3D打印不是万能的，但FDM技术也没那么LOW

作者：李刚


导语：以第四次工业革命、革新制造业之名，3D打印技术一度被推上神坛，然而至今并不大的市场规模（全球百亿美金）让从业者似乎看不清未来，GE、HP、西门子等体量较大的世界500强公司也在推动变革，不过3D打印给人的印象是，似乎什么都能做，似乎也做不了什么。


3D打印一个人的头像能产生什么价值呢？


3D打印技术造房子

      今天要写这篇文章的目的也很简单，我们每天看到的新闻，打印火箭、打印汽车、打印房子、打印人体关节、打印细胞、打印文物、打印家具等等，3D打印似乎无所不能，但是这些新闻的技术应用是概念炒作还是未来方向，包括我在内的大众其实很难判断，我们该怎么去利用好这些技术，从哪里入手仍然是一个不太好回答的问题。


FDM技术打印出不同颜色的物品

      所以这篇文章的初衷还是希望大家更加理性客观的去理解3D打印技术，了解技术的应用，之前写过关于全彩3D打印的分享《挑战色彩管理极限 揭秘3D打印彩色物体》，今天主要和大家聊的是3D打印技术里最容易使用、最基础的技术，也就是FDM技术，下面结合我过去6年接触和使用FDM技术和产品的理解，还有周围朋友将FDM玩到极致的DBS以及康湿傅等人，让我对FDM技术的理解更加深刻。


笔者当年见到第一台3D system的Cube打印出来的小瓶子

       首先要和大家分享一个概念，3D打印技术学名增材制造，是一类技术的统称，根据技术原理、材料以及应用的不同，技术类型又分为7大类，小的细分技术数十种，这些技术的共通点都是将三维模型离散为二维切片数据，然后逐层堆积或烧结固化材料，最终将三维数据变为立体实物。


FDM双头双色打印打印的双色模型

      3D打印技术一定不能万能，客观来讲，它最初是为了实现快速原型而发明的，随着技术和材料的发展，现在在向工业化的直接制造发展，无论是工业4.0还是国家提倡的《中国制造2025》，都离不开这个技术，这项技术与传统的机加工、模具注塑、金属注塑（MIM）等技术工艺一样，能够应对更复杂和优化的设计、单件和小批量加工，有一定的技术特点，与其它工艺应该是互补的关系，目前还不能臆断的去讲3D打印技术可以替代传统工艺，可以理解为是一种面对客户的定制化需求、快速原型以及优化设计的快速加工工艺和技术。


2011年之前的FDM打印机是这个样子

      我们最容易接触的3D打印细分技术之一是FDM技术（熔融堆积），所使用的材料大部分是高分子线材，比如廉价稳定的PLA、ABS等，但是也有物理性能更好的材料，比如复合碳纤维、尼龙、PEEK、PC、PP等材料，由于该技术门槛低，最廉价的有几百元的硬件，但是定位工业应用FDM设备数百万，然而仍然有不少人认为这个技术太初级，没有什么技术门槛，和激光烧结技术、喷射类技术、光固化技术相比，略微有点LOW，但是我却不这么认为。

3D打印和航空航天关联最多的案例是3D打印航空发动机叶片或者喷油组件，然而东方航空的技术公司早已经利用FDM 3D打印技术来进行飞机客舱内的配件维修和更换，所使用的材料ULTEM 9085是一种通过美国联邦航空管理局认证的材料，具有很好的强重比和阻燃性。


东方航空技术公司利用FDM技术打印的座椅书报架

      截止到2017年，东方航空技术有限公司增材制造实验室开发出客舱零件30多种，共生产了500多件成品零件装配在飞机客舱内，实现了飞机上标准零件的快速制造和定制化零件的设计、开发、生产，解决了过去易损零件订货周期长订货成本高的问题。


东方航空技术公司利用FDM技术打印iPad支架，用于查阅飞行手册

      上次采访东航维修公司的时候，他们在使用一台Stratasys Fortus 450在进行飞机客舱内饰零件的生产，一台设备就已经产生不小的经济效应。


东方航空技术公司利用FDM技术打印iPad支架，用于查阅飞行手册

      所以，我们大部分人对FDM技术和材料的理解还处于比较初级的阶段，而在实际的应用中，具有一定生产能力的FDM技术3D打印机已经很好的完成了从实验到商业的转化。

汽车工业的规模和产值在制造业占有极为重要的位置，汽车的生产制造也正在经历着诸多变革。在生产线上，优化部门既要保证生产不停，又要完成对工装夹具的优化和试装，相信不少车厂都会遇到同类的问题。


