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3D打印『破圈』元年

本文作者:郭仁贤 2020-11-17 19:19
导语:3D打印,打印一切?

3D打印『破圈』元年

作者 | 郭仁贤

出品 | 雷锋网产业组

受海外医疗防护物资紧缺影响,利用3D打印设备制作出的口罩、医用面罩、护目镜等一时间成了“救场奇兵”。

根据国内B2C跨境电商平台全球速卖通的数据显示,疫情以来该平台上3D打印机的销售额和去年相比已经翻了一番,尽管今年3D打印机的海外仓备货大幅增加,但疫情之下这些备货已被抢空。其中,4月份中国3D打印设备产量同比大幅增长344.7%。

那么,3D打印机的销量为何会因疫情而“走俏”?

雷锋网了解到,欧、美国家由于基础制造业较少,他们选择用3D打印技术去制造面罩、呼吸阀、口罩扣等紧缺的医疗物资。与传统制造模式相比,这种制造模式的好处是不受空间的制约,能够缩短供应链流程,生产效率更高,并且制造门槛也更低。

3D打印『破圈』元年

国内消费级3D打印机制造商创想三维,既是这一波3D打印风潮中的获益者,同时也是国内3D打印行业的主要参与力量。他们表示:

“3D打印只需要事先设计好,制作过程可以完全不用人工,减少了人力成本。其次,3D打印所需的工序更少,传统工艺在制作需要经过原型塑形、翻模、打磨的阶段,而3D打印则不需要加工机床和模具,复杂程度大大降低。虽然单个打印时间较长,但是批量化生产能缩短工艺流程。”

“另外,3D打印的精确度远高于传统工艺塑形,它能够从一开始就尽早发现产品问题,避免没必要的返工,从而缩短产品设计周期,更快反应市场,降低企业开发成本,提高效率。”

为了带大家更深度地了解3D打印行业,近期雷锋网和创想三维、大势智慧等这些国内3D打印行业的主体力量进行了对话,从3D打印机、3D建模、行业未来趋势等视角展开交流。

如何打印“世界”?

3D打印又称“增材制造”(Additive Manufacturing),它的出现可以说颠覆了人们对传统生产制造的认知。

与普通打印机相比,3D打印机的工作原理和前者基本相同,只是打印材料有些不同。普通打印机的打印材料是墨水和纸张,而3D打印机内装有粉末状的金属、陶瓷、砂,以及塑料等可粘合的打印材料。当3D打印机与电脑连接后,通过电脑控制可以把打印材料一层层叠加起来,最终把计算机上的模型变成实物。

3D打印『破圈』元年

起初,3D打印主要是在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型,后逐渐用于某些产品或零部件的直接生产制造,比如在航空航天、工程施工、医疗、教育、地理信息系统、汽车等垂直领域都有所应用。 

  • 2015年,美国国家航空航天局(NASA)基于3D打印技术,打印出航空火箭发动机的头部。这使得零件大量减少,焊缝也随之减少,降低了火箭发动机出现故障概率的同时,使得迭代周期缩短、成本降低。

  • 在迪拜,政府选择用3D打印来建造政府大楼。3D打印建筑主要作业由机器完成,一体成型,建筑速度快,工人的作用多为操作和检验3D打印机的工作情况,因此对人力的需求比传统建筑行业少。

  • 2019年,美国加州大学圣迭戈分校利用3D打印技术,制造出模仿中枢神经系统结构的脊髓支架,成功帮助大鼠恢复了运动功能。

  • 在英国利兹和爱丁堡大学的科学家,他们成功研制出仿生舌头。科研人员找到15名成年志愿者,在其舌头表面做了硅胶印模,再把印模通过3D扫描,绘制成数百个味蕾状结构的密度和尺寸......

另外,今年5月我国首飞成功的长征五号B运载火箭上,搭载着我国新一代载人飞船试验船,船上还搭载了一台“3D打印机”。这是我国首次太空3D打印实验,也是国际上第一次在太空中开展连续纤维增强复合材料的3D打印实验。

以上这些,大到工程建筑、火箭发动机,小到脊髓支架等都有用到3D打印技术,那么它是如何打印这一切的?

雷锋网了解到,3D打印产业链上游包括3D建模软件、3D建模扫描仪和3D模型数据平台等建模工具,以及各种3D打印材料。产业链中游主要是桌面级、工业级打印机等设备,再加上航空航天、船舶工业、汽车工业、轨道交通及医疗为主的一些下游应用。

据公开信息,目前3D打印采用的主流技术有:FDM熔融沉积、SLS粉末材料选择性激光烧结、DLP光固化、SLA光敏树脂选择性固化等。

国内主要专注于FDM和光固化技术研发与制造的3D打印机制造商——创想三维,谈及为何会选择这两大技术方向,他们表示:

“因为这两大方向是目前运用得最广泛、普及率最高的技术。创想三维自成立六年来,结合自身的技术、资源选择了FDM和光固化做运用功能的开发,为3D打印产业化真正落地助力。”

“在不少人眼中,3D打印机体积大、价格昂贵,并有较大的使用瓶颈,是属于少数人的游戏,因此创想三维希望将3D打印底层技术优化,为3D打印机的全球普及化发力,并坚持以消费级3D打印机为方向,使3D打印机平民化,走进千家万户,让人们享受到科技带来的便捷。”

此外,针对国外市场3D打印的发烧友玩家动手能力强,创造性高,希望产品可以DIY成自己想要的模样,国内一些3D打印机制造商的DIY系列产品正在满足这部分用户的需求,使其以较少的费用即可组装出一台他们需要的3D打印机。比如今年6月在海外Kickstarter平台众筹的 DIY新品CR-6 SE,就是基于此理念的产物。

