老钱：（二）“立体打印机”，让我们睁大眼睛，高举双手

老钱

  

让我们睁大眼睛，高举双手。。。（二）

老钱

   08/02/2012

二．“立体打印机”就是新的工业革命。

打印机，现在几乎是家家都有的“文房数宝”之一了。打印机的产物都是平面的，或文字，或图像。文字自生以来，就是平面的。文字表达的是人类的思想和语言的记录。图像表达的是人类对世界，对事物的印象的记录，本质就是模仿，包括抽象和夸张。基本上可以说，图像是三维世界的二维表达。人类在表达三维世界时，不满足于二维表像。就发展出了雕塑。

在计算机时代，二维图像自然而然地就会向三维图像发展。首先在医疗诊断上的应用发展，像CT/三维X-光成像，MRI/核磁共振成像。成像是把三维的物体划分成二维，一片一片地“摄取”/采样。每片是划分成一行一行的，每行是由一系列的点组成。再由平面打印机，由点成线，由线成面地，一幅一幅地打印出来。人们也自然而然就会想，能否由平面打印机向三维打印“进化”，直接打印/塑造出立体模型出来。这就是立体打印机。其实就是数字雕塑。数字雕塑就是反“采样”其道而行之，一点一点地，然后是一片一片地叠加，就产生了立体的再现（见下图的几何解释和一个飞龙的数字雕塑）。这里的“点”，其实是小球，或者说小珠。



平面打印用的是油墨/Ink。立体打印用什么呢？我们自然会首先想到用塑料。把塑料加热融化了，用细小的针管，从一个基点起，一点一点地把塑料接上去，然后是一层一层地发展。。。这就叫，融化点滴成型/ fused deposition modeling (FDM，见下图中左半)。

  


既然数字雕塑能做艺术造型，为什么不能造零件，造实物呢？当然可以！用强大聚焦的激光，把金属加热融化了，也是一点一点地，然后是一层一层地发展。。。这就叫，可控的激光烧结/selectivelaser sintering (SLS，见上图中右半)。这样就可以制造金属零部件了。

现在，已经发展出来了各种各样的成型方法和各种各样的原料。只要有精密的坐标轨道定位系统，就可以在计算机的指挥下，由机械手来完成。

下面的照片，就是两个“立体打印机”的例子。

  


http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5d/Hyperboloid_Print.ogv

这个想法二十多年前就出来了。最早的立体打印机诞生在2003年。现在，在网上，花两三千美金就可以订购到。

现在，全世界各国都在做各种各样的尝试。网上可以找到各种各样的报道。

据说，在食品方面，已经有可以“打印”火鸡肉块的立体打印机。一块火鸡肉块，中间还有芹菜。这首先用计算机分析火鸡肉块有哪些成分，一个管子一个管子把各种各样的成分放在这里面，由它一点一点把它一层一层的最后打出火鸡肉块。它也可以“打印”其他食品：巧克力、糖，甚至打成奶酪做成的一个航天飞机来。

在医疗应用上，在荷兰，就有人用立体打印机，打出了人的下颚骨，并移植到了人体上去。这块下颚骨，就是按人的骨头的真实结构和物质成分，分析好后，用立体打印机打出来。安装进病人口腔面部后，效果很好。现在还有人正在做整个人的大腿骨。以后，很可能把各种各样的器官都可以做出来。

各种各样的工业用的立体打印机也已经出现了。它可以打出这样的各种各样形状的物体来。 由计算机设计，设计好以后，这样的机器就可以把它打印出来，生产出来，这是最新的生产的方式。小的，比如一把榔头。榔头有铁的部分，有不同材料的把柄部分，都可以一层一层把它做出来。还有更大的立体打印机。下图中，就是一辆用立体打印机打出来的一个Audi汽车的整体外壳。




甚至有人在设计，整个汽车都将可以“打印”出来。还有人在设计，怎么把一栋楼打出来。

这就是数字化制造，就是新的工业革命。

立体打印机，既可以重复，精确地，快速地制造同样的东西，又可以根据每个人的需求，制造出完全“个性化”的单个产品。

立体打印机制造的产品的精度，就是决定于颗粒的大小，和坐标定位系统的机械精度，即立体打印机的分辨率。这样的立体打印机，在计算机的控制下，其“打印”速度可以是很快的。所以，数字制造也称为快速制造/rapidmanufacturing。特别是，在制作模型，设计样品，产品的试验，试制的生产阶段，需要反复修改时，“立体打印”会体现出极大的优越性。

制造加工，比如木匠，把木头做成家具，用的是锯，凿，刨。比如金加工，用的是车，钳，铣，镗，鉋，钻。其基本的，共同的，都是用去掉部分材料的方法，即“减法”，来加工成型。而数字制造呢？如上所述，却是一点一点地累积，叠加，用“加法”来加工成型。所以，数字制造呢又叫“加法制造”/ Additive manufacturing。

