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

《共同体》是中国之声决胜时刻联合体育大生意推出的体育商业主题对话节目,以“求同存异,聊聊大家共同关心的体育热点话题”为口号,每周一期,逢周五晚上10:00于中国之声《决胜时刻》栏目期间播出。

7月15日,第86期节目以海外多家3D打印服装技术研发公司获得融资为契机,讨论3D打印技术在体育界的应用。参与的“闲话者”是中国之声记者张闻,香港科技大学(广州)教授张东,体育大生意营销副总裁、盛意互动总经理罗冉峰。

张闻:今天聊一个很有科技含量的线D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。

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。

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?

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。

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。

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%。

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。

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。

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。

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。

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