用光和氧氣打印一雙跑鞋

劉娉婷

使用3D技術(shù)打印跑鞋早已不是一個(gè)新概念，耐克、新百倫等運(yùn)動(dòng)服飾公司都在嘗試，但這些還處于“試驗(yàn)階段”的跑鞋似乎一直處于“未來時(shí)”狀態(tài)—不僅價(jià)格昂貴，通常還限量發(fā)售，一款新鞋的全球發(fā)行量可能只有幾十到上百雙，無法成為鞋柜里的日?？睢?/p>

2017年4月，阿迪達(dá)斯帶著一款最新研發(fā)的3D打印跑鞋宣布了它的野心：它要讓3D打印跑鞋成為“常 態(tài)”。

這雙3D打印跑鞋的制作周期目前只需1.5小時(shí)，未來還會縮短至20分鐘。2018年年底，它將在全球量產(chǎn)超過10萬雙。為了凸顯新技術(shù)，阿迪達(dá)斯將這款跑鞋命名為“Futurecraft 4D”。

其實(shí)，F(xiàn)uturecraft 4D的核心技術(shù)來源于硅谷一家名為Carbon的公司。阻礙傳統(tǒng)3D打印跑鞋量產(chǎn)的那些“痛點(diǎn)”，就是通過后者最新研發(fā)的“數(shù)字光合技術(shù)”解決的。簡單地說，Carbon運(yùn)用光和氧氣制造了跑鞋的中底。

在鞋這個(gè)品類中，目前能夠通過3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)的部分只有鞋底或中底。而中底是指鞋底區(qū)域既不與地面接觸，也沒有與鞋底接觸的部分—這部分對舒適感的需求最高。

在3D打印運(yùn)動(dòng)鞋這條賽道上早已有很多參與者。然而，從2013年耐克發(fā)布全球首款3D打印足球鞋，到2015年新百倫、安德瑪包括阿迪達(dá)斯先后推出的3D打印鞋，一直沿用的仍是已經(jīng)有30年歷史的粉末材料選擇性激光燒結(jié)技術(shù)。

粉末材料選擇性激光燒結(jié)技術(shù)采用的是“逐層法”。制作跑鞋中底時(shí)，先要將一層粉末材料平鋪在已經(jīng)成型的模具表面上，并加熱到材料產(chǎn)生顆粒黏結(jié)，用紅外激光照射截面至融化，與下面已經(jīng)成型的部分實(shí)現(xiàn)黏結(jié)。一層完成后，再鋪上一層新的粉末，開始新一輪截面燒結(jié)，直至完成整個(gè)模型。

這種方式存在很多缺陷。粉末的逐層疊加讓中底表面看起來比較粗糙，最終材料的強(qiáng)度和機(jī)械性能取決于打印的方向。已經(jīng)試過3D打印鞋的部分消費(fèi)者反饋，這種鞋的中底很硬，穿著不舒服。

而3D打印跑鞋無法規(guī)?；a(chǎn)的關(guān)鍵因素，還在于燒結(jié)技術(shù)需要很長的操作時(shí)間：加工前，先要花兩小時(shí)給機(jī)器預(yù)熱，零件構(gòu)建后，再有5至10個(gè)小時(shí)冷卻時(shí)間，才能從粉末缸中取出。

3D打印之前主要用于生產(chǎn)原型產(chǎn)品，3D打印機(jī)也不是為了規(guī)?；圃於O(shè)計(jì)?！?D打印的缺陷是成本高、生產(chǎn)流程緩慢，處理起來也很復(fù)雜，批量生產(chǎn)非常困難?！卑⒌线_(dá)斯官方給《第一財(cái)經(jīng)周刊》的回復(fù)中說道。除此之外，傳統(tǒng)3D打印還面臨著材料使用率低、損耗量大、成品相對脆弱、靈活性低等問題。

運(yùn)動(dòng)時(shí)，人一直處于移動(dòng)狀態(tài)，中底承受的壓力會不斷變化。因此這部分使用的材料需要具有較為靈活的形變能力，鞋類制造制商研發(fā)的重要也通常會聚焦在如何緩沖避震、穩(wěn)定支撐以及提升彈性回饋性能 上。

Futurecraft 4D是“數(shù)字光合技術(shù)”的首次應(yīng)用實(shí)例。為了幫助阿迪達(dá)斯找到最佳的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，Carbon專門建立了一個(gè)孵化器工廠來開發(fā)和驗(yàn)證制造Futurecraft 4D的方法和材料。在打印設(shè)備正式到達(dá)阿迪達(dá)斯工廠之前，打印方案還在不斷完善。

