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美國霍什耐維斯教授項目組接受本報專訪,首次向國內媒體揭祕如何“在月球上打印房子”上海交大機械與動力學院習俊通教授:“我並不認爲3D打印技術是多麼‘神乎其神’的東西”
3D打印最近很紅。
《經濟學人》雜誌將這種技術列入第三次技術革命範圍。“而今,我們仍然無法預測,3D打印將在漫長的時光裏如何改變這個世界。”
這是什麼樣的一項技術?
它與普通打印機工作原理基本相同,打印機內裝有液體或粉末等打印材料,與電腦連接後,通過電腦控制把打印材料一層層疊加起來,最終把計算機上的藍圖變成實物。
最初,這種快速成型技術製造出拳頭大小的鼠標;後來,它打印出了最高時速達141公里的賽車;最近,南加利福尼亞州大學霍什耐維斯教授領銜的“輪廓建築工藝” (ContourCrafting)項目組,試圖利用3D打印技術在月球上“打印”一棟建築!
日前,霍什耐維斯教授及其項目組部分成員接受了本報記者的專訪,首次向國內媒體揭祕“在月球上打印房子”的奧祕。
打印一棟房子只需20小時
霍什耐維斯教授研發這項技術的最初動力,來自1994年某次地震後,他修復自家受損房屋過程中,感受到的種種人力所不及:速度慢、不安全、成本高。這樣危險、辛苦的工作,爲什麼不能完全由機器來完成呢?
通過多年的潛心研究,霍什耐維斯教授研發出了“輪廓建築工藝”技術,2004年,該項技術就已經能夠“打印”出5英尺(約合1.52米)長、3英尺(約合0.91米)高、6英寸(0.15米)厚的建築部件。隨着近年來的技術改進,該技術不僅能夠“打印”方形、圓形、環形甚至不規則形狀的房屋部件,也有能力“打印”一整棟房子。
霍什耐維斯教授向記者提供的材料顯示,房屋是這樣被打印出來的:
先在要修建房子的空地上,安裝巨大的“打印”設備,而這一過程只需要兩三位工人花費幾個小時。這個設備的外觀,有點像建築行業中使用的兩邊有滑軌的巨大行車,只不過行車橫樑上通常用來裝吊貨物的部分,裝有巨大的給料器,按照房屋3維設計圖,穩定均勻地擠壓出混凝土,一層層地“打印”疊加,同時機械手還能拾取旁邊的其他建築材料安裝,甚至還能做鋪設瓷磚那樣的精細活。
按照教授的估算,若要建起一棟2500平方英尺(約合232.3平方米)的房屋,僅需要20小時左右。
這樣的“打印機”,不僅能“打出”一棟房屋,還能夠建起一整片房屋羣落,而且能夠使得同一個羣落內的房屋呈現不同的樣貌。
記者迫不及待地問霍什耐維斯教授:什麼時候能夠看到“打印”出來的房子?
