3D打印：看上去很美

（文 / 曹玲）

( 比利时Materialise公司总裁威尔弗雷德与该公司设计的部分3D打印作品在一起 )

胡迪·利普森（Hod Lipson）清楚地记得，他第一次见到3D打印机时的场景。那是20世纪80年代末一个乏味的制造工程研讨会，教室里很暖和，大家昏昏欲睡。教室的门“砰”的一声打开，一名陌生男子冲进教室，称自己是库比特系统公司（Cubital Systems）的推销员。这家名不见经传的公司是当时世界上仅有的销售3D打印机的两家公司之一。

推销员不断晃动着一个塑料物体，声称一场制造业革命正在酝酿之中。“我手里握着制造业的未来！”他大叫，“这个塑料物体是由一种能够‘打印’塑料的激光打印出来的。”他让一个学生转动塑料物体露出的曲柄，在设备内部，复杂的连锁齿轮彼此牵引地运转着。

学生们昏昏欲睡的大脑挣扎着苏醒过来，低声问道：“他刚才说他用激光打印出了那个东西吗？”推销员说：“你们所看到的所有齿轮、把手、旋钮都不是组装出来的，它们都是按照一个个单独的、预装配的不同部件一起有序打印出来的。”学生们对他的观点感到好奇：一台计算机，而不是一个人，可以在整个生产过程中充当一双“手”操控这台神奇的机器。

于是他们争先恐后地向他发问。用激光“打印”出了所有的塑料部件，这是什么意思呢？什么样的制造设备能够将部件一次性生产出来，而不需要进行组装？它能打印塑料以外的其他材料吗？个人购买一台这样的设备要多少钱？

“当时感到传统制造瞬间过时。”利普森说。实际上，推销员是他们教授请来的客座讲师，这位讲师的热情让利普森确信，这种神奇的设备的确会引发一场产品制造和设计的革命。但是他预料的革命并没有如期迅速爆发，几年后，库比特系统公司停业了。如同许多开创性技术一样，库比特系统公司的3D打印工艺过于复杂和低效，机器设备昂贵，利润率敏感的制造业难以接受。

( 2月28日，瑞士卢塞恩微观装配实验室的一名工作人员正在使用电脑操控3D打印机 )

后来，利普森成为美国康奈尔大学机械工程与计算机科学技术系副教授，致力于机器人技术、进化计算、3D打印机等领域的研究，成名之作是关于智能机器人利用3D打印机进行自我制造的研究项目，成果发表在2000年的《自然》杂志上。去年，利普森和梅尔芭·库曼（Melba Kurman）共同撰写了一本名为《3D打印：从想象到现实》（Fabricated: The new World of 3D Printing）的书，详细介绍了3D打印技术的方方面面。“从第一次知道3D打印机起，我就开始了这方面的研究。直到2005年左右，这项技术还被局限于非常狭窄的市场，因为机器很昂贵，超过5万美元。这也是人们没有认识到3D打印的一个原因。”利普森说。

2005年，事情发生了一些变化。利普森发起了一个专门研究低成本家用3D打印机的项目，名为“Fab@Home”。人们可以免费从网上获得打印机的设计图，只需要花费1000美元，基本上每个人都可以制造自己的3D打印机。同年，英国巴斯大学机械工程高级讲师阿德里安·鲍耶（Adrian Bowyer）创建了一个被称为“RepRap”的3D打印机开源项目。到目前为止，RepRap项目已经发布了4个版本的3D立体打印机：2007年3月发布“达尔文”（Darwin），2009年10月发布“孟德尔”（Mendel），2010年发布“Prusa Mendel”和“赫胥黎”（Huxley）。开发者采用了著名生物学家们的名字来命名，因为他们认为“RepRap就是复制和进化”。

( 胡迪·利普森 )

“这两个项目使得更多人真正接近了3D打印机。我觉得革命真的在发生了，这让人激动。事实上这项技术并不是一朝出现的，它在过去30多年中稳步提高，应用领域现在出现爆发式增长。这并不是只有几个人的行业，从厨师到外科医生到考古学家都在通过不同的方式使用它。”利普森说。

他打了个比方，在演艺界，一个演员可能会默默无闻很多年，然后忽然因为某个契机而走运，被视为“一夜成名”。“电脑和3D打印的舞台和这差不多。3D打印已经存在30多年，它终于引起主流的兴趣。这和力量的汇集有关，包括电脑技术、互联网、低成本硬件的发展，以及消费者和商业领域对3D打印产品的兴趣增加等等。”

