用3D打印技术制造出的“汽车机器人”

　　如果要评选今年的一个热词，我想“3D打印”一定不能错过。从打印各种部件到打印房子，再到打印一个自己（类似蜡像），3D打印正在变革我们的制造业。而国内的车库咖啡也于近日引入了一台真正的3D打印机，让我们看到，3D打印离我们的生活正越来越近。
　　如今，BraveRobotics开始打印机器人，这个打印出来的机器人能走、会射击，甚至还可以很快变成一部汽车（具体请参见视频演示），很像一个真实版的“变形金刚”。根据其官方网站显示，这个机器人是利用一部定制3D打印机按照1：12的比例打印出来，将在下周的东京MakeRFaire展览会上展出。
　　一个组装好的Mini机器人将很快推向市场，目前制造的数量将限制在10个，但是有各种颜色可供选择，整个套件包括了无线控制器、4个电池以及充电器，同时还包括了动作编辑软件。一旦用户提交了订单，他们需要花费近1个月的时间才能制造出来，价格为198万日元。

　　“3D打印”是通俗的叫法，学术名称为快速成型（RapidPrototyping，RP）技术，也称为增材制造技术，是一种不再需要传统的刀具、夹具和机床就可以打造出任意形状，根据零件或物体的三维模型数据通过成型设备以材料累加的方式制成实物模型的技术。它可以自动、快速、直接和精确地将计算机中的设计转化为模型，甚至直接制造零件或模具，从而有效地缩短产品研发周期、提高产品质量并缩减生产成本。
　　3D打印机出现在上世纪90年代中期，实际上是利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置。它与普通打印机工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。这打印技术称为3D立体打印技术。
　　目前全球有两家3D打印机巨头。一家即为上述Stratasys公司，它是纳斯达克上市公司，刚刚收购了以色列一家名为Objet的3D打印机公司；另一巨头是亦在纳斯达克挂牌的3DSystems公司，它在2012年初通过收购另两家3D打印机品牌ZCorporation和VidarSystems奠定其江湖地位。
　　2011年3月，英国一名科学家设计出一款名为Airbike的自行车，并用打印机一次成型地打印出车轮、轴承和车轴。通常情况下，这些零部件需要由多个工厂制造，而后进行组装。这辆自行车采用尼龙材料，坚固程度与钢铝材料不相上下，但重量却减少了65%，关键是——它可以骑。
　　几乎与此同时，美国康乃尔大学一位教授带领他的学生，在实验室里用一台打印机，打印出一块有草莓酱的巧克力蛋糕；4个月后，英国南安普顿大学一位教授和他的团队，“打印”了一台最高飞行时速100英里的电控飞行器。这架飞机上2米长的机翼、集成操纵面以及舱门，均由打印机制作而成。哈佛大学医学院的研究人员则宣布开发出一台可以进行生物打印的设备；2011年9月，世界首辆3D打印机制造的汽车现身加拿大温尼伯市……

　　尽管仍有待完善，但3D打印技术市场潜力巨大，势必成为引领未来制造业趋势的众多突破之一。这些突破将使工厂彻底告别车床、钻头、冲压机、制模机等传统工具，而转变为一种以3D打印机为基础的，更加灵活、所需要投入更少的生产方式，这便是第三次工业革命的到来的标志。在这种势头下，传统的制造业将逐渐失去竞争力。以3D打印为代表的第三次工业革命，以数字化、人工智能化制造与新型材料的应用为标志。它的直接表现，是工控计算机、工业机器人技术已进入成熟阶段，即成本明显下降，性能明显提高，工业机器人足以在很多方面替代了流水线上的工人。
　　《第三次工业革命》作者里夫金称，“3D打印机可以打印出能骑的自行车、可穿的衣服、能飞的飞机。现在，在非洲乡村，假使你使用的某一个东西的零件坏了，就得等上好几个星期，但使用3D打印机，你可以当场制作出一个零件。你可以用几千美元买一个小的3D打印机，这样你就拥有一个小家庭工厂，或者小镇上的小公司，可以以非常之低的成本实现生产和销售；通过互联网接受订单，销售成本也几乎为零；物流成本也很低，因为运输工具都可以在所在地随时充电。在美国，一位纽约大学辍学学生创办了一家非常成功的网络家具销售网站Etsy，已经吸引了50多个国家的数百万的买家和卖家，采用的就是这样的模式。他被认为会是新一代的比尔·盖茨。”
　　揭秘“打印”过程原理
　　3D打印机的成型技术与喷墨式平面打印技术类似，也是在平面上喷原料，不同的是，3D打印机需要喷很多薄层的原料才能使之成为最后的立体成品。
　　以现在Stratasys公司研发的基于FDM技术的快速成型机为例。首先，它会将电脑中的模型数据导入3D打印机的控制软件，而后生成支撑材料和加热喷头运动轨迹。这时，加热喷头会根据电脑中模型的横截面轮廓信息做平面运动，原材料也会输送到加热喷头，经过加热熔化后成半液态挤压出来，涂在工作平台上。快速冷却后平台上就会形成一层约0.1mm厚的薄片轮廓。这就完成了一个薄层。如此类推，打印机在完成了足够多的薄层后，成品就会“出炉”了。
　　与传统的3D打印机相比，FDM的快速成型机拥有两个加热喷头，工作效率较高，而且采用的原料多为聚碳酸酯等，在制作工作中，不会产生污染气体，更重要的是，它“打印”出来的成品精准率极高。