他幽默地說,那個大傢伙目前放在實驗室內,真要搬出來造房子,得先把實驗室拆了才行。目前,那臺巨大的“打印機”,還主要用於打印一些建築部件等等。“輪廓建築工藝”還處在技術轉化階段。
據霍什耐維斯教授介紹,除了節約時間外,“輪廓建築工藝”最主要的優點之一,就是極大降低建築成本。
他打了這麼一個比方:就像用機器來製鞋和純手工製鞋子一樣,當然是機器制的鞋子比手工造的鞋子便宜。在美國目前的建築成本中,45%-55%是人力成本;25%-30%是材料成本;如果使用“輪廓建築工藝”來建造房子,那麼人力成本幾乎爲零。成本的降低並不等於質量的下降:經測算,“輪廓建築工藝”“打印”出來的建築的最高強度能達到10000PSI(約合69.0MPa),而人工建成的強度一般只有3000PSI(約合20.7MPa)。霍什耐維斯教授還特別強調,人力勞動的減少,自然能有效避免工傷事故。
“輪廓建築工藝”技術還能打印不同功能的房子。
在霍什耐維斯教授的項目中,大致分以下兩類:
第一類是緊急用房,即給遭受自然災害的災民或者被迫逃離家園的難民居住的房屋。“輪廓建築工藝”技術建造出來的是真正的房屋,還能安裝各種設施,強度和功能性都要優於現有的救災帳篷或者活動板房,且速度快。
第二類是低成本住房,用於給窮人居住,能改善他們的居住條件,這類房屋的強度要比第一類更高,所需要的建造時間也更長一些,工序要更多。
霍什納維斯教授的博士生、“輪廓建築工藝”成員項目組張靖和袁宵表示:據先前一項估算,如果該項技術能夠普及,機器的造價大約在10萬到15萬美元左右,一般的小型建築公司完全能夠負擔得起。
“月球建築工程”
教授領銜的課題組一年前把重心轉向了另外一項美國航天局出資的項目——“月球建築工程”。該工程其實也是“輪廓建築工藝”技術的一種延展運用——“走出地球邁向太空”:
由於“輪廓建築工藝”幾乎不需要人力勞動,在目前把人類送上月球的成本還很高的前提下,利用這種技術在月球等外星球造房子是最佳的選擇。
它可以建造航天器着陸場、防護牆以及永久基地等各種功能建築。在月球環境下,“輪廓建築工藝”技術所需要的機械,要考慮在沒有大氣層以及1/6地球重力等條件下工作的特殊情況,進行相應調整,所以它比在地球上造房子所需要的時間要更長一些,造100平方米左右的房子,可能需要兩三天的時間。
張靖告訴記者,因爲月球環境的特殊性,這項工程需要攻克的難關更多,目前最急需解決的難題是建築材料哪裏來?
曾有專家提出一種方案,在地球上建好所需各種部件,然後運到月球上組裝,但這個方案的代價太高。
張靖給記者算了一筆賬,把地球上1千克的物體運到近地軌道大約需要1.5萬美元,而運到月球可能花費10萬美元左右,如此天價,即便是地球上再有錢的國家都承受不起。剩下的選擇就只能就地取材,利用月球現有的土壤。
目前工程組正在進行兩種嘗試:一,將月球土壤加熱到1100攝氏度,使其融化成所需的流體形態建材;二,將月球土壤與硫磺(該材料可以從月球土壤中提取)混合物加熱到130攝氏度融化後,形成具有一定流動性的所謂“高科技混凝土”,這種混凝土的表現一點都不比地球上所用的混凝土遜色。
以目前進度而言,若在充沛的資金支持下,那麼最早到2015年左右,人類就可以實現在月球上造房子的夢想了。
雖然美國的重返月球計劃目前暫時遭到了擱置,但是世界上包括中國在內的多個國家,都有在近20年內登月的計劃。因此項目組對這項技術在世界範圍內的推廣運用,非常有信心。
3D打印技術將改變世界
“‘輪廓建築工藝’能夠改變建築業,3D打印技術卻將改變世界。”霍什耐維斯教授在採訪中如是說。