北京奔驰在利用FDM技术3D打印进行工装夹具优化


北京奔驰的工具车间打印的一个量具模型

      我们知道北京奔驰在用FDM技术3D打印机进行工装夹具和量具的设计优化，而通用汽车已使用3D打印用于产品开发三十多年，并且在过去的十年中，使用3D打印技术生产了超过250000个零部件。


通用利用3D打印机打印工装夹具


金属3D打印直接制造的金属零件，设计优化更重要

      全新的零件设计，与原来的部件相比，重量减少40%，机械强度提高20%，原有的8个组装零件变为1个，从而实现了无需组装、一体化成型。

       宝马i8Roadster的软顶采用3D打印铝制部件，呈Z字型折叠，通过粉末床金属3D打印技术制造的轻量化支架也随着i8Roadster的批量化生产而进入到量产领域。


XEV利用FDM技术打印电动车的车体结构和内饰件，输出3D打印生产线

       除了这些大厂之外，中国电动车公司也在利用3D打印技术进行汽车制造，世界首款量产3D打印电动车LSEV由意大利电动车制造商XElectricalVehicle(XEV)与中国3D打印厂商Polymaker公司合作制造，然而据了解XEV这家公司的主要业务是输出3D打印汽车的生产解决方案。


XEV的内饰零件也是3D打印的

      在汽车工业中，几乎所有的车企都在利用3D打印技术积极优化设计验证和终极生产效率，并最终用于零件的制造。可以预想到的是，汽车工业中不仅需要金属3D打印技术，还需要大型FDM技术或者专业级的FDM打印机，比如MarkForged的碳纤维3D打印机。

当提到金属3D打印的时候，业内大部分会认为SLM技术（激光烧结金属粉末）或者EBM（电子束烧结金属粉末）技术是主流，然而该技术的工业级3D打印机的使用门槛还是比较高的。


FDM技术结合MIM工艺打印金属零件

      FDM技术同样能够制造金属零件，目前有两大类利用FDM技术来生产金属零件，一种是用FDM技术打印可以用失蜡法铸造的模具，然后用传统这铸造工艺来进行小批量金属件的生产。


FDM技术结合MIM工艺打印金属零件，烧结之后的金属零件成品

      还有一类工艺是利用FDM技术结合MIM工艺，也就是像Desktop Metal或MarkForged的方案，直接打印金属注塑材料，然后清洗、烧结，最终产出金属零件。


FDM技术结合MIM工艺打印金属零件（左：金属件；右：绿坯）


MarkForged Metal X打印的金属零件


MarkForged Metal X打印的金属零件


FDM技术打印的PolyCast材料进行金属铸造


FDM技术打印的PolyCast材料进行金属铸造


FDM技术打印的PolyCast材料进行金属铸造

      无论是铸造还是金属注塑工艺，都是将传统技术、材料和FDM技术进行了结合，所以目前FDM技术是可以用于金属零件的生产加工，优势是硬件更灵活，成本更低。

PEEK，学名聚醚醚酮，英文名称polyetheretherketone（简称PEEK），它是分子主链中含有链节的线性芳香族高分子化合物。其构成单位为氧-对亚苯基-氧-羰-对亚苯基，是半结晶性、热塑性塑料。


FDM技术打印PEEK零件

      聚醚醚酮(PEEK)树脂是一种性能优异的特种工程塑料，与其他特种工程塑料相比具有更多显著优势，耐正高温260度、机械性能优异、自润滑性好、耐化学品腐蚀、阻燃、耐剥离性、耐磨性、不耐强硝酸、浓硫酸、抗辐射、超强的机械性能可用于高端的机械、核工程和航空等科技。


FDM技术打印PEEK零件

      PEEK这种材料不仅物理特性好，而且具有非常好的生物兼容性，能够像钛合金一样作为人体植入物来使用。


FDM技术打印PEEK零件

      目前，不少FDM技术的企业已经推出了针对PEEK材料的3D打印机，结合PEEK这种性能卓越的热塑性材料进行个性化零件的加工和生产，比如德国的Apium，要加工PEEK这种材料，打印机要具备高温、恒温和高精度加工能力。