这个名词“打印机”，和动词“打印”，其语义已被极大地扩展和延伸了。其实，就是数字制造，计算机制造，的俗称，别名。数控机床，其实也是一种初级的数字制造，主要是做“减法制造”。“机械人”也好，“机械手”也好，“机械指”也好，就是在计算机的操作下“制造”。“立体打印”现在是在开始阶段，还是以“加法制造”为主。但是，“加法制造”会有局限性的，将来，一定会是“数学制造”，会将加法，减法结合起来，甚至包括“乘法”，甚至“积分制造”，“微分制造”都会发展起来。这个“立体打印”的语义会不断地扩展和延伸。。。

在我的第一篇谈“云计算”的涂鸦里，《潘毅教授给我们讲“云”》，我曾狂想畅言过：

“在计算机的能力及网络速度，与人们的需求之间，永远是道高一尺，魔高一丈；魔高一丈，道高十丈。。。这个竞争，激烈峻酷，永无休止。人类欲求的无限扩张：有了数据，不够，要图像，还不够，要声音，仍不够，要视频，还要看电视！二维还不满足，要三维，四维。。。人类的‘贪得无厌’，就像普希金的长诗《金鱼和渔夫》里描写的那个老太婆一样。。。我不知下面会是什么了？说不定，哪天，一按键，就要生成实物，饮料，牛排，汉堡包。。。说不定，哪天，要俊男给俊男，要美女出美女。天知道！”

我狂言的，就正是这个“立体打印机”!

现在，这个“立体打印机”要真正进入“工业”，还有路要走。立体打印机怎么能把这无数的“小珠珠”，“粘结”起来，而又既无“粘结剂”，又无“粘结”的痕迹，如同“真的”一样呢？是材料，就有微结构，是固体，就有“金相”，就有热处理。。。

但是，已经开始了。坚冰已破，航道已开。一旦开始了，其发展，其结果，就会令人眼花缭乱，瞠目结舌。

这些听起来，就像是“天方夜谭”一样。但是，想一想，在瓦特发明出蒸汽机之前，人们能想象得出，机器能这样的无限地放大人类的“体力”吗？想一想，在计算机发明出来之前，人们能想象得出，机器会怎样地无限地扩展人类的“脑力”吗？想一想，在网络出现之前，人们能想象得出，一个小小的“电老鼠”如何能把整个地球“联通一气”吗？古人能想象，我们今天，真正地实现了，“海内存知己，天涯若比邻”，“秀才不出门，便知天下事”吗？

这个“立体打印机”真能像老钱想象的那样，像阿拉丁的神灯那样，魔幻般地，为我们制造，心想物成吗？让我们等着瞧吧，“面包会有的，牛奶会有的”，什么都会有的。

人们预言，这将是第三次工业革命。第一次工业革命是十八世纪后半叶以英国的纺织机械化为标志（我们过去往往说是蒸汽机为标志）。第二次工业革命，是以福特汽车工厂在20世纪初大规模的流水线为标志的。 前两次工业革命都改变了社会，改变了历史，也改变了世界的形态。这个第三次工业革命肯定会给这个世界，带来再一次翻天覆地的变革。

不等“芸芸众生”从艰难困苦里站立起来，从情绪低落中缓解过来，人类历史的进程，人类前进的脚步，已经迈开，向着下一个里程碑奔去。

实际上，教育革命和制造革命，这两场革命都是由信息革命带来的，没有信息革命就不会有网络课程，也不会有“立体打印机”。我也相信，这两场革命一定会与“云计算”结合起来，相辅相成。这两场革命之间，也一定会相辅相成地结合起来，互相促进。我们正有幸经历着一个新时代，见证一个精彩绝伦的“大革命”。

让我们睁大眼睛，注视着这两场革命吧！让我们高举双手，为之欢呼雀跃，跟上去，投入进去吧。

最后，也希望ACIT能举办相应的讲座，来介绍这两场新革命.

本文的主要资料来源是维基百科/Wiki Encyclopedia。我只是剪贴，拼裁，加发挥。

（08/11/2011）


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请教如何打印出金丝楠木座椅。

haoren

自动生产线不就是立体打印机吗？

老钱

谢谢老秃，给我一个“无字天书”。

老钱

老秃的儿子，也是很优秀，很有出息的。

老钱这篇文章对我来说太深奥了，没有看懂，我的文化程度太低了。Annie

Very interesting!

哆嗦能办个讲座，介绍一下立体打印机吗，顺便，展示一下你儿子的创作吗？

鲍鸣

老钱的科普让人开眼界。还有哆嗦兄，能否让令公子打印一个玛丽莲梦露？

老钱

谢谢哆嗦，老鲍，一剪梅等阅读，喜欢。
希望哆嗦也给我们一点科普。