3D打印技術發明到現在僅有幾十年的時間,正是打印材料的多樣化,給3D打印技術安上了騰飛的翅膀,美國《時代》週刊已將3D打印列爲“美國十大增長最快的工業”。
貝寶的聯合創始人之一安德拉斯·福加斯投資了一家實驗室,致力於生物打印肉的研究;3D骨骼打印技術已經成功複製出人類的指骨、下頜骨,並且移植到了病人身上;有人甚至聲稱成功打印出點22手槍的部分組件,並結合真槍其餘部件製作成一把槍,該槍累計射擊200餘次後,依然完好無損。
同時,隨着技術的發展,3D打印機的價格也越來越“親民化”,目前在美國最便宜的一臺家用3D打印機,只需要500美元左右。
打印機的體積也出現兩極化發展的態勢,目前體積最小的打印機只有牛奶盒一般大小,而巨型的打印機甚至有一棟樓房那麼高。
只要有3D設計圖,就能打印所需要的模型。然而這樣的便利同時也帶來了法律方面的糾紛。
媒體曾經報道過發生在國外的一個真實事件:有位年輕人買了一臺3D打印機,他根據哥哥買的某品牌玩偶形象,用打印機制造了類似的玩偶模型,他還把3D的設計圖上傳到網絡上供人們免費下載。不久後,該品牌公司找上門來,援引版權法要求他將圖紙撤下。
目前市場上還出現了一種帶掃描功能的3D打印機,就像現在複印打印一體機一樣,甚至只需要把多幅簡單照片反向合成三維實體,然後打印出所需要的物品。如果這種3D掃描打印一體機得到普及的話,其中涉及的版權糾紛會更多。
不過,這只是3D打印技術發展中的小插曲而已,3D打印技術的發展並不會因此而停滯。
霍什耐維斯教授認爲,3D打印技術對製造業業態的影響可謂是革命性的,它能使製造業本地化,也就是說只要有電腦和3D打印機,即便是在沒有製造業的地方都能大批量生產所需要的物品。正如《經濟學人》所盛讚的那樣:這是一種新型的生產方式,能夠促成第三次工業革命。這種新型的生產方式是“社會化製造”,當這種方式得到廣泛的運用,那麼每個人都可以是一家工廠。
如此一來,世界製造業的格局將重新“洗牌”,處在產業價值鏈上游的發達國家不需要大量人力就能像下游的發展中國家那樣大批量生產物品,對倚重傳統手工製造業的發展中國家的製造業來說不啻爲重大挑戰。
而事實上,發達國家已經敏銳地察覺到了一點。
就在上月中旬,美國政府宣佈在俄亥俄州建立一所由政府部門和私營部門共同出資的製造業創新研究所,以扶持美國製造業和鼓勵企業在本土投資,而該研究所的研究重心就是3D打印技術。
在國內3D打印並非新鮮事
對於中國來說,3D打印其實也非新鮮事。
上海交通大學機械與動力學院計算機集成製造研究所所長習俊通教授還記得,1997年前後,他所在的實驗室花16萬美元進口了一臺採用當時主流工藝的3D打印設備。“像一臺洗衣機大小,製造模型的材料成本大約要3000-4000元人民幣/公斤,可算奢侈品。”
那時候,每天都有五六撥人聞訊前來參觀。
在上海實睿信息技術有限公司,記者目睹了一次3D打印的全過程:
這臺3D打印機的大小,相當於兩個複印機。通過頂部的透明玻璃,可以看到在機器中央的“原料臺”上,平鋪着厚厚一層白色的粉末。
打印時,刷子每刷過一層粉末,噴頭就向這層粉末噴射粘結劑,從而實現成形。
而噴頭噴射圖形的依據,就是3D數據模型。
是不是很簡單?這次打印的是一個巴掌大小的“藍蓮花”模型。它的一個個橫截面,都是一個個鋸齒邊緣的同心圓。於是,噴頭每次噴出來的圖形,就是一個個藍色的同心圓。到最後,逐層累積成一朵“藍蓮花”,再用工具拭去多餘的粉末,就大功告成了。
“外形越複雜、越不規則,3D打印的優勢越明顯。”總經理許建輝手裏託着的一個建築模型,堪比“鳥巢”,一根根“枝條”錯綜複雜。如用傳統人工,一根根膠水粘結,工時需長達數月;3D打印機大概5天就能完成。