   前面聊的是具有一定生产能力的工业级FDM技术的3D打印机的应用价值，下面，我举三个利用普通的桌面级FDM 3D打印机来进行创作的例子，因为桌面机价格和使用门槛都很低，对大部分个人都能去使用，但是有的人能用来创作大型作品，有的人比如我，也就能打一些小玩意，在专业玩家手里，依旧能产生巨大的价值，再次证明了FDM技术的3D打印机并不LOW，只是我们大部分人没有将它的价值发挥到最大。


@康康康湿傅制作的1:1钢铁侠机甲

      @康康康湿傅花费了近10年的时间，利用FDM技术3D打印机完成了可穿戴带交互的1:1钢铁侠机甲的开发和制作，在此过程中，付出了巨大的心血和精力，当我们看到成品的时候，你很难想象，这就是一套用最普通的FDM 3D打印机完成的开发和制造。


FDM技术3D打印机打印的全部零件


喷漆后的钢铁侠机甲零件


同样是使用FDM技术3D打印机来打印

      在此过程中，@康康康湿傅还是借助FDM技术3D打印机完成了大量电影道具的开发工作，积累了3D打印和影视实体道具开发的全部经验和技术储备。

艺术家刘泳岐在2015年帮助艺人欧豪身穿的机械外骨骼设定，这套机械外骨骼经过三维设计，整套装备80%的零件经过数十台FDM 3D打印机不分昼夜的打印了上百组零件，然后进行精工装配，呈现了未来战士的先锋科技感。


打印机械外骨骼的FDM技术3D打印机


利用FDM打印技术制作的机械外骨骼

      它创作的时间是在2015年，3D打印行业应该没有太多人关注到这个项目，而欧豪穿的这套机械外骨骼的零件，大部分由FDM 3D打印机制作完成，在没做任何表面处理的情况下毫无粗糙感和违和感，这需要对FDM技术有非常好的理解才可以发挥到很极致。


欧豪MV中的道具机械外骨骼

      关于3D打印和设计，这个项目负责人刘泳岐的理解是：“design这个词很多人说是包豪斯定义的，不管是谁定义，设计其实就是在那个背景应运而生，而工业革命和两次世界大战的大时代命运，人们不得不加快生产效率，设计是一种迫切的目的，所以引发新一轮的工具和材料的变革，人们发明各种设备在各种行业里从事更快更“好”的生产，所以设计一开始就是目的为先不是理念为先。而3D打印算是一个新的工具的发明，如何使用它的经验方法就是3D打印设计，3D打印的料性、特征、机理、以及效率等因素需要不断洗刷从前的工业设备及材料认识，所以3D打印一定会帮助更多设计师，同时也会破坏一定的平衡，比如我经常会思考的一个问题是传统行业是该保留还是该灭亡”。

近期，张飞打印正式发布了曾侯乙编钟交互装置，去年开启的项目暂时告一段落，这套编钟复制品看上去近乎接近于原品，而且还能发声，整体以FDM 3D打印打印技术为主，辅助使用交互芯片，最终实现一个与两千多年前编钟发声相同的互动媒体装置。


3D打印编钟交互装置

      以闻名遐迩的“曾侯乙编钟”作为原始参照模型，在尊重国之重器时，创新出更具时代气息的3D打印编钟。钮钟，形体上取曾侯乙钮钟造型，钟体铭文替换成“北京工业大学艺术设计学院”以作纪念。


利用FDM 3D打印技术机型实体制造


利用FDM 3D打印技术机型实体制造

      张飞打印过去利用FDM 3D打印技术制做了大量的艺术装置和作品，包括《马上张飞》、《李小龙》、《玛丽莲梦露》等等太多数不过来，每年带着学生利用FDM 3D打印机进行毕业作品的创作。最终呈现出来的作品，将我们带回到历史的那个年代，重新思考艺术与创新、艺术与技术。

      结语：再次重申一下我的观点，3D打印并非万能，而FDM技术的3D打印也没有大家想象中和认知中的那么低端，我们更多的应该去思考，这项技术应该用在哪里，怎么去发挥技术和材料的特性，最终带来价值。然而，无一例外的是，我们看到的这些成果，使用者和他们的团队在背后都付出了巨大的心血，无论是创意和设计层面的思考，还是对技术的理解，以及最后的精细化处理和涂装，结合了先进技术和传统工艺的优势，在我看来，这就是创新的关键所在，所以，请让我们心怀敬畏之心参与到创新加工的时代中。