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金山人語/上天、下海、蓋房子的3D印刷

國際太空站 (ISS) 經十年的建造,進駐太空人已經20年了,為了太空人的生活、工作、健康,每年要送去3000公斤補給品,另外儲存站內的還有1萬3000公斤的零備件,以及在地面儲存的1萬7000公斤儲備物資,準備需要時隨時起飛。太空站距地面400公里,補給還算方便,以後月球火星的太空旅程,勢必攜帶大量的貨物,成為一大挑戰。

這一挑戰在3D印刷 (3D Printing) 出現之後,有了轉機,利用這種加料 (Additive) 製造技術,臨時現做需要的機件。製造業很多是削減材料製成最後成品,3D印刷是加添材料堆積成型,概念與我們常用的電腦噴墨列印設備類似,不同的是噴墨列印把墨印到一張紙上,3D印刷則噴出各種材料,一層層向上「立體」的堆積成我們需要的物件,雖然仍沿用「印」這個字,實際上是實物的製造。

一家名叫 Made in Space 的公司,製造 Zero-G3D印刷機,拿到太空站實驗,「印」出了一個塑膠扳手,從此展開了六年的連續實驗,在太空站印製的樣品都拿回地面,比較與地面印製的品質,然後再把新的設計圖傳回太空站繼續印製。實驗的一大項目是在微重力下3D印刷機械是否正常運作,結果認為影響有限,證明在太空的 0 重力下仍然可行。(太空站距地球近,仍有微量重力)  

下一步是將一台固定式的3D印刷機嵌在太空站艙壁,好像廚房崁入一台微波爐,印製各種物件與地面表比較,包括製作 SPHERE,這是18邊球狀小型衛星,供艙內漂浮運作。這台3D印刷是以工業塑膠做材料,將塑膠線加熱融化,從噴頭連續滴出堆積成型。印製數量多了以後,不用的是否可以融化再用,就成為研究的焦點。Made in Space又送了一台回收機到太空站,實驗什麼材料最適合回收再用,可以回收多少次,有多少會成為垃圾。3D印刷可以讓未來太空旅途大幅度減輕貨物的重量,成為太空科學的重要一環。

Xerox 從影印馳名全球,後推出電腦印字機,又推出商業化數位印刷機,現在又推出一具2.7x2.1米、高溫達 800°C的印刷機,這當然不是噴墨的,這是3D印刷機,ElemX,所噴的「墨」是從鋁線融化的鋁,像一個小型鋁工廠,把固體的鋁高溫融化成液體,噴出來一滴滴、一層層堆積成預先設計的物件。這一台大設備做什麼用?原來放在加州 Monterey 的海軍研究學院,供研究實驗。

3D印刷機放在海軍學校,與太空站類似,希望艦艇在不著邊際的大海遇到不時之需能自我補救。鋁是不怕氧化不易腐蝕的材料,艦艇有無數零件難免或有不足,或因臨時情況的特殊需要,3D印刷的鋁製品是最佳的來源。ElemX 還不能現場製造砲彈或魚雷,因為印製僅限於 30x30x12 公分以內的精細零件,約需 3、4 小時完成。至於什麼時候上船,因為船會擺動也會震動,是否影響精密印製動作,還要進一步實驗。

太空與海上所需要的大多是小型零件或工具,印刷機不會太大,像 Xerox ElemX 算是大型的了,但近年應用的擴展,讓3D印刷機變大了,而且相當的大,因為用在建築業的材料製造,更有直接用來蓋房子。以加州 Oakland 的 Mighty 建築公司為例,用3D印刷製造各種建築板材,客製模組化的設計,完工後運到工地自動化安裝。除了材料,也組合各種房屋,從最小350平方呎的獨屋,組合到1440平方呎三房二衛浴的家庭住宅。

紐約的SQ4D建築公司採取另一種做法,與其預做材料運到工地組合,不如把3D印刷機搬到工地現場,直接蓋一棟房子。聽起來不可思議,但概念與製造小零件沒有差別。先在房子基地四周搭上架子,把「噴頭」(噴材料出口)固定在架子上,讓能各種方向移動,然後以特製的水泥狀材料連續送到噴頭,噴頭依建築圖樣由電腦控制移動,像擠牙膏似的,把材料噴灑在房子的地基、牆等各個部位。

這樣噴灑一層後噴頭拉高再噴灑上一層,周而復始繼續堆高,直到整個房子完工。這棟房子位於紐約長島 Riverhead,面積1400平方呎,有三房二衛浴,SQ4D公司說一共花了兩天時間,僅用了 3 名工人就把房子蓋完了,成為美國首棟出售的3D印刷房子,售價 30 萬美元,只有當地房屋市場的半價,聞風參觀的人很多,都說物超所值。這棟房子已列入售房網站 Zillow,有興趣的讀者可進入瀏覽。

這種現場立即蓋房的技術,由慈善機構協助,開始進入窮困的偏遠地區。非洲東南外海的馬達加斯加島 (Madagascar),即將在南方一個大學附近修建一所學校,校舍一間間可以連接,由舊金山一家3D印刷建築公司設計興建。在墨西哥偏遠地區,即將完成一個3D房屋的社區,現已由美國德州一家建築公司完成第一棟,有兩間睡房500平方呎的住宅,一共會完成 50棟以平價出售,每蓋一棟僅需時 24 小時。

德國的第一棟3D印刷房屋,蓋在北 Rhine-Westphalia 的 Beckum,是一棟二層樓房,每層面積 80 平方米。這棟樓房是有指標作用的集體創作,包括慕尼黑技術大學與 Mense Korte 建築工程公司,以研究的態度故意放慢施工速度,從中獲取經驗,分析改進,使得這一革命性的技術,在節省時間、降低成本、減少人力、環保上更趨完美。有興趣的讀者可以進入 ArchDaily 網站,觀看這棟二層樓的房子,以及3D印刷設備的架構與運作的圖片。

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