3D 打印会颠覆传统制造吗？ 王智，但行好事，莫问前程。 几年前知道了 3D 打印，我还记得那个时候让我对这个技术印象深刻的一句话——“没有打不出，只有想不到”。 是啊，多么吸引人的技术啊，多么自然而巧妙的想法啊，机械制造专业的我开始对专业课上的一些东西开始不屑，干嘛要学这些马上就要被淘汰的东西呢？就像 CAD 取代手工制图，Pro/Engineer, SolidWorks 之类的 3D 建模软件又逐步取代二维 CAD 绘图一样，我也幻想着日后机械制造可以告别沙尘漫天、机器轰鸣、铁水钢包、机床电钻……日后的制造将只需要人们在计算机前拖动鼠标绘制三维模型，然后优雅地点击“打印”，剩下的就是机器的事了。这也难怪，明明已经是 Intel i7 的时代了，课堂上讲的还是 8086 架构的 CPU——那时的我坚信铸锻焊机加工热处理这些看起来低端又原始的东西早晚要被淘汰的。 各种新闻媒体让人们不断地看到新技术的能量：3D 打印造出了枪支，造出了飞机模型，造出了飞机部件，甚至造出了房子！听说以后还可以 3D 打印人体器官，器官移植再不用担心供体来源，也许长命百岁也不再是梦！面对着如此美好的未来，人们坚信，没有打不出，只有想不到。 几年的科班训练还是让我在面对 3D 打印的时候保持了一定的冷静。我意识到，3D 打印是很好的技术，但要取代传统制造，它还有很长的路要走，或许永远也取代不了。 3D 打印有很多优势，我每次做 presentation 的时候都要讲一遍：它能制造出传统制造方法难以制造或不能制造的复杂结构，增材制造的方式相比于传统的减材制造节省了材料，不需要费时又昂贵的模具，以前需要多道工序制造的产品通过 3D 打印可能一步成形……比如目前的芯片制造工艺包含了曝光 (lithography)、刻蚀 (etching)、氧化 (oxidation) 等一系列的工艺环节，而其中的每一个环节又包含了很多小的工艺环节，更麻烦的是，尘埃和微粒是生产芯片过程中的致命敌人，因此整个的生产环节必须在超净间里完成，而维持一个超净的环境成本又很高。一枚芯片往往是多层的，这意味着以上的过程需要被重复很多次，因此，制造芯片是一件耗时又费钱的事。还有，相信我，长时间工作在超净间里绝对不是什么愉快的体验。如果未来人们可以用 3D 打印制造芯片，那么制造周期就将会大大缩短，因为我们不再需要那么多的工艺环节，成本也可以大大地降低，因为我们将只需要一个很小的超净环境。顺便，制造芯片的过程也会愉快很多。当然，现在我们还是做不到的，那么未来我们实现了 3D 打印芯片 Intel 是不是就要倒闭了？也不一定。 3D 打印要面对的第一个问题，是尺寸精度。还是上面的制造芯片的例子，人们现在已经掌握了 14 纳米的硅工艺，那么 3D 打印可以做到多少呢？我找得到的最好的 3D 打印机精度可以到 100 微米（1 微米 = 1000 纳米），Wikipedia 上说更好的可以达到 16 微米，但这显然不够好，即使不同 Intel 的工艺比，对比传统机械加工也完全没有优势，很多小型的机械加工厂对一些产品的尺寸精度要求也可以达到半个丝（1 个丝 = 10 微米）。我 PhD 的研究内容是高精度 3D 打印的控制算法，把材料熔化再堆积成形的 3D 打印是很难达到 10 微米以下的精度的，原因是材料在喷头处形成的液滴直径大概就有 10 微米，用直径 10 微米的液滴来达到 10 微米以下的精度几乎是不可能的。学术界有一些办法来解决这个问题，其中的一种叫做 Electrohydrodynamic-jet Printing，简称 E-jet Printing，它的原理是在喷头和打印平台之间施加一个受控的电场，材料中的电荷受到电场的驱动会在喷头尖端形成锥形 (Taylor Cone)，Taylor Cone 尖端的直径将远小于 10 微米，如果继续施加电压，那么尖端的材料将被沉积到平台上，形成一个小直径的材料液滴，通过这种方式可以实现高精度的 3D 打印。在我们的实验室里，可以实现 1 微米甚至 1 微米以下的精度，但由于打印过程本身的一些特性，我们并不能保证稳定的精度输出，这就是我 PhD 研究要做的工作，通过空间的迭代学习控制算法来试图提高打印的精度。在我研究的经验和所见范围来看，1 微米的精度几乎是目前能达到的最高精度，而从学术界到广泛的商业应用之间往往还有一个过程。因此，仅就芯片制造这一领域来说，短时间内想通过 3D 打印技术来挑战 Intel 是不太可能的，因为硅工艺也在一刻不停地飞速发展着。但是，并不是所有时候人们都需要 14 纳米工艺的芯片的，如果 3D 打印芯片可以成功，那么在集成度不太高的应用场合，3D 打印技术就可以大大地降低成本、缩短周期。 3D 打印要面对的第二个问题， 是材料受限。显然，并不是所有的材料都能够 3D 打印出来，据我所知，目前常见的 3D 打印机是熔化高分子材料后再成形，也有一些 3D 打印机可以打印特定的金属材料。