整臺打印裝置分為5個(gè)部分，從上到下依次是打印工作臺、紫外線固化樹脂槽、死區(qū)、氧透氣窗和投影儀光源。制作跑鞋時(shí)，工作人員先要提前使用軟件對液態(tài)樹脂編程，得出3D模型，接下來才是整個(gè)打印過程。

“利用可編程液體樹脂平臺，使用光來設(shè)置形狀，用熱來設(shè)置機(jī)械性能?！盋arbon公司介紹道，這是公司為Futurecraft 4D專門定制的打印策略。

這個(gè)過程就像是從液態(tài)樹脂里“長”出新零件。底部的投影儀光源會發(fā)射出紫外光束，3D模型自下而上通過氧透氣窗投影到工作臺下，形成了光源照射和透光的協(xié)同過程。

整個(gè)裝置的“內(nèi)核”被稱為“死區(qū)”—這片區(qū)域既可以通過氧氣，也能夠透過光線。紫外線光束的作用是引發(fā)聚合成型，使得液態(tài)固化。而氧氣屬于阻聚物，防止紫外線照射樹脂時(shí)不需要打印的分子聚合，伴隨著工作臺的連續(xù)上升，透氣窗和固化區(qū)域之間會形成一層幾十微米厚的未固化區(qū)域，這里就是“死區(qū)”。固化區(qū)域和透氣窗則能夠無損分離。

紫外線可以透過死區(qū)，在上方繼續(xù)產(chǎn)生聚合作用。固化層逐漸增厚，實(shí)現(xiàn)連續(xù)打印。樹脂槽中會生長出一個(gè)三維物體，就像是從液體中被“提”出來一樣。

用光來固化成型只是第一步，為了使材料更加堅(jiān)固，還要經(jīng)歷一個(gè)熱固化化學(xué)反應(yīng)過程。這相當(dāng)于一個(gè)后期處理，機(jī)械性能可因此得到提升。

一般來說，傳統(tǒng)跑鞋的開發(fā)分為4個(gè)步驟：設(shè)計(jì)、原型打印、開模和制造。開模成本極高，意味著需要生產(chǎn)1萬雙跑鞋才能夠收回成本，所以通常在產(chǎn)品開發(fā)之前，制造商只能允許3到5次的設(shè)計(jì)調(diào)整。

數(shù)字光合技術(shù)能實(shí)現(xiàn)快速打印的訣竅在于其過程是連續(xù)的：底部的紫外光投影讓光敏樹脂固化，透過的氧氣抑制固化，水槽底部的液態(tài)樹脂由于接觸氧氣而保持穩(wěn)定的液態(tài)區(qū)域，保證了固化的連續(xù)性。這樣打印出的材料表面紋路清晰，材料表面光滑，避免了層疊紋的出現(xiàn)。

Carbon為Futurecraft 4D嘗試超過150種配方，挑選出能夠在極端寒冷和炎熱氣候下維持穩(wěn)定性能的材料。目前Carbon公司還在做最后顏色的調(diào)試，除了現(xiàn)階段推出的純色，未來有可能推出彩色或者透明的中底，讓跑鞋看起來更加炫酷。

數(shù)字光合技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域是終端部件的打印。除了體育用品，未來你還能在汽車、航空航天、消費(fèi)電子等行業(yè)看見利用這種技術(shù)打印出的耐用聚合物材料和部件。

別忘了，一切技術(shù)都是阿迪達(dá)斯為實(shí)現(xiàn)3D打印鞋的可定制化和規(guī)?；繕?biāo)而嘗試。“希望每位消費(fèi)者走進(jìn)我們的門店后，通過傳感器連接跑鞋，大約在40步內(nèi)，就能收集到定制所需要的全部信息，為消費(fèi)者做出最佳的產(chǎn)品選擇?！卑⒌线_(dá)斯告訴《第一財(cái)經(jīng)周刊》。這些數(shù)據(jù)回傳至工廠，大約幾個(gè)工作日，你在家就能收到定制的成品了。

精細(xì)的個(gè)性定制化生產(chǎn)已經(jīng)被視為工業(yè)領(lǐng)域的一大趨勢，定制的跑鞋可以根據(jù)你的腳型和跑步時(shí)的受力設(shè)計(jì)，矯正異常受力，讓跑鞋做到完全合腳。

現(xiàn)在，阿迪達(dá)斯正在和Carbon公司繼續(xù)合作開發(fā)新機(jī)器和新材料，畢竟，生產(chǎn)時(shí)長從1.5小時(shí)到20分鐘，還有不小的差距。