3D打印『破圈』元年

3D 打印，打印一切？

受海外醫(yī)療防護(hù)物資緊缺影響，利用 3D 打印設(shè)備制作出的口罩、醫(yī)用面罩、護(hù)目鏡等一時間成了“救場奇兵”。

根據(jù)國內(nèi) B2C 跨境電商平臺全球速賣通的數(shù)據(jù)顯示，疫情以來該平臺上 3D 打印機(jī)的銷售額和去年相比已經(jīng)翻了一番，盡管今年 3D 打印機(jī)的海外倉備貨大幅增加，但疫情之下這些備貨已被搶空。其中，4 月份中國 3D 打印設(shè)備產(chǎn)量同比大幅增長 344.7%。

那么，3D 打印機(jī)的銷量為何會因疫情而“走俏”？

雷鋒網(wǎng)了解到，歐、美國家由于基礎(chǔ)制造業(yè)較少，他們選擇用 3D 打印技術(shù)去制造面罩、呼吸閥、口罩扣等緊缺的醫(yī)療物資。與傳統(tǒng)制造模式相比，這種制造模式的好處是不受空間的制約，能夠縮短供應(yīng)鏈流程，生產(chǎn)效率更高，并且制造門檻也更低。

國內(nèi)消費級 3D 打印機(jī)制造商創(chuàng)想三維，既是這一波 3D 打印風(fēng)潮中的獲益者，同時也是國內(nèi) 3D 打印行業(yè)的主要參與力量。他們表示：

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“3D 打印只需要事先設(shè)計好，制作過程可以完全不用人工，減少了人力成本。其次，3D 打印所需的工序更少，傳統(tǒng)工藝在制作需要經(jīng)過原型塑形、翻模、打磨的階段，而 3D 打印則不需要加工機(jī)床和模具，復(fù)雜程度大大降低。雖然單個打印時間較長，但是批量化生產(chǎn)能縮短工藝流程?！?/p>

“另外，3D 打印的精確度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)工藝塑形，它能夠從一開始就盡早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品問題，避免沒必要的返工，從而縮短產(chǎn)品設(shè)計周期，更快反應(yīng)市場，降低企業(yè)開發(fā)成本，提高效率?！?/p>

為了帶大家更深度地了解 3D 打印行業(yè)，近期雷鋒網(wǎng)和創(chuàng)想三維、大勢智慧等這些國內(nèi) 3D 打印行業(yè)的主體力量進(jìn)行了對話，從 3D 打印機(jī)、3D 建模、行業(yè)未來趨勢等視角展開交流。

1、如何打印“世界”？

3D 打印又稱“增材制造”（Additive Manufacturing），它的出現(xiàn)可以說顛覆了人們對傳統(tǒng)生產(chǎn)制造的認(rèn)知。

與普通打印機(jī)相比，3D 打印機(jī)的工作原理和前者基本相同，只是打印材料有些不同。普通打印機(jī)的打印材料是墨水和紙張，而 3D 打印機(jī)內(nèi)裝有粉末狀的金屬、陶瓷、砂，以及塑料等可粘合的打印材料。當(dāng) 3D 打印機(jī)與電腦連接后，通過電腦控制可以把打印材料一層層疊加起來，最終把計算機(jī)上的模型變成實物。

起初，3D 打印主要是在模具制造、工業(yè)設(shè)計等領(lǐng)域被用于制造模型，后逐漸用于某些產(chǎn)品或零部件的直接生產(chǎn)制造，比如在航空航天、工程施工、醫(yī)療、教育、地理信息系統(tǒng)、汽車等垂直領(lǐng)域都有所應(yīng)用。?

• 2015 年，美國國家航空航天局（NASA）基于 3D 打印技術(shù)，打印出航空火箭發(fā)動機(jī)的頭部。這使得零件大量減少，焊縫也隨之減少，降低了火箭發(fā)動機(jī)出現(xiàn)故障概率的同時，使得迭代周期縮短、成本降低。在迪拜，政府選擇用 3D 打印來建造政府大樓。3D 打印建筑主要作業(yè)由機(jī)器完成，一體成型，建筑速度快，工人的作用多為操作和檢驗 3D 打印機(jī)的工作情況，因此對人力的需求比傳統(tǒng)建筑行業(yè)少。2019 年，美國加州大學(xué)圣迭戈分校利用 3D 打印技術(shù)，制造出模仿中樞神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的脊髓支架，成功幫助大鼠恢復(fù)了運動功能。在英國利茲和愛丁堡大學(xué)的科學(xué)家，他們成功研制出仿生舌頭?？蒲腥藛T找到 15 名成年志愿者，在其舌頭表面做了硅膠印模，再把印模通過 3D 掃描，繪制成數(shù)百個味蕾狀結(jié)構(gòu)的密度和尺寸 ......