　　3D打印机和普通的复印机并无太大不同。3D打印的原理也很简单：首先将一项设计物品转化为3D数据，然后根据这些数据进行逐层分切打印。说得简单一点，3D打印是断层扫描的逆过程，断层扫描是把某个东西“切”成无数叠加的片，3D打印则是一片一片地打印，然后叠加到一起，成为一个立体物体。
　　只是3D打印机使用的打印材料是特制的粉末而非普通的墨粉或墨汁。这些粉末在打印过程中会被一种特制的胶水逐层黏合、固化，并不断叠加，最终形成一个完整的立体物品。恩里科·迪尼发明的打印机使用的材料是沙子。当打印机开始工作时，它的上千个喷嘴会同时喷出沙子和一种镁基胶。这种特制的胶水会将沙子黏成像岩石一样坚固的固体，并形成特定的形状，然后只需要按照预先设定的形状，一层层喷上这种材料，最终就可以“打印”出一个完整的雕塑，甚至一座教堂建筑。恩里科·迪尼设想，如果这种打印机能使用月球尘土为材料，应该就可以在月球上使用这种打印机，快速地建造出人类的月球基地。
　　能制造出以上成品的3D打印机价格并不便宜，他们从一万美元到十万美元不等。不过，这种价位与它们带来的经济效益可谓九牛一毛。要知道，甚至有人想用3D打印机来造房子。
　　3D打印机技术的应用
　　在医疗行业，3D打印机可以给医院打印“人体器官”,帮助病人了解手术方案。最近，一位83岁的老人由于患有慢性的骨头感染，因此换上了由3D打印机“打印”出来的下颚骨，这是世界上首位使用3D打印产品做人体骨骼的案例。

　　在科学研究领域可以打印3D仿真模型，美国德雷塞尔大学的研究人员通过对化石进行3D扫描，利用3D打印技术做出了适合研究的3D模型，不但保留了原化石所有的外在特征，同时还做了比例缩减，更适合研究。

　　实现直接制造产品，比如微软的3D模型打印车间，在产品设计出来之后，通过3D打印机打印出来模型，能够让设计制造部门更好的改良产品，打造出更出色的产品。

　　进行文物复制，博物馆里常常会用很多复杂的替代品来保护原始作品不受环境或意外事件的伤害，同时复制品也能将艺术或文物的影响更多更远的人。最近史密森尼博物馆就因为原始的托马斯·杰弗逊要放在弗吉尼亚州展览，所以博物馆用了一个巨大的3D打印替代品放在了原来雕塑的位置。

　　在建筑业里，工程师和设计师们已经接受了用3D打印机打印的建筑模型，这种方法快速、成本低、环保，同时制作精美。完全合乎设计者的要求，同时又能节省大量材料。

　　制造业也需要很多3D打印产品，因为3D打印无论是在成本、速度和精确度上都要比传统制造好很多。而3D打印技术本身非常适合大规模生产，所以制造业利用3D技术能带来很多好处，甚至连质量控制都不再是个问题。

　　3D打印机还可以“打印”食品。研究人员已经开始尝试打印巧克力了。或许在不久的将来，很多看起来一模一样的食品就是用食品3D打印机“打印”出来的。当然，到那时可能人工制作的食品会贵很多倍。

　　汽车也可以打印，不是说你的车是3D打印机打印出来的（当然或许有一天这也有可能），而是说汽车行业在进行安全性测试等工作时，会将一些非关键部件用3D打印的产品替代，在追求效率的同时降低成本。

　　自制装饰器，在未来不管是你的个性笔筒，还是有你半身浮雕的手机外壳，抑或是你和爱人拥有的世界上独一无二的戒指，都有可能是通过3D打印机打印出来的。甚至不用等到未来，现在就可以实现。

　　未来3D打印机将改变我们的生活。你可以打印自己设计的首饰、鞋子、衣服；你不需要有高超的厨艺，放入食材，便可以打印出色香味俱佳的食物；你想换一个手机壳，没问题，DIY一个，立刻打出来……