当然这里还有一个 3D 打印的定义问题，学术界一直存在着几个相关的名词，在不同的场合都曾经被叫作过 3D 打印，比如快速成形 (rapid prototyping)，增材制造 (additive manufacturing)，在我的印象中，并不存在一个广泛公认的 3D 打印的定义和范围，学术界内部交流似乎并不常用这个词，但科学家们除了做研究还要“推销”自己的想法 (sell ideas)，所以在传播自己的研究时会常常用到 3D 打印这个名字，而媒体上的 3D 打印包含的范围就更广。在这样的现状下，经常出现一些人说 3D 打印不能做什么，但是另一些人引用媒体的报道来反驳的情形，其实彼此的“3D 打印”并不是同一个定义。最夸张的，我曾经在知乎评论里看到有人说等到人类实现原子级别的 3D 打印的时候，现在的一切问题就都不是问题了吧。唔，至少我个人并不觉得人类实现那种技术的时候，它还会被叫作 3D 打印。 3D 打印要面对和另一个问题，是产品的性能，特别是机械性能，这也是“没有打不出，只有想不到”这句话最大的问题。普通大众对制造的理解往往只是用一种特定的材料实现一个特定的外形，这让 3D 打印看起来很完美。对材料性能的理解，粗浅点的，觉得铁和木头有区别，铁和铁之间区别不大，或是铁合金和铁合金之间的区别在于铁和碳的比例，改变材料的性质只是改变合金中不同成分的比例。在机械制造业内的人看来，这当然不对。记得武侠小说里铸剑要把铁烧得通红然后淬火么？记得某手机发布会上的“奥式体”么？记得化学课上学过的金刚石和石磨都是碳单质么？记得足球烯和碳纳米管么？材料的微观结构对材料的性能影响很大，金属材料中有“金相”的概念，上面提到的“奥氏体”就是一种金相，它表征了晶体的微观结构。我本科毕业后就不再研究材料了，好多东西都记得不是很清楚了，但依然记得对材料的各种冷热处理可以很大程度上改变材料的性能，比如各种热处理，冷作硬化，表面处理等等。我仍然清楚地记得本科金属工艺实习的时候手工做的小锤子，因为没有经过热处理，想要敲钉子但硬度还没有钉子高，后来就只好用来敲核桃。而现有的 3D 打印技术，对材料微观结构的控制极其有限，对材料性能的控制也非常非常有限。新闻中说有人用 3D 打印打印出了手枪，但那只是实现了简易的结构和功能，几乎没有可靠性和耐用性可言。和上面提到的硅工艺类似，传统的材料科学和制造工艺也在一刻不停地发展，3D 打印想要完全取代它们，很难。 这里再多说一点器官 3D 打印。我本科毕业设计就在做生物 3D 打印，当时我的指导老师第一次跟我说要用细胞打印肝脏的时候，我觉得这真是个伟大的想法，感觉自己在做一件酷得不得了的事情。当然，你不能指望一个本科生打印出一整个肝脏来，那打印个人造血管怎么样？唔，要求好像还是高了点，那么打印一个人工血管壁组织吧，一层内皮细胞、一层平滑肌细胞组成的双层组织。打印的材料呢，是干细胞，也就是“万能细胞”，干细胞具有分化成任意细胞的能力。可是把细胞一个一个堆起来它们就会自己长成组织了么？当然不会，所以要把细胞和特定的基质材料混合在一起，在 4 摄氏度的低温环境下打印成形，然后把干细胞培养起来，加入特定的生长因子，向内皮细胞和平滑肌细胞转化。听起来不难，是吧？可是一个学期下来，中间的艰辛真是数不胜数。细胞并不会按照我们的想法生长，有的时候也不会按我们预想的方向分化，搞不好还会全部死掉。当然，最后我的确在我的组织样品里找到了小片的内皮组织和平滑肌组织，但我觉得叫它们细胞团可能更合适。好吧，问题还没完，即使我顺利地得到了内皮组织和平滑肌组织，怎样控制它们按双层的膜结构生长呢？又怎样形成血管呢？如果你看过肝脏的血管网，你会对打印肝脏绝望的……打印像肝脏这样的复杂器官，和打印一个肝脏的模型比起来，只是看起来很美好啊。把不同的材料按三维坐标堆积起来，一个器官的模型就打印好了；可是把不同的细胞按照它们的位置堆积起来，我们并不能得到一个肝脏。3D 打印器官目前也有一些进展，比如打印膀胱和心肌组织，当然，和肝脏比，打印这些器官的难度就低得多了。总地来说，3D 打印器官并不是完全不可行，但这需要基础科学和生物技术的发展。 3D 打印当然是很好的技术，但是技术不是用来迷信的。人类的制造技术发展到今天，没有哪一种制造技术可以单打独斗地解决所有问题，相信 3D 打印也不能。3D 打印和传统制造之间并不是你死我活的关系，没必要非要用一种去取代另一种。3D 打印可以是现有制造技术的一个非常好的补充和完善。同时，3D 打印更大的意义在于让更多的普通人可以更方便地设计和制造自己的产品而无需借助于工厂。建筑设计师们可以快速地打印模型来验证自己的设计，艺术家们可以更自由地创造艺术品，老师们可以更方便地把书本上的东西变成学生们看得见摸得着的模型，孩子们可以 DIY 自己的玩具……3D 打印也许真的可以改变世界，但或许不是以人们之前想象的那种方式。 ——————————————— 发自知乎专栏「人笨就该多读书」
