香港科技大学教授张东：从冬奥火炬到微生物运动鞋，3D打印渗入体育界
时间:2022-07-19 11:35 来源:体育大生意 作者:admin 点击:次
本文为本期节目文字精华摘录。 冬奥处处见3D打印 张闻：今天聊一个很有科技含量的话题。3D打印研发公司Simplifyber和Modern Synthesis，近日分别获得350万美元和410万美元投资。其中位于英国的Modern Synthesis使用3D生物打印技术，开发出一双微生物编织运动鞋（见本文头图）。今天我们就来聊聊3D打印在体育领域的实践和应用。先请张教授详细介绍一下3D打印技术？ 张东：3D打印区别于2D打印。我们常见的A4纸打印、平面广告打印，内容打印在二维平面上。而3D打印是一个立体建模过程，用机器把立体空间的模型制造出来。通常3D打印机使用堆层或者融合的技术产出成品，有显著的高效性和灵活性，现在越来越广泛地应用到各行各业。 
张东教授主攻机器人领域，
常使用3D打印制作机器人部件
张闻：冉峰，现在3D打印技术在体育界有什么应用了吗？ 罗冉峰：年度大家最关注的盛事北京冬奥会，就有很多3D打印的内容。一部分是属于跟比赛相关的，例如中国雪车队员的头盔是3D打印而成。而中国钢架雪车队员的钢架雪车鞋，其钛合金鞋钉也是3D打印产品。而非比赛层面的内容更多了，例如开幕式上很惊艳的主火炬，是利用金属烧结3D打印制作出外飘带、内飘带及燃烧系统。 其他体育领域也是到处都有3D打印的身影。2020年，汽车品牌雪佛兰在科尔维特赛车上使用了多达75个3D打印的部件，包括油箱、制冷盒等。这些赛车在赛道实战中已经经历了13万公里的比赛考验。所以可以说，3D打印已经渗入体育界。 金属、塑料皆可3D打印 张闻：3D打印从建模到成品的过程是怎样的？是打印出不同部件后再拼合，还是把电脑里的建模直接原样打印出来？ 张东：3D打印现在流行的一大原因就是所见即所得，可以成型非常复杂的零部件。比如制造手机，要在手机壳里封装很多电子元器件。使用传统方法要开模、要一片一片零件堆积，流程比较长。如果直接3D打印，可以把很多零件同时集成到一个板材上，大大方便零件组装。 张闻：从刚才举的例子来看，3D打印的原材料比较丰富，例如主火炬是金属打印，而运动鞋是很柔软的材质、甚至是纤维。什么材料都可以用于3D打印吗？ 
冬奥会上，中国钢架雪车队员的运动鞋
有258颗3D打印的钛合金鞋钉
张东：确实非常丰富。例如金属打印，一般使用钛粉末或铝合金粉末，通常用在一些对结构强度要求较高或结构形状比较特殊的地方。一些曲面、凹槽——譬如火箭发动机的喷口，涡扇、涡轮等航空航天飞行器的进气口——用传统方式很难制造模具，而且都是小批量生产。采用金属3D打印就比较合适了。还有我们更常见的塑料3D打印，使用PLA或ABS材料，将这些塑料材质融合再打印出来。在台面级设备中常常可以看到塑料打印的使用。 张闻：开头提到的微生物打印是什么原理？ 张东：微生物打印不是把微生物打印出来，而是先3D打印一个给微生物生长的基座，然后微生物在生长过程中会形成纤维。以生产微生物跑鞋为例，我们先用常规的PLA塑料打印技术，打出一个鞋子的轮廓，再让微生物附着在上面生长、繁殖，最后生成一个鞋子模样的纤维形状，我们就有了一双微生物鞋子。 环保和成本优势突出 张闻：3D打印对体育界来说带来很大的发展机会。很多装备需要定制，而3D打印在定制贴合运动员方面，能做到传统量身定做不能实现的精准性和贴合性。 罗冉峰：3D打印还有其他环保优势和成本优势。像开模这种传统方式，会形成材料损耗，相比之下3D打印的原材料用到最终产品的比例更高。所以节省材料对社会来说有环保意义，对生产商来说有节约成本的意义。 主持人所提到的是定制化优势。定制化既体现在3D打印产品可以更贴合运动员的身形脚形，给他们带来更好的身体保护，或者提供更高的展示技能的可能性，也体现在消费者可以获得更个性化、更丰富的产品。例如制造运动鞋，传统模式下鞋的款式、配色方案相对局限，而3D打印运动鞋可以拥有更多的配色和图案。 