近几年来，“3D打印”成了领先科技的代名词，它也是媒体一直跟踪报道的热门话题。其实这项技术早在20世纪80年代已经存在，当时的设备和耗材都 非常昂贵，所以它只应用于模具开发、原型设计等工业上游环节。单从价格上来看的话，3D打印机的价格在一路下滑：在90年代，它的价格一度高达数百万美 元。而在2000年初，其价格降至一到二万美元。到了现在，你甚至可以在淘宝花数千元购买一台3D打印机（精准度并不高）。对于玩硬件出身的创客来说，他们也许会很自然地把3D打印和开源硬件联想到一起。但是一般人也许不知道开源硬件是什么，更别说二者的关系了。它们到底有什么渊源呢？

开源硬件降低了3D打印的生产成本

让3D打印机逐渐普及的因素有很多，比如说3D建模软件的改进、配件的标准化等。是什么导致3D打印机的价格变得如此“便宜”？可以说，开源硬件起着很大的推动作用。

什么是开源硬件？开源硬件是指与自由及开放源代码软件相同方式设计的计算机和电子硬件。如果要通俗一点的解释，我们可以参考新车间创始人李大维的陈 述：开源硬件是说设计图、原料表和上面执行的软件是通过开源的方式授权出来的。拿到这份方案的人可以根据自己的意愿对产品做出修改，甚至生产和销售。



在开源硬件的世界里面，有好几款3D打印机属于开源项目，比如说MakerBot、CandyFab、 Fab@Home和Reprap等（详情点击这里）。这也就是说，很多人都可以按照他们所提供的方案购买相应的材料进行复制，而且其组装成本并不大。

对于3D打印机来说，开源硬件Arduino是 其价格迅速下降的主要原因。这是一款由5个国际工程师研发的电子原型平台，该平台包括一片具备简单I/O功效的电路板以及一套程序开发环境。它为3D打印 机提供了一个便宜而又强大的方案，加上其他开源技术的配合，3D打印机的生产门槛越来越低。值得一提的是，Reprap是最早使用Arduino作为控制 方案的3D打印机，所以大多数以它为“蓝本”的改进产品也是采用Arduino作为主控设备的。

3D打印激化开源硬件社区的分化

虽然开源硬件降低了3D打印机的价格是不争的事实，但是在这个普及的过程当中也发生过一件很有争议的事件。两年前，开源3D打印机厂商 Makerbot把3D打印机拉到了2000美元以下。得益于开源硬件社区，它的技术得到不断的改进，现在已经发展到第四代。一个名叫Matt Strong的人对他们的产品进行了复制，并把这个名叫TangiBot的3D打印机放到Kickstarter上募资。



Matt Strong是一个供应链专家，加上他当时打算把设备的生产交给中国的工厂，所以TangiBot的售价会比Makerbot的3D打印机便宜好几百美 元。虽然他这么做并没有违法，很多开源社区的人对他嗤之以鼻，比如说OpenBeam发明者Terrence Tam觉得他复制了一款在业内备受尊重的产品，并以更低的价格出手，这样的举措让人感到失望。

也有人支持他的行为，因为他们认为Matt Strong以工程技术的方式降低了3D打印机的生产成本，这跟福特当年以流水线的方式生产汽车有异曲同工之妙。他的做法为降低3D打印机的成本提供了另一种思路，其贡献也是不能忽视的。

因为TangiBot事件的发生，有些业内人士会觉得开源硬件社区会分为两派：一派继续从事新技术的开发和设计，而另一派则从“前线”退下来，从事 供应量管理和销售等问题。这篇文章之所以用“激化”一词，是因为在没有发生这件事之前，一些创客早已从技术研发这个神坛上退下来，把精力放在了技术的推广 上，比如说国内的“开源硬件第一人”李大维。

不管怎么说，个人觉得开源硬件社区的分化并不算一件坏事，因为后者可以让相应的技术走向更广泛的市场，而不仅仅限于创客之间的交流。

Objet Connex带来了好消息：这台3D打印机可以一次打印两种材料，甚至混合材料。自从1984年Charles Hull发明了第一台3D打印机以来，这种打印机的速度和准确性都有了巨大的改善，如今最好的3D打印机非常像一个标准的喷墨打印机，用数百万的聚合物液滴来印制出一层一层的物质来产生形状。但是有这么一个问题，大多数3D打印机一次只能使用一种物质，因此它们打印出的产品都只有一种颜色。

Objet Connex带来了好消息：这台3D打印机可以一次打印两种材料，甚至混合材料。Connex已经帮助医院制作医疗模型甚至还允许麻省理工的学生用这台机器完成他们的工作。

真身图：

下面就是工作原理啦：