于少数人的游戏,因此创想三维希望将 3D 打印底层技术优化,为 3D 打印机的全球普及化发力,并坚持以消费级 3D 打印机为方向,使 3D 打印机平民化,走进千家万户,让人们享受到科技带来的便捷。”

 

此外,针对国外市场 3D 打印的发烧友玩家动手能力强,创造性高,希望产品可以 DIY 成自己想要的模样,国内一些 3D 打印机制造商的 DIY 系列产品正在满足这部分用户的需求,使其以较少的费用即可组装出一台他们需要的 3D 打印机。比如今年 6 月在海外 Kickstarter 平台众筹的 DIY 新品 CR-6 SE,就是基于此理念的产物。

 

2、从 3D 打印机到 3D 建模

 

3D 打印技术之所以受到青睐,一定程度上与其无模具限制,能够缩短研发周期,尤其适用于形状复杂、定制化、轻量化诉求强烈的柔性制造加工场景等因素有关。

 

同时我们也发现,现阶段的 3D 打印机打印速度比较慢,较为耗费时间。而大型的 3D 打印机,尽管看起来非常高端大气,但是不适合家庭的场景,同时桌面型 3D 打印设备更可以让 3D 打印机从“小众”走向“大众”。

 

近些年,创想三维 3D 打印机在海外市场的销售额正在大幅度增长。据创想三维官方信息,创想三维 Ender-3 、CR-10 两大系列打印机在全球热卖,长期占据谷歌 3D 打印机全球搜索排行榜榜首。

 

而他们即将在市场上大力推广的光固化新品,正是为了满足用户的精细化要求,制造出速度更快、精度更高、性能更优、质量更可靠的光固化 3D 打印机,从消费级市场入手,普及光固化 3D 打印机的运用范围。

 

而至于 3D 打印机是如何精准地打印出特定的实物?这里不得不提到 3D 建模。

 

以 3D 打印在地理信息系统领域的应用为例,三维数据制造与应用服务商大势智慧正从小场景的 3D 建模到大场景的 3D 建模持续发力,可以算是国内很有代表性的一家企业了。

 

目前,他们面向的垂直领域已从食品、文博展示、游戏等拓展到智慧城市的消防、应急管理和工程施工。

 

雷锋网了解到,其对真实世界进行高精度数字化和 3D 建模时,主要包括数据采集和算法处理两大重点环节。前者中,类似于 SLAM 这种激光雷达的数据采集方式,成本相对比较高,并且在工作过程中还受到激光器的能量、接收时间等条件的限制。

 

因此,对城市进行高精度数字化时,其 3D 建模的数据采集一般采用摄影测量这种成本较低、性价比高的方式。另外,用于摄影测量的工业相机,由于嵌入了 GPS 等模块使得相机有了姿态和位置,其建模的结果只要基于一系列照片合成就行。

 

 

今年 10 月中旬,大势智慧基于实景三维重建引擎 G-Engine1.0 的三维语义化和技术储备,又最新推出 G-Engine2.0。

 

对比 1.0 版本,G-Engine2.0 版本的语义三维成果完成度更高,能够实现“按需单体化”,不仅可以在建模过程中完成对建筑、地形和道路的分类,还能进一步识别房屋楼层与路面植被,实现语义信息提取,真正实现三维数据从可“看”到可用。

 

谈及 3D 建模过程中的难点问题,大势智慧 CEO 黄先锋重点提到两点,首先是图像大规模处理过程的容错能力,再者是弱纹理区的匹配与文件处理。

 

首先在容错能力方面,黄先锋表示:

 
“就像我们拼图一样,如果只有 100 张图像要拼在一起,哪怕是人工操作一般也不会出错。然而,当我们有 100 万个图像时,仅是检索、匹配等这些操作的复杂程度就会大大升级,再加上有些图像比较相似甚至有损坏,各种各样的误差都要在处理过程中被系统自动地挑出来,最终使得计算机的计算过程准确无误。”

 

在弱纹理区的匹配与文件处理,黄先锋提到城市中有大量的区域是弱纹理的,这种情况下计算机在进行图像匹配时是很难分辨的,为此大势智慧将人工智能引入到这种细节的处理。

 
“比如同一张图像他们会提取很多特征点,通过计算点和点之间对应的连接图像的区域参数判断能不能匹配上。在此过程中,实际上会出现很多的这种不匹配的情况,但总能有一部分正确的匹配留下来,再以这些数据作为训练样本让计算机学习这些规则,人工智能技术根据原来数值解的匹配结果再来去做训练。”

 

在具体的应用中,大势智慧正用实景三维赋能行业,将三维数据服务广泛应用于众多行业领域中。

 

3、从“小众”到“大众”

 

追溯其起源,我们发现 3D 打印这项技术是自上世纪 80 年代发明以来逐渐地走进人们的生产生活中,同时人们一步步在把万物皆可打印推向现实。

 

到了未来,3D 打印将会是怎样的?

 

有专家观点认为,精密、微小的器械是未来 3D 打印的重点,同时行业发展也面临一些制约因素。一方面是生产速度,微纳 3D 打印一直在打印时间上无法超越传统注塑,很难形成批量化生产,所以较多的还是应用于前期产品研发阶段。

 

另一方面,是打印材料,现在主流的微纳 3D 打印仍然使用的是光固化(DLP)的方法,使用的材料较多的还是光敏树脂,有很多性能还无法达到工业产业化的要求。

 

创想三维则表示:

 

“制约 3D 产业发展的因素,首先 3D 打印机的使用门槛较高,由于 3D 打印涉及到建模这种比较专业的技术,因此它的使用有一定的技术壁垒。而创想三维通过建立创想云 APP 平台,汇集了万余种精致实用的模型,致力于做到一键化打印。”

 

“其次,3D 打印毕竟还是较新的行业,还处于功能开发运用阶段,创想三维也一直在努力,希望在 3D 打印技术上能有全新的突破。”

 

除了以上提到的这些,雷锋网了解到,目前 3D 打印产业还存在用户认知度不够的问题。不少人认为 3D 打印离自己的生活较远,并不知道 3D 打印能干什么,以及怎样为自己的生活带来便利 ......

 

而这一系列常态的背后,意味着我们需要更多有影响力的厂商来推动产业的进步,让普通百姓了解 3D 打印,使他们享受到科技带来的红利,只有这样,3D 打印才能更好地从“小众”走向“大众”。