“還有更復雜的。”許建輝拿出一個齒輪嵌套的小模型,上面3個不同角度互相嵌套的齒輪可以轉動,但無法分拆——這意味着,用傳統方法是無法制造的。而用3D打印,再複雜的嵌套結構都不在話下。
近年來,實睿公司的3D打印機銷量逐年上升。不過,客戶羣仍以跨國企業和高校藝術院係爲主。“其實,3D打印機對中小型設計企業很有用,每次創意都能打印成形,比做模具輕鬆許多。”
“噱頭”背後也有缺陷和瓶頸
今年以來,關於3D打印的神奇和對傳統制造業的顛覆作用,頻繁見諸報端。但更多業內人士對此的態度,仍較爲客觀理性。
“從理論上說,現有的3D打印技術,的確可以‘打印’一整幢房子;如果多臺設備同時開動,‘打印’一輛整車也不過是幾個小時的功夫。”習俊通教授說。這樣的“噱頭”,或許有助於普通人瞭解3D打印技術,卻不能掩蓋目前爲止,這項技術本身仍存在的缺陷。
首先是強度問題。房子、車子固然能“打印”出來,但是否能抵擋得住風雨,是否能在路上順利跑起來?從現有技術來看,恐怕有點夠嗆。由於採用層層疊加的增材製造工藝,層和層之間的粘結再緊密,也無法和傳統模具整體澆鑄而成的零件相媲美,這意味着在一定外力條件下,“打印”的部件很可能會散架。
其次是精度問題。由於分層製造存在“臺階效應”,每個層次雖然很薄,但在一定微觀尺度下,仍會形成具有一定厚度的一級級“臺階”,如果需要製造的對象表面是圓弧形,那麼就會造成精度上的偏差,需要在“打印”成形後再進行表面打磨處理。同理,還有些工藝方法還需二次強化處理,也會引起材料的收縮與變形,造成尺寸精度較低。
還有材料的侷限性。目前非常有限,無外乎石膏、無機粉料、光敏樹脂、塑料等。如果真要“打印”房屋或汽車,光靠這些材料是遠遠不夠的。比如最重要的金屬構件,這恰恰是3D打印的軟肋。習俊通教授分析,要3D打印金屬件,必須先把金屬原材料變成粉末,再用高能激光束將其燒結成型,這其中的加工成本、能耗非常高,還有待進一步探索更可靠、低廉的工藝路徑。如果這些問題沒有解決,3D打印技術還沒到能夠挑戰傳統流水線大規模生產製造的時候。
此外,也有業內人士開始關注3D打印材料本身潛在的危害性。塑料、樹脂等大多難以降解,一旦大規模運用,是否會對人體帶來致癌危險?
“我並不認爲3D打印技術是多麼‘神乎其神’的東西,它的確改變了產品的開發、生產和組織模式,但是否會顛覆製造業本身?現在說答案還爲時過早。”習俊通說。
上海如何能有所作爲
以2011年全球主要國家三維打印設備的裝機比例來說,我國三維打印設備的裝機量,僅佔全球的9%,顯然與我國的經濟規模不相稱。
“Z Corp”公司的三維打印機,去年在我國共銷售50餘套,其中教育系統用於教學培訓佔了大頭,約60%,建築行業約10%,醫療保健約5%,消費類產品約15%,其它10%。產品創新創意設計行業的比例非常低。
總體來說,3D打印是一個新領域,但規模多大,潛力如何,還沒有任何權威的機構或人士給予明確定論。國際權威的三維打印技術與設備諮詢機構GARPA有一個不完全統計:三維打印技術已形成的專利超1000多件,有報道的打印裝置近100個,專業公司近60家,近3年來競爭空前激烈。
和美國等發達國家相比,我國在相關設備製造的關鍵技術方面,差距較爲明顯。
在這樣的大背景下,上海是否能有所作爲?
習俊通教授建議,在裝備方面,可以加強三維打印材料的研發,爲從事三維打印裝備研發的公司或機構提供基礎器件,促進三維打印設備產業發展。在爲創意公司提供服務方面,可以結合上海創新創意設計園區發展,組建專業面向園區的三維打印服務中心,一方面爲專業創新創意設計公司提供服務支持,同時通過園區統一管理規範,避免知識產權和創意外泄。(視覺設計朱偉趙亮)(駐美記者成珞記者章迪思)