食衣住行一「印」俱全 3D列印大解密

680期

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文 湯蕙華 圖 集思創意編採團隊

你能想像這樣的場景嗎?想吃牛排時,機器幫你印出牛排;蓋房子不需工人挑磚挖土,機器幫你印出一棟房子。這不是科幻片場景,而是「3D列印」(3D Printing)的最新發展,以熱熔融層積(FDM)、光固化(SLA)和雷射粉末燒結(SLS)三種技術為主流,將過去以為不可能列印出的物件─包括活生生的人體器官─像變魔術般立體呈現在眼前。

第89屆奧斯卡頒獎典禮前夕,奧斯卡主席Cheryl Boone Isaacs表示:「今年的獎盃將有著無可挑剔的工藝性與雋永的藝術性」。理由是從2017年開始,奧斯卡小金人利用3D列印技術,還原出1929年第一屆奧斯卡雕像的模樣。他們先3D掃描第一屆奧斯卡雕像和現代底座,得到相關數據後3D列印出來,再進行用蠟澆鑄、燒製、電鍍等程序,獲得的成品比以往的小金人面部特徵更明顯,肌肉線條更逼真,手握的劍也更栩栩如生。

在製作過程中,我們能發現3D列印的特色:巧妙利用「數據」與「掃描」來淬鍊出客製化且更加精美的作品。那麼,有如魔法般的3D列印技術是如何生成的?又能應用在哪些範圍呢?

善用「加法」與「數據」的技術

3D列印技術又稱加法技術、「快速原型製造」(Rapid Prototyping),或「積層製造」(Additive Manufacturing),是將3D模型數據一層接一層以材料疊積成物體的過程,可產生複雜的結構和形狀,通常這些形狀和結構難以用傳統的加工方法製造。

簡單來說,3D列印在模仿原來二維列印的基礎上,像傳統列印一樣在平面先列印出一層,然後再將可黏合的列印層疊加黏合起來,透過每層不同圖形的累積,形成一個三維物體。這與傳統製造的「選擇性去除」,以「減法」製造的技術相反。

近年3D列印技術在媒體大量曝光,其實早在1980年代這項技術早已出現。1981年,日本名古屋市工業研究所的小玉秀男發明兩種利用光硬化聚合物的增材製造三維塑料模型的方法,1984年美國發明家查爾斯・霍爾(Charles Hull)利用在紫外光照射下固化的樹脂,透過電腦控制紫外光束的移動,讓一層層樹脂形成特定圖形,直到疊加後形成立體造形。1995年美國麻省理工學院(MIT)提出「3D列印」這個名詞,科學家們進一步開發出有別於霍爾的光固化技術,其中熔蝕沉積成形(FDM)和選擇性雷射燒結(SLS)將立體成型材料應用到更為廣泛的範圍。

快 不見得是好事

當我們對3D列印有了基礎認識後,再來看看3D列印技術是否真的完美無缺?還是有其難以克服的缺點呢?首先,優點約可分為以下四項:

一、節省材料與成本:3D列印在工程類製造方面, 不須剔除邊角料,可提升材料的利用率,而且不用生產線與模具,大幅降低生產成本 。

二、勝任高精度與複雜製件:能做出比傳統的電腦數值控制機器(Computer Numerical Control,CNC)機器更精細、更複雜的幾何形狀零件,有助於客製化設計。

三、快速製造產出:設計完可直接輸出實物模型,有效縮短產品研發周期,即時回應市場需求。

四、隨時開機生產:3D列印無需集中、固定的生產空間,具有分布式生產特點。

接下來,我們再談談3D列印有何缺點:

一、無法大規模製造:3D列印每次列印時會因印表機的自身精度、溫度或移動讓印出的模型略有差異,難以維持標準化製程。且列印效率還遠不適應大規模生產的需求,受印表機工作原理的限制,列印精度與速度之間存有嚴重衝突。

二、列印材料受限:目前較常用的列印材料主要是塑料、樹脂、陶瓷、砂和金屬等,一些新的材料正在研發中,例如金屬與食品材料,但材料單價偏高。

三、精度與品質問題:由於3D列印採用分層製造,層層疊加的增材製造技術,即使層與層的結合再緊密,也無法和傳統模具整體澆鑄的零件相比,而零件的組織結構也會決定零件的品質。

從內到外 3D列印印出精彩生活

近幾年,隨著3D列印的門檻逐步降低以及列印材料多元化,3D列印在許多過去想像不到的領域開始大顯身手。

食物

透過3D列印肉類,可減少畜牧業產生的環境污染問題,而且肉質較為柔軟,在德國就有超過1,000家的養老院為老人提供3D列印肉類產品,因這類產品較易咀嚼消化。在家庭,可將液體牛肉或蔬菜汁墨水盒放進機器,做出各種形狀的有趣食物。美國太空總署NASA則為3D食物列印機提供資金,來解決太空人的食物問題。

服飾

現今時尚圈流行以3D列印讓花紋變得立體有型,且有助於讓設計師檢視所設計的服飾是否合理,同時也能在應用程式中設定,做到客製化設計,不喜歡的衣服還能塞回到列印機還原成原料,相當環保。

生態環境

科學家利用3D列印,可複製出複雜土質結構,研究地球真菌與細菌間的相互關聯。澳洲研究人員則將列印的珊瑚礁放進馬爾地夫海底,用於協助珊瑚再生,恢復海洋生態。

醫療

目前用於齒模、骨骼樣本較多,也能以低成本為殘障人士製造義肢。近年更有科學家成功列印出人類眼角膜、腎臟、心臟、耳朵、骨骼以及血管,雖然技術尚未成熟,但對於苦等器官移植的人無疑是一線曙光。

模擬犯罪現場

美國新墨西哥州的羅斯維爾市警局利用3D掃描儀,創建出數位化、全景化、縮小版的犯罪現場模型,有助於提升執法單位與辦案人員的犯罪現場分析,或在法庭上向陪審團展示。

建築設計

3D列印可進行精確比例的建築模型/模型屋製作,打造等比例的樣品屋等。美國德州新創公司ICON便公布運用大型3D列印機建築計畫,一間18坪大的房子僅需一天即可完成,同時降低建築成本,一間房僅需一萬美元。該公司將在拉丁美洲印刷大量住宅,造福買不起房子的貧困民眾。

《經濟學人》形容3D列印掀起「第三次工業革命」,顛覆傳統產業的生產模式,雖然無法預期未來能帶動產業升級到什麼地步,但可預想的是,未來當每個家庭都有3D列印機時,人人都有機會變身為設計師,吃自己列印的食物、穿自己列印的衣服、開自己列印的車子,列印出自己的精彩生活!

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