另外，今年 5 月我國首飛成功的長征五號 B 運載火箭上，搭載著我國新一代載人飛船試驗船，船上還搭載了一臺“3D 打印機(jī)”。這是我國首次太空 3D 打印實驗，也是國際上第一次在太空中開展連續(xù)纖維增強復(fù)合材料的 3D 打印實驗。

以上這些，大到工程建筑、火箭發(fā)動機(jī)，小到脊髓支架等都有用到 3D 打印技術(shù)，那么它是如何打印這一切的？

雷鋒網(wǎng)了解到，3D 打印產(chǎn)業(yè)鏈上游包括 3D 建模軟件、3D 建模掃描儀和 3D 模型數(shù)據(jù)平臺等建模工具，以及各種 3D 打印材料。產(chǎn)業(yè)鏈中游主要是桌面級、工業(yè)級打印機(jī)等設(shè)備，再加上航空航天、船舶工業(yè)、汽車工業(yè)、軌道交通及醫(yī)療為主的一些下游應(yīng)用。

據(jù)公開信息，目前 3D 打印采用的主流技術(shù)有：FDM 熔融沉積、SLS 粉末材料選擇性激光燒結(jié)、DLP 光固化、SLA 光敏樹脂選擇性固化等。

國內(nèi)主要專注于 FDM 和光固化技術(shù)研發(fā)與制造的 3D 打印機(jī)制造商——創(chuàng)想三維，談及為何會選擇這兩大技術(shù)方向，他們表示：

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“因為這兩大方向是目前運用得最廣泛、普及率最高的技術(shù)。創(chuàng)想三維自成立六年來，結(jié)合自身的技術(shù)、資源選擇了 FDM 和光固化做運用功能的開發(fā)，為 3D 打印產(chǎn)業(yè)化真正落地助力?！?/p>

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“在不少人眼中，3D 打印機(jī)體積大、價格昂貴，并有較大的使用瓶頸，是屬于少數(shù)人的游戲，因此創(chuàng)想三維希望將 3D 打印底層技術(shù)優(yōu)化，為 3D 打印機(jī)的全球普及化發(fā)力，并堅持以消費級 3D 打印機(jī)為方向，使 3D 打印機(jī)平民化，走進(jìn)千家萬戶，讓人們享受到科技帶來的便捷。”

此外，針對國外市場 3D 打印的發(fā)燒友玩家動手能力強，創(chuàng)造性高，希望產(chǎn)品可以 DIY 成自己想要的模樣，國內(nèi)一些 3D 打印機(jī)制造商的 DIY 系列產(chǎn)品正在滿足這部分用戶的需求，使其以較少的費用即可組裝出一臺他們需要的 3D 打印機(jī)。比如今年 6 月在海外 Kickstarter 平臺眾籌的 DIY 新品 CR-6 SE，就是基于此理念的產(chǎn)物。

2、從 3D 打印機(jī)到 3D 建模

3D 打印技術(shù)之所以受到青睞，一定程度上與其無模具限制，能夠縮短研發(fā)周期，尤其適用于形狀復(fù)雜、定制化、輕量化訴求強烈的柔性制造加工場景等因素有關(guān)。

同時我們也發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段的 3D 打印機(jī)打印速度比較慢，較為耗費時間。而大型的 3D 打印機(jī)，盡管看起來非常高端大氣，但是不適合家庭的場景，同時桌面型 3D 打印設(shè)備更可以讓 3D 打印機(jī)從“小眾”走向“大眾”。

近些年，創(chuàng)想三維 3D 打印機(jī)在海外市場的銷售額正在大幅度增長。據(jù)創(chuàng)想三維官方信息，創(chuàng)想三維 Ender-3 、CR-10 兩大系列打印機(jī)在全球熱賣，長期占據(jù)谷歌 3D 打印機(jī)全球搜索排行榜榜首。

而他們即將在市場上大力推廣的光固化新品，正是為了滿足用戶的精細(xì)化要求，制造出速度更快、精度更高、性能更優(yōu)、質(zhì)量更可靠的光固化 3D 打印機(jī)，從消費級市場入手，普及光固化 3D 打印機(jī)的運用范圍。

而至于 3D 打印機(jī)是如何精準(zhǔn)地打印出特定的實物？這里不得不提到 3D 建模。

以 3D 打印在地理信息系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用為例，三維數(shù)據(jù)制造與應(yīng)用服務(wù)商大勢智慧正從小場景的 3D 建模到大場景的 3D 建模持續(xù)發(fā)力，可以算是國內(nèi)很有代表性的一家企業(yè)了。

目前，他們面向的垂直領(lǐng)域已從食品、文博展示、游戲等拓展到智慧城市的消防、應(yīng)急管理和工程施工。

雷鋒網(wǎng)了解到，其對真實世界進(jìn)行高精度數(shù)字化和 3D 建模時，主要包括數(shù)據(jù)采集和算法處理兩大重點環(huán)節(jié)。前者中，類似于 SLAM 這種激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)采集方式，成本相對比較高，并且在工作過程中還受到激光器的能量、接收時間等條件的限制。