什么是3D打印？

大多数人第一次听到3D打印的时候，想到的是常见的桌面打印机。喷墨打印机和3D打印机最大的区别是维度问题，桌面打印机是二维的，在平面纸张上喷涂彩色墨水，而3D打印机可以制造拿在手上的三维物体。

3D打印机依据计算机指令，通过层层堆积原材料制造产品，这种技术的名称是“增材制造”。通常来说，3D打印机会在设计文件指令的引导下，喷出固体粉末或者熔融的液态材料，使其固化成一个特殊的平面薄层。第一层固化后，3D打印机打印头返回，在第一层外部形成另一薄层。第二层固化后，打印头再次返回，并在第二层外部形成另一薄层。如此往复，最终薄层累积为三维物体。

一台3D打印机可以小到放入一个手提袋，也可以大到一辆微型面包车大小；造价可以从几百美元到50万美元不等，它们共同的特点是按照计算机的指令将原材料按层堆积以形成三维物体。

这曾经只是一个科学幻想故事，而如今人们不时在媒体上看到各种3D打印产品出炉，iPad支架、吉他、珠宝、太阳镜，甚至骨骼、枪支等等。不久的将来，人们还会看到设计师用水泥、石头和沙子打印出的“单片环状结构件”组合而成的别墅；人们还会品尝到美味的3D打印食品，甚至宇航员也有机会享用。美国一家名为“太空生产”的公司正在和美国航空航天局合作，开展在零重力环境下的3D打印尝试，目的是为了在太空打印出更可口、保质期更长的太空食品以及其他太空用品，解决长期飞行的宇航员的后勤保障难题。

3D打印似乎可以满足人类想象力的方方面面。美国《时代》周刊将3D打印产业列为“美国十大增长最快的工业”。据咨询公司Wohlers Associates预测，3D打印产业2015年将达到37亿美元，2020年将达到52亿美元。今年2月，美国总统奥巴马在国情咨文中谈到3D打印以及这项技术的重要性时指出：“制造业在经历了10多年就业人数不断减少之后，过去3年就业人数增加了50万。现在我们所能做的就是庆祝这一发展趋势。去年，我们在俄亥俄州扬斯敦成立了首个制造创新中心。一间曾经关闭的仓库现在成了一流的实验室，许多新人在这里研发3D打印技术，3D打印有可能革命化我们制造几乎所有产品的方式。”他宣布再成立3个这样制造中心，在这里企业将与美国国防部和能源部合作，把在全球化上落后的地区转变成全球高科技中心。

3D打印是福是祸？

奥巴马没有想到的是，他支持的3D打印技术给他带来了麻烦。今年5月，25岁的美国得克萨斯州大学学生科迪·威尔森（Cody Wilson）开发了全球首款利用3D打印技术制造的左轮手枪，成为3D打印技术最“酷”的成果。这款打印出来的手枪名为“解放者”，几乎全部由塑料制成，16个部件中有15个都是用8000美元买来的二手Dimension SST 3D打印机制造出来的。唯一的非打印部件是作为撞针的钉子，这种钉子在五金店里很常见。

5月1日的第一次试射，“解放者”将一颗9毫米口径的子弹射入了泥土和草原灌木丛中，这标志着全球第一把全3D打印手枪首次试射成功。不过随后的一次射击失败了，撞针未能击中上膛子弹的底火帽，因为锤机柱架没有对准，导致哑火。在发射5.7×28毫米步枪子弹时，手枪被炸得四分五裂，白色的ABS塑料碎片飞入杂草丛中。随后的几天，威尔森改进了“解放者”手枪的计算机设计图，重新打印了枪管、击锤和枪身，调整了撞针，并试射成功。

5月5日，威尔森将自己的设计发布上网，两周内设计图就被下载超过10万次。你可以想象，未来如果你想要一把AK-47，你可以先在网上下载模型图纸，然后用3D打印机打印出配件，组装起来，再打印子弹……3D打印枪支无需生产许可证，无需接受背景调查，枪身也无需刻上序列号，即使不懂枪支知识和制枪技术就能在家轻松拥有一支枪。

不久，他收到美国国务院的信件，要求他将“解放者”的3D打印文件删除。美国国务院国防贸易控制办公室认为，威尔森发布3D打印枪支设计图，已经违反了国际武器贸易条例。根据条例，在没有得到授权的情况下，禁止“出口任何有关防御性武器的文章或者技术数据”。即便是随后威尔森删除了打印文件，但是文件已经被转载到著名的海盗湾等下载网站上。美国国土安全局联合地区情报中心称，“现在可能已经无法阻止3D枪支的打印”。