从3D打印机到3D建模

3D打印技术之所以受到青睐,一定程度上与其无模具限制,能够缩短研发周期,尤其适用于形状复杂、定制化、轻量化诉求强烈的柔性制造加工场景等因素有关。

同时我们也发现,现阶段的3D打印机打印速度比较慢,较为耗费时间。而大型的3D打印机,尽管看起来非常高端大气,但是不适合家庭的场景,同时桌面型3D打印设备更可以让3D打印机从“小众”走向“大众”。

近些年,创想三维3D打印机在海外市场的销售额正在大幅度增长。据创想三维官方信息,创想三维Ender-3 、CR-10 两大系列打印机在全球热卖,长期占据谷歌3D打印机全球搜索排行榜榜首。

而他们即将在市场上大力推广的光固化新品,正是为了满足用户的精细化要求,制造出速度更快、精度更高、性能更优、质量更可靠的光固化3D打印机,从消费级市场入手,普及光固化3D打印机的运用范围。

而至于3D打印机是如何精准地打印出特定的实物?这里不得不提到3D建模。

以3D打印在地理信息系统领域的应用为例,三维数据制造与应用服务商大势智慧正从小场景的3D建模到大场景的3D建模持续发力,可以算是国内很有代表性的一家企业了。

目前,他们面向的垂直领域已从食品、文博展示、游戏等拓展到智慧城市的消防、应急管理和工程施工。

雷锋网了解到,其对真实世界进行高精度数字化和3D建模时,主要包括数据采集和算法处理两大重点环节。前者中,类似于SLAM这种激光雷达的数据采集方式,成本相对比较高,并且在工作过程中还受到激光器的能量、接收时间等条件的限制。

因此,对城市进行高精度数字化时,其3D建模的数据采集一般采用摄影测量这种成本较低、性价比高的方式。另外,用于摄影测量的工业相机,由于嵌入了GPS等模块使得相机有了姿态和位置,其建模的结果只要基于一系列照片合成就行。

3D打印『破圈』元年

今年10月中旬,大势智慧基于实景三维重建引擎G-Engine1.0的三维语义化和技术储备,又最新推出G-Engine2.0。

对比1.0版本,G-Engine2.0版本的语义三维成果完成度更高,能够实现“按需单体化”,不仅可以在建模过程中完成对建筑、地形和道路的分类,还能进一步识别房屋楼层与路面植被,实现语义信息提取,真正实现三维数据从可“看”到可用。

谈及3D建模过程中的难点问题,大势智慧CEO黄先锋重点提到两点,首先是图像大规模处理过程的容错能力,再者是弱纹理区的匹配与文件处理。

首先在容错能力方面,黄先锋表示:

“就像我们拼图一样,如果只有100张图像要拼在一起,哪怕是人工操作一般也不会出错。然而,当我们有100万个图像时,仅是检索、匹配等这些操作的复杂程度就会大大升级,再加上有些图像比较相似甚至有损坏,各种各样的误差都要在处理过程中被系统自动地挑出来,最终使得计算机的计算过程准确无误。”

在弱纹理区的匹配与文件处理,黄先锋提到城市中有大量的区域是弱纹理的,这种情况下计算机在进行图像匹配时是很难分辨的,为此大势智慧将人工智能引入到这种细节的处理。

“比如同一张图像他们会提取很多特征点,通过计算点和点之间对应的连接图像的区域参数判断能不能匹配上。在此过程中,实际上会出现很多的这种不匹配的情况,但总能有一部分正确的匹配留下来,再以这些数据作为训练样本让计算机学习这些规则,人工智能技术根据原来数值解的匹配结果再来去做训练。”

在具体的应用中,大势智慧正用实景三维赋能行业,将三维数据服务广泛应用于众多行业领域中。

从“小众”到“大众”

追溯其起源,我们发现3D打印这项技术是自上世纪80年代发明以来逐渐地走进人们的生产生活中,同时人们一步步在把万物皆可打印推向现实。

到了未来,3D打印将会是怎样的?

有专家观点认为,精密、微小的器械是未来3D打印的重点,同时行业发展也面临一些制约因素。一方面是生产速度,微纳3D打印一直在打印时间上无法超越传统注塑,很难形成批量化生产,所以较多的还是应用于前期产品研发阶段。

另一方面,是打印材料,现在主流的微纳3D打印仍然使用的是光固化(DLP)的方法,使用的材料较多的还是光敏树脂,有很多性能还无法达到工业产业化的要求。

创想三维则表示:

“制约3D产业发展的因素,首先3D打印机的使用门槛较高,由于3D打印涉及到建模这种比较专业的技术,因此它的使用有一定的技术壁垒。而创想三维通过建立创想云APP平台,汇集了万余种精致实用的模型,致力于做到一键化打印。”

“其次,3D打印毕竟还是较新的行业,还处于功能开发运用阶段,创想三维也一直在努力,希望在3D打印技术上能有全新的突破。”

除了以上提到的这些,雷锋网了解到,目前3D打印产业还存在用户认知度不够的问题。不少人认为3D打印离自己的生活较远,并不知道3D打印能干什么,以及怎样为自己的生活带来便利......

而这一系列常态的背后,意味着我们需要更多有影响力的厂商来推动产业的进步,让普通百姓了解3D打印,使他们享受到科技带来的红利,只有这样,3D打印才能更好地从“小众”走向“大众”。雷锋网雷锋网(公众号:雷锋网)

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