彭民德（41） 3D列印與雲製造

3D列印是最近幾年IT領域的又一個熱詞，電子計算的數字影像技術從平面走向了立體，從已有的列印二維影像進化到列印三維實型物體。3D列印技術與雲端計算聯姻，將深刻地推進製造業的再變革。時不時有機會聽到3D列印專題報告，參觀專題展覽，看到不同廠家型號的3D印表機列印操作演示。也有了一批好書，比如《3D列印：從想象到現實》（【美】胡迪.利普森等著，賽迪研究院專家組譯，中信出版社2013.4）就是很好的一本（下面提到它時，以胡迪書簡稱）。在專題展覽廳裡，當看到眾多3D印表機同室競技，如美術師般悠閒地塑造著各色各樣的立體作品，或人物雕塑，或城堡建築，或實用工具，還有面包，更有見所未見的其它藝術作品，著實令人興奮。不得不對那些諸如“3D列印成第三次工業革命重大標誌”（《人民日報》）、“3D列印，造物新紀元”（參見胡迪書推薦序三）等正面評價深信不疑。胡迪書開篇就講，3D列印技術在飛速進步，該領域的進展比光速還快。雖然用語誇張一點，但確實值得關注。

據報導，市場調查機構TRM釋出的報告，全球3D列印市場2012年市值已有22億美元，預計2019年將達72.4億美元”。“現在中國3D列印市場增長最快” （2014年3月2日《北京晚報》“3D印表機中國最好賣”）。3D列印的普及很快，現在連條件好一點的一些小學校，都開設了3D列印課程。筆者的小孫兒小學四年級時，他們就有每週一次3D列印課程。拿回來有蛋糕、蝴蝶、艾菲爾鐵塔等列印作品，說都是在老師指導下自己設計製作的，看來3D列印並不難掌握。

一臺3D印表機由上下兩部分組成，上部是列印頭和進料裝置，下部是列印臺。所用的料最簡單的是一卷直徑數毫米的實心軟塑料管，它們被纏繞在一根可轉動的軸上。這種特質軟塑料可以被3D列印頭精細地以“噴射、擠壓或噴霧”的方式，在列印過程中融化、擠出並送到列印臺上。軟塑料氣霧遇到列印臺時，因為紫外線照射而變硬，成為列印成品的一個薄薄的截面。印表機與計算機相連，列印頭可以依據計算程式沿著一系列水平和垂直軌道移動，準確地執行計算指令。送料裝置跟隨列印頭移動，線形軟塑料經一根導向管跟列印頭相連，以保障材料源源不斷地跟進。

看完整的3D列印過程很美。首先在列印臺上勾勒出物品最底層的形狀，列印頭來回掃描以填充輪廓。列印成品將按其橫截面自下而上一層一層地進行。第一層列印完後，列印頭略略抬起，然後回落並開始第二層列印。在列印頭抬起的同時，列印臺將下沉1至幾個毫米。每次下沉距離越小，列印精度越高。在計算機控制下繼續上面第二個截面的材料融化堆積，列印臺再下沉。如此下去，材料被一層一層地堆積起來，形成立體形狀。因為有計算程式控制，形狀當然是符合要求的。幾十分鐘後，一個口哨，一所房子就被造出來了。

以往的印表機只能列印二維的文字和圖形，而3D印表機能列印出三維的物理實體，列印就變成物品的製造了。這就是3D列印將深刻影響製造業的根本原因。

有的3D印表機以金屬粉末，比如鈦金屬等硬質材料為列印原料。把粉末吹到列印頭鐳射束上，粉末遇到鐳射焦點融化，沉積到列印增長部分表面，最後成型的也許是一顆定製的人造鈦合金牙齒。

有的3D印表機有多個列印頭，分別安裝在不同的軸向上。各個列印頭在計算機控制下，多軸聯動，協同完成列印物體的任務。不同的列印頭可以使用不同材質和顏色的材料，最終造出多質多彩的作品。

於是，雕塑、小卡車、房子模型一次就被整體地列印出來了。更令人驚訝的是，一次列印出來的剪刀、活動扳手、單車鏈條，可以立即使用。裝配過程怎麼也可以省掉？那一環一環的鏈環是怎麼穿起來的？在演示大廳看到一尊頸脖可以轉動的3D列印塑像，就此筆者詢問技術人員怎麼實現的？原來是在設計演算法時，要為工件各個層面留出適當間隙。比如，只要把一根單車鏈條數字化取樣，保持各個鏈釦連線軸周圍的間隙，鏈條成品的各個鏈環就能夠穿在一起並且是活動的。整條車鏈就能夠整體地被3D複製列印出來，可以直接使用。