与此同时，3D打印也取得了人们的盛赞。今年5月，《新英格兰医学杂志》报道了一个移植3D打印人体气管成功的案例。美国俄亥俄州的一个小男孩卡伊巴·琼弗里多（Kaiba Gionfriddo）出生6周后出现呼吸困难，他的气管有先天性缺陷，通往心脏及肺部的主要动脉错位，气管受到压迫，几乎每天都会突然停止呼吸。去年2月，密歇根大学公共医疗中心在他的喉咙里植入了一个用3D打印机制作的人工气管，帮他正常呼吸。论文发表时，19个月大的卡伊巴健康成长，呼吸正常。

密歇根大学公共医疗中心的生物医学工程师介绍了整个3D打印过程。他们用计算机设计了一个患儿气管支架的模型，使用热塑性的生物可吸收材料，通过激光烧结技术制造了一个气管支架。在移植手术中，依靠支架上的孔洞与气管进行固定。在安置支架7天后，开始逐步撤除机械通气机，并在手术后21天完全停止呼吸机支持。据介绍，3D打印的气管有个切口，随着孩子气管的生长，该人造气管也会随之胀大，这是其他固定的人工气管移植所做不到的。一年以后，通过内窥镜造影手术观察患儿的左主支气管，发现一切正常。到目前为止，没有发生过任何与支架相关的问题。

《新英格兰医学杂志》报道了卡伊巴的案例后，不少专家都表示看好3D打印人体气管在医学上的运用。高分辨率成像技术、计算机辅助设计与生物材料的3D打印结合起来，可以针对患者的特定解剖条件创建可植入设备。但是也有专家认为，人造气管目前并没有能够彻底解决问题，等卡伊巴气管发育较成熟后还要再做手术。因此，3D打印气管技术的临床作用究竟如何，还得等时间来告诉我们答案。

3D打印机或许是新一 代智能机器人

《3D打印：从想象到现实》的作者胡迪·利普森，对未来很乐观。

三联生活周刊：你和梅尔芭·库曼为何写这样一本书？

利普森：我们写这本书因为我们希望能从整体上介绍3D打印。当时我们开始写书的时候，有不少作者和记者也写了很多关于3D打印的文章，多数都是关于3D打印一两个方面的，我们希望能够讲一个完整的故事。我之前致力于一个被称作“Fab@home”的开源3D打印机项目有10多年时间，梅尔芭一直在软件产业从事市场工作，她对商业模式和知识产权很感兴趣。于是我们从不同的角度介绍了3D打印，从基本技术到知识产权、潜在的商业模式、食物打印和下一代设计技术等不同的方面。

三联生活周刊：你为何总是把3D打印机和电脑相提并论？

利普森：和电脑一样，3D打印被称作一种技术平台，或者革命性的技术。如果电脑只是能够快速计算的机器，它不会是革命性的。是什么让电脑具有革命性？是因为它快速计算的能力能够适用几乎所有的工业和人类活动，相应地触发下游创新、文化和技术。同样，3D打印不仅仅是一个机器，而是一种特定的工业风格。3D打印技术结合新的软件、新的材料、互联网、干细胞研究和自动化的制造业，在未来将会形成一个很大的整体，结果将会是一个和计算机革命类似的级联创新。

三联生活周刊：有一种说法，3D打印机将带来第三次工业革命，你怎么认为？

利普森：当我们写这本书的时候，这个问题我们讨论了很多。不是我们吹毛求疵，“工业革命”这个词的含义随着时间的发展越来越模糊。我们相信3D打印技术将触发一连串的创新，但这需要在接下来的数年、数十年让人们在日常生活中充分感受到。以往发生在美国、中国和其他国家的工业革命，事后看来，达到充分的社会和经济影响也用了几十年。

以往工业革命让一些昂贵的东西变得几乎免费，比如第一次工业革命电力－蒸汽引擎让动力比马车和帆船更廉价。后来，我们有了电脑，计算成本降低；有了互联网，宽带成本降低；有了3D打印机，制造复杂的东西成本降低，打印复杂形状的物体不再困难、耗时和昂贵。