因此，對城市進(jìn)行高精度數(shù)字化時，其 3D 建模的數(shù)據(jù)采集一般采用攝影測量這種成本較低、性價比高的方式。另外，用于攝影測量的工業(yè)相機(jī)，由于嵌入了 GPS 等模塊使得相機(jī)有了姿態(tài)和位置，其建模的結(jié)果只要基于一系列照片合成就行。

今年 10 月中旬，大勢智慧基于實景三維重建引擎 G-Engine1.0 的三維語義化和技術(shù)儲備，又最新推出 G-Engine2.0。

對比 1.0 版本，G-Engine2.0 版本的語義三維成果完成度更高，能夠?qū)崿F(xiàn)“按需單體化”，不僅可以在建模過程中完成對建筑、地形和道路的分類，還能進(jìn)一步識別房屋樓層與路面植被，實現(xiàn)語義信息提取，真正實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)從可“看”到可用。

談及 3D 建模過程中的難點問題，大勢智慧 CEO 黃先鋒重點提到兩點，首先是圖像大規(guī)模處理過程的容錯能力，再者是弱紋理區(qū)的匹配與文件處理。

首先在容錯能力方面，黃先鋒表示：

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“就像我們拼圖一樣，如果只有 100 張圖像要拼在一起，哪怕是人工操作一般也不會出錯。然而，當(dāng)我們有 100 萬個圖像時，僅是檢索、匹配等這些操作的復(fù)雜程度就會大大升級，再加上有些圖像比較相似甚至有損壞，各種各樣的誤差都要在處理過程中被系統(tǒng)自動地挑出來，最終使得計算機(jī)的計算過程準(zhǔn)確無誤?！?/p>

在弱紋理區(qū)的匹配與文件處理，黃先鋒提到城市中有大量的區(qū)域是弱紋理的，這種情況下計算機(jī)在進(jìn)行圖像匹配時是很難分辨的，為此大勢智慧將人工智能引入到這種細(xì)節(jié)的處理。

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“比如同一張圖像他們會提取很多特征點，通過計算點和點之間對應(yīng)的連接圖像的區(qū)域參數(shù)判斷能不能匹配上。在此過程中，實際上會出現(xiàn)很多的這種不匹配的情況，但總能有一部分正確的匹配留下來，再以這些數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本讓計算機(jī)學(xué)習(xí)這些規(guī)則，人工智能技術(shù)根據(jù)原來數(shù)值解的匹配結(jié)果再來去做訓(xùn)練?！?/p>

在具體的應(yīng)用中，大勢智慧正用實景三維賦能行業(yè)，將三維數(shù)據(jù)服務(wù)廣泛應(yīng)用于眾多行業(yè)領(lǐng)域中。

3、從“小眾”到“大眾”

追溯其起源，我們發(fā)現(xiàn) 3D 打印這項技術(shù)是自上世紀(jì) 80 年代發(fā)明以來逐漸地走進(jìn)人們的生產(chǎn)生活中，同時人們一步步在把萬物皆可打印推向現(xiàn)實。

到了未來，3D 打印將會是怎樣的？

有專家觀點認(rèn)為，精密、微小的器械是未來 3D 打印的重點，同時行業(yè)發(fā)展也面臨一些制約因素。一方面是生產(chǎn)速度，微納 3D 打印一直在打印時間上無法超越傳統(tǒng)注塑，很難形成批量化生產(chǎn)，所以較多的還是應(yīng)用于前期產(chǎn)品研發(fā)階段。

另一方面，是打印材料，現(xiàn)在主流的微納 3D 打印仍然使用的是光固化（DLP）的方法，使用的材料較多的還是光敏樹脂，有很多性能還無法達(dá)到工業(yè)產(chǎn)業(yè)化的要求。

創(chuàng)想三維則表示：

“制約 3D 產(chǎn)業(yè)發(fā)展的因素，首先 3D 打印機(jī)的使用門檻較高，由于 3D 打印涉及到建模這種比較專業(yè)的技術(shù)，因此它的使用有一定的技術(shù)壁壘。而創(chuàng)想三維通過建立創(chuàng)想云 APP 平臺，匯集了萬余種精致實用的模型，致力于做到一鍵化打印?！?/p>

“其次，3D 打印畢竟還是較新的行業(yè)，還處于功能開發(fā)運用階段，創(chuàng)想三維也一直在努力，希望在 3D 打印技術(shù)上能有全新的突破。”

除了以上提到的這些，雷鋒網(wǎng)了解到，目前 3D 打印產(chǎn)業(yè)還存在用戶認(rèn)知度不夠的問題。不少人認(rèn)為 3D 打印離自己的生活較遠(yuǎn)，并不知道 3D 打印能干什么，以及怎樣為自己的生活帶來便利 ......

而這一系列常態(tài)的背后，意味著我們需要更多有影響力的廠商來推動產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步，讓普通百姓了解 3D 打印，使他們享受到科技帶來的紅利，只有這樣，3D 打印才能更好地從“小眾”走向“大眾”。