既然可以多種材質融合，全新材料就會出現。比如為某人列印一個特型特質的時尚假肢，或者一顆特型特質的假牙便都有了可能。

胡迪書上列了3D列印跟傳統制造技術相比的十大優勢。3D列印將會給社會的生產生活帶來難以估量的變化。

3D列印頭的晶片上固化了列印程式，用以指揮列印頭完成具體的列印動作。但它最終受電腦上的程式，包含必要的計算演算法控制。電腦程式設計是3D列印的關鍵。“設計軟體是3D列印的核心”。“設計軟體塑造了我們的世界”。“幾乎每個建築模型、每件產品原型以及成品的背後都存在一個計算機設計文件”（胡迪書第6章）。就像以往用AutoCAD平臺對平面圖形建模那樣，現在一個設計文件將跟蹤三維物件大量的x，y，z資料點，以描繪物理實體表面所有曲線、鏤空和邊緣。進行3D數字化實體建模，歸根結底還是電子計算的功勞。展覽會現場就有專門的軟體公司跟觀眾互動，為某位參與體驗的觀眾頭部三視照相取樣，而後計算機再從螢幕上重現頭像，展示其實體建模的能力。

除了實體建模計算，計算機當然還會有特別演算法以產生新的物理物件。比如，在平面環境下，彩色點繪的分形圖形，雪花、根瘤菌、蕨類植物、城堡等等，曾經給我們多麼不一樣的美的享受。試設想，在三維環境下的分形作品，或者其它數學方法產生的3D作品又會給我們帶來什麼新的體驗呢？

計算機既然是3D製造的核心，那麼到了計算機雲架構時代，也必然出現3D雲製造的前景。如果單就某個零件的批量生產而言，3D列印沒有既有生產線那樣快速和節省成本，但是包含的零件品種愈多，3D列印的優勢越明顯。

3D列印與電腦雲的結合將改變現有製造業格局，使之轉向雲製造時代。大工廠將解體，代之以無數螞蟻工廠。以分散式結構組成的各個螞蟻工廠，規模都很小，僅需擁有若干臺3D印表機即可。電腦雲端計算將智慧地在網路上螞蟻工廠之間分配生產任務並進行協調。使用者不必知道雲端計算究竟怎麼進行，無需瞭解各個螞蟻工廠的職能和它們的分佈，這些都是製造雲運營商及其軟體的事。使用者只要通過網路的相應介面，提交他的需求。胡迪書中做了這樣的設想，如果你今晚提交需要一輛摩托車，“雲製造會根據定製部件列印任務自動匹配數千家公司”，指揮各個3D印表機完成各個部件的製作，並連夜組裝起來。“第二天早上當你醒來，你的門外突然出現一輛有著1000個零件的定製摩托車”（第4章）。這裡展現的情景，比當前已經流行起來的電子商務加快遞的商業與製造模式又向前推進了一步。從目前可經電商平臺隨時搜尋訂購現有的批量產品，到可以隨時下單定製個性化產品，又向我們展現出新的更誘人的場景。

“馬雲就曾明確地指出，在新的網際網路時代的商業文明中，大規模標準化的製造將遭到摒棄，製造者將以消費者的意志為標準進行定製化的生產。未來的工廠必須擁有柔性化、智慧化等特質，能靈活、快速地為消費者提供‘私人定製’服務，這就是工業4.0的前瞻，也是電子商務、移動網際網路和生產者三者的深度融合。”（水木然：《工業4.0大革命》P20，電子工業出版社，2015.3）當然實現這種變化需要一個過程，讓我們期待吧。

3D列印與雲製造技術還有更為美好的運用前景，隨著生物計算、生物醫學等領域的進展，活體制造也有了可能性。2015年10月9日，新華社發表一則電訊，杭州科技大學研發出一款生物3D列印工作站，藉此可以‘列印’出人工肝單元，走出了製造人工肝臟的關鍵一步（“3D‘列印’出人工肝單元 一款自主研發的生物3D列印工作站問世” 《科技日報》2015年10月10日）。如果以後能夠造出鮮活的人體器官，那麼哪個器官有毛病了，3D列印一個新的換上去不就好了嗎。2016年底，又報導國家863計劃，3D生物列印血管植入30只恆河猴體內實驗成功，各項生理指標均未發現異常（2016-12-10 CCTV《新聞聯播》）。要是肝臟、肺、心臟、血管，這些人體的主要器官都可以更換，那人的個體不就可以長生不老了嗎？那將是人類多麼美好的前景那！

(與本文相關的更多內容，請參看彭民德《電子計算60年》第7章 移動計算集中雲端 電子工業出版社 2016.9)