三联生活周刊：你见过的最令人惊讶的3D打印产品是什么？

利普森：回顾我过去10年在3D打印领域工作的经历，我觉得是食物打印，人类最感兴趣的事情之一就是食物。若干年前当我和学生第一次在互联网上发布Fab@home打印机设计蓝图时，我们很惊讶用户第一个问的技术问题是：“如何打印巧克力并让它们不会融化？”用户还会发图片给我看他们打印了什么，比如齿轮或者章鱼形状的点心。孩子们尤其会对食物打印感兴趣，目前可以打印巧克力、花生酱、面团、白糖、沙司、奶酪等等。并不是每个人都想在家里打印塑料，但是想打印食物的人会更多。

三联生活周刊：现在有什么已经商品化的3D打印产品吗？

利普森：当然有了。几乎所有你周围的产品，从一支笔到椅子到汽车，都可能用3D打印机打印出来。目前市场上有数百种3D打印产品出售，比如用金属、陶瓷、塑料和玻璃打印的珠宝和家用器皿。如果你使用牙箍、牙冠或者助听器，可能你已经使用了3D打印产品。在美国，牙科诊所借助X射线不到一小时就可以打印定制的牙冠，在体内安装用钛和陶瓷打印的假膝盖已经风靡世界。很多新的飞机上某些部件也是3D打印出来的，从空气导管到发动机部件甚至翅膀的某些部分。如果你乘坐波音公司的新型飞机波音787，上面至少有32种3D打印的部件。

三联生活周刊：如果有人给你足够的钱来推动3D打印的发展，你会用来干什么？

利普森：我会在学校和社会上的成人中资助更多的基础研究和培训计划。在美国，公众对3D打印的热情持续增加，不断意识到3D打印技术的潜力。目前也有一些这样的项目，比如我们开始探索3D打印如何帮助小学老师进行教育工作；社区教育因地区而异，一些社区提供低成本的3D打印资源；高级的制造业和生物研究受科研经费的资助，但是资助往往不确定，竞争很激烈。

三联生活周刊：现在已经有了3D枪支，可能还会出现3D毒品，如何阻止人们用3D打印机犯罪？

利普森：打印一个能够使用几次的塑料枪是可行的，即便是一个孩子也能做出来，但这不是一个很好的枪。我担心孩子和业余爱好者会打印出劣质枪支，射击的时候会失败并伤到自己。这给我带来关于安全问题的思考：当你打印一个汽车方向盘，你怎么知道它是安全的，将来不会出问题？我们需要某种形式的认证，让人们知道他们打印的物品的功能和安全性。随着消费者的注意力从打印装饰性的东西到功能性的东西，我认为这将成为一个很大的问题。

三联生活周刊：从目前来看，生物打印到实际应用困难重重，你真的认为100年后，生物打印会成为一种普遍的医疗方式吗？

利普森：生物打印是最有潜力的应用，虽然人们还不能在家里实现。你可以想象，当你健康的时候，医生用核磁共振成像对你进行全身扫描，保存你所有的数据，当你需要替换骨骼或者软骨时，就可以打印相应的组织然后将其替换掉。这是多令人兴奋的事情！

我认为，50年内生物打印将成为一种常见的医疗，或许10～20年就够了。生物打印需要一些发展阶段。第一，我们打印简单的组织，比如软骨、骨骼和皮肤。这已经在研究室里进行，但还没用于临床。第二，随着生物技术的进展，我们将会打印更复杂的组织，比如肾脏和肝脏。最大的挑战是打印一个完整的活器官，包含很多微小的静脉和内部复杂结构。我可能没有机会更换3D打印器官了，但是我确定我的孩子辈会。

三联生活周刊：如果3D打印机几乎能打印一切，未来会是什么样子？

利普森：我常常被问到一个问题，将来是否每个家庭都有3D打印机？现在很多人家里都有好几台电脑，而且不只在家里有，口袋里也有。我觉得3D打印机也会发生类似的事，我们家里将会有3D打印机，工作的地方也会有。未来会有不同类型的打印机，用来做不同的事情。

我对这个技术了解得越多，就越难预测，主要是因为有很多的可能性。这就像在上世纪70年代，试图预测电脑将如何改变世界一样。当时每个人都可以预测，电脑会自动运算，以及进行军事运算，但是没有人能预知社交网络和电子商务。但是有些我们是可以预测的，比如打印机将变得更快、更好、更便宜，产品将会按需打印。但是在那之后呢？

或许未来的某一天，3D打印机打印的物体能够重新装配成智能机器，然后重新设计，制造出自身的改进版本。3D打印机就是第一波新一代智能机器人，它们能设计、制造、修理、回收其他机器，甚至能调整和改进其他机器，包括它们自己。 3d打印3D打印看上去工业革命reprap