3D打印运动鞋技术的研发不断深入
还有一个跟环保和效益有关的优势，体现业界对未来的畅想。一双实体鞋在零售端上需要储存，包括仓库储存和店面储存。但如果未来我们可以实现去买鞋的时候，从商店的电脑中挑好款式现场3D打印，零售商就减轻了库存压力，一双鞋的碳足迹等环保参数也能降低。 张东：3D打印还能节省原材料。AutoDesk开发的3D打印软件Fusion 360，专门为3D打印进行了模型优化。它能通过应力计算，判断产品哪些地方需要加厚、哪些地方需要减薄、哪些地方需要镂空、哪些地方只需要蜂窝状的填充。同样的结构，3D打印可以减少50%的材料，产品重量也会减少50%。 大规模民用还需效率突破 张闻：怎样理解3D打印的效率？如果效率足够高的话，是不是可以将过去我们认为效率比较低的定制模式高效化？ 张东：所谓效率高要看应用领域。普通人接触得最多的衣服、鞋子等快消品，通过批量化生产，能有效压缩成本。但随着社会进步，消费者的定制化需求也越来越多，3D打印确实可以满足这方面需求。只是现在相对来说3D打印速度比较慢，一般打印一个零件、产品，需要的时间按小时来计算。当未来技术发展，多喷头打印的方式越来越完善，打印效率压缩到用分钟计算，就可以真正提高效率了。 
3D打印的星战电影场景模型，
用台面级打印机耗时数小时起
张闻：刚才张教授介绍的3D打印当前应用，都在一些高精尖领域；我们讨论到的体育应用，也集中在顶尖运动员的竞技需求定制方面。我们现在期待，未来3D打印能成为一种效率又高、又能大众化应用的技术。冉峰，现在有没有一些在快消品上使用3D打印的例子？ 罗冉峰：正如张教授所说，在3D打印效率还是按小时来计算的情况下，它的生产效率是偏低的，所以在大众消费品层面来说，3D打印仍停留在一个偏概念化的阶段。就算有一些产品使用3D打印生产，但它们可能是以限量品的形式来出现，而不是像传统走量的服装生产那样，在流水线上刷刷地就生产出来了。 就像开头提到的两家获得融资的公司，Simplifyber做的是奢侈品性质的时装，不属于快消品。而微生物运动鞋，我看过介绍，要等十几天微生物才能把鞋编织起来，比快消品类鞋子的生产周期长。所以哪一天3D打印能突破临界点，取得比传统形式更高的生产效率，应该就是3D打印大规模民用的契机所在。 让未来的体育装备更轻更好 张闻：最后问一个很有未来感的问题。3D打印与其他前沿科技领域还有什么结合？沿着这种结合路径来猜想，3D打印还能为体育带来什么？ 张东：体育行业主要还是对运动员或者受众提供定制服务。我们已经知道，3D打印的材料很丰富，例如运动鞋用钛合金钢钉。以后的运动鞋或者其他体育用具，或者可以使用复合材料，一部分是金属材料，另一部分是碳纤材料或者一些高分子材料。将这些材料融合在一起制造出体育用品，使它达到更轻、更好的状态。 
工作中的3D打印机
张闻：这些复合材料中有软的、有硬的，也是打印的时候都一起打出来吗？ 张东：是一起打的。正如我刚才提到，3D打印有多个喷头，每个喷头可以使用不同的材料，然后所有材料复合在一起，达到非常理想的状态。 张闻：真是神奇的技术，希望日后有机会现场一见，也畅想未来我们会不会见证一种由3D打印牵头的新消费产生。感谢张教授和我们一起探讨一个轻松、前沿却又与体育的未来息息相关的问题。我们下期节目再会。 (责任编辑：admin) |