五年前，3D曾經(jīng)風(fēng)靡全球，無數(shù)人甚至認(rèn)為未來將充滿3D打印。比如我們會開3D打印的車，住3D打印的房子。然而，五年過去了，我們想象的未來已經(jīng)沒有時間了。但即使炒作不再，仍有公司堅持開發(fā)這項技術(shù)。
兩年前，MX3D宣布了一項計劃，利用3D打印技術(shù)建造一座由Joris Laarman設(shè)計的全鋼橋。這個項目進展順利，預(yù)計在未來幾年內(nèi)完成。在這方面，公司其主要投資者Autodesk與我們獨家分享了他們的進展。技術(shù)的發(fā)展和項目的進展是驚人的。在這個過程中克服了無數(shù)的問題，未來值得期待。
工業(yè)應(yīng)用的完美案例
這座橋無疑是一系列鋼打印應(yīng)用的概念證明，從造船到海上石油鉆井平臺。要實現(xiàn)這個目標(biāo)，我們不僅需要更好的軟件，還需要能夠自學(xué)3D打印的機器人。“我們即將在可打印對象的體積方面取得重大突破，這將為3D打印的應(yīng)用帶來巨大發(fā)展，”MX3D公司經(jīng)理Gijs van der Velden說。MX3D是一家致力于大規(guī)模鋼印商業(yè)化的企業(yè)。公司從喬里斯·拉爾曼實驗室取出的。
當(dāng)拉爾曼最初設(shè)計這座橋時，它是由像冰晶一樣的格構(gòu)柱支撐的。這座橋位于阿姆斯特丹歷史悠久的紅燈區(qū)附近的運河上。然而，由于一個簡單的原因，這座橋發(fā)生了根本性的變化:這座城市發(fā)現(xiàn)的橋的設(shè)計會給運河的河床帶來巨大的壓力，因此需要重新設(shè)計工程。現(xiàn)在正在打印和制造的橋梁更像是典型的行人結(jié)構(gòu)，但橋面和形狀仍然保持著原來奇怪的彎曲和扭曲——而這種設(shè)計只有通過3D打印才能完成。更重要的是，它向所有潛在的合作伙伴展示了3D打印技術(shù)的可能性。
然而，在印刷過程中遇到的挑戰(zhàn)之一是印刷大的形狀。你可能認(rèn)為這是硬件問題——用性能更好的機器就能解決——但實際上更多的是軟件問題。現(xiàn)成的工業(yè)機器人一直是主角。客戶可以很容易地預(yù)訂這些機器人，大約3周后收到貨物，然后使用MX3D軟件打印他們想要的任何東西。但是要讓這些機器人焊接出具有高性能零件所需的所有物理特性的東西是非常復(fù)雜的。
鐵熔化后，其物理性質(zhì)會發(fā)生變化。反復(fù)加熱會讓鐵變脆，也就是說不能像打印塑料一樣簡單地一層一層打印鋼結(jié)構(gòu)。隨著鋼鐵一層一層的堆積，他們會反復(fù)加熱下面的鋼鐵。如果這些鋼層是最近剛打印出來的，會變得更加脆弱。克服這個困難意味著需要采用完全不同的打印側(cè)邊欄。鋼必須建在冷卻的區(qū)域，由于區(qū)域不同，印出來的圖案看起來是隨機的。用于3D打印鋼鐵的機器人看起來不像蜘蛛織網(wǎng)——更像蜘蛛在藥物上織網(wǎng)。因為打印機不再需要等待特定位置的鋼材冷卻，所以打印機本身的工作效率可以提高一倍。
但是接下來的事情就比較復(fù)雜了。復(fù)雜的三維幾何是根據(jù)定義定制的，所以很難提前知道機器在創(chuàng)建強焊接時會在哪里遇到麻煩。但是機器學(xué)習(xí)可以解決這個問題。MX3D使用的工業(yè)機器人已經(jīng)有傳感器，可以檢測用來加熱鋼材的電流值、鋼材的溫度以及焊接的準(zhǔn)確位置。MX3D正在進行下一階段的工作:將這些數(shù)據(jù)與機器學(xué)習(xí)算法結(jié)合起來，幫助機器人學(xué)習(xí)哪些焊接可能會導(dǎo)致問題——并選擇要么實時解決這些問題，要么采用全新的運動模式來完全避免這些問題，并合理地重新構(gòu)建每一層結(jié)構(gòu)。“當(dāng)你制作打印文件時，你可以解決顯而易見的問題，”范德韋爾登解釋說。"但是當(dāng)你真正打印的時候，機器會識別出問題并立即給出解決方案."
范·德·費爾登也承認(rèn)，3D打印鋼材將不適用于95%的工業(yè)建筑項目。在這些項目中，鋼材的結(jié)構(gòu)非常簡單，不需要3D打印技術(shù)。但是，剩下的5%項目，意味著巨大的市場。例如，海洋石油鉆機的鋼支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計極其復(fù)雜和困難。你可以雇傭兩個工程師來監(jiān)督八臺機器，而不是讓每個工程團隊來建造每個獨立的部分。此外，在制造石油鉆井平臺等大型項目的部件時，最耗時的步驟之一是削減關(guān)鍵部件，以減輕重量。把重量從6000公斤降到5000公斤，意味著你可以用完全不同類型的起重機械來安裝，從而大大降低成本。通過對這些關(guān)鍵部件使用3D打印，它們復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重量可以減少到最小——最多50%， 并且不需要額外的修整工作。大型高性能零件(比如貨船上的轉(zhuǎn)子)也可以3D打印，道理是一樣的。一個表面看起來一樣，其實內(nèi)部優(yōu)化的設(shè)計，可以帶來很大的優(yōu)勢。
讓我們再回到這座橋上。這個項目由Autodesk贊助，MX3D負(fù)責(zé)開發(fā)其軟件。而且，已經(jīng)有十幾個合作伙伴投入了數(shù)百萬美元開發(fā)這項技術(shù)。雖然橋的外觀看起來很酷，但它的真正目的是向我們展示幾十年不變的大內(nèi)部結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新可能性。“這不是制造一切的神奇方法，”范德韋爾登說，“但我們會找到真正適合3D打印的重要新部件。”