用光和氧气打印一双跑鞋

刘娉婷

使用3D技术打印跑鞋早已不是一个新概念，耐克、新百伦等运动服饰公司都在尝试，但这些还处于“试验阶段”的跑鞋似乎一直处于“未来时”状态—不仅价格昂贵，通常还限量发售，一款新鞋的全球发行量可能只有几十到上百双，无法成为鞋柜里的日常款。

2017年4月，阿迪达斯带着一款最新研发的3D打印跑鞋宣布了它的野心：它要让3D打印跑鞋成为“常 态”。

这双3D打印跑鞋的制作周期目前只需1.5小时，未来还会缩短至20分钟。2018年年底，它将在全球量产超过10万双。为了凸显新技术，阿迪达斯将这款跑鞋命名为“Futurecraft 4D”。

其实，Futurecraft 4D的核心技术来源于硅谷一家名为Carbon的公司。阻碍传统3D打印跑鞋量产的那些“痛点”，就是通过后者最新研发的“数字光合技术”解决的。简单地说，Carbon运用光和氧气制造了跑鞋的中底。

在鞋这个品类中，目前能够通过3D打印技术实现的部分只有鞋底或中底。而中底是指鞋底区域既不与地面接触，也没有与鞋底接触的部分—这部分对舒适感的需求最高。

在3D打印运动鞋这条赛道上早已有很多参与者。然而，从2013年耐克发布全球首款3D打印足球鞋，到2015年新百伦、安德玛包括阿迪达斯先后推出的3D打印鞋，一直沿用的仍是已经有30年历史的粉末材料选择性激光烧结技术。

粉末材料选择性激光烧结技术采用的是“逐层法”。制作跑鞋中底时，先要将一层粉末材料平铺在已经成型的模具表面上，并加热到材料产生颗粒黏结，用红外激光照射截面至融化，与下面已经成型的部分实现黏结。一层完成后，再铺上一层新的粉末，开始新一轮截面烧结，直至完成整个模型。

这种方式存在很多缺陷。粉末的逐层叠加让中底表面看起来比较粗糙，最终材料的强度和机械性能取决于打印的方向。已经试过3D打印鞋的部分消费者反馈，这种鞋的中底很硬，穿着不舒服。

而3D打印跑鞋无法规模化生产的关键因素，还在于烧结技术需要很长的操作时间：加工前，先要花两小时给机器预热，零件构建后，再有5至10个小时冷却时间，才能从粉末缸中取出。

3D打印之前主要用于生产原型产品，3D打印机也不是为了规模化制造而设计。“3D打印的缺陷是成本高、生产流程缓慢，处理起来也很复杂，批量生产非常困难。”阿迪达斯官方给《第一财经周刊》的回复中说道。除此之外，传统3D打印还面临着材料使用率低、损耗量大、成品相对脆弱、灵活性低等问题。

运动时，人一直处于移动状态，中底承受的压力会不断变化。因此这部分使用的材料需要具有较为灵活的形变能力，鞋类制造制商研发的重要也通常会聚焦在如何缓冲避震、稳定支撑以及提升弹性回馈性能 上。

Futurecraft 4D是“数字光合技术”的首次应用实例。为了帮助阿迪达斯找到最佳的产品设计方案，Carbon专门建立了一个孵化器工厂来开发和验证制造Futurecraft 4D的方法和材料。在打印设备正式到达阿迪达斯工厂之前，打印方案还在不断完善。

整台打印装置分为5个部分，从上到下依次是打印工作台、紫外线固化树脂槽、死区、氧透气窗和投影仪光源。制作跑鞋时，工作人员先要提前使用软件对液态树脂编程，得出3D模型，接下来才是整个打印过程。

“利用可编程液体树脂平台，使用光来设置形状，用热来设置机械性能。”Carbon公司介绍道，这是公司为Futurecraft 4D专门定制的打印策略。

这个过程就像是从液态树脂里“长”出新零件。底部的投影仪光源会发射出紫外光束，3D模型自下而上通过氧透气窗投影到工作台下，形成了光源照射和透光的协同过程。

整个装置的“内核”被称为“死区”—这片区域既可以通过氧气，也能够透过光线。紫外线光束的作用是引发聚合成型，使得液态固化。而氧气属于阻聚物，防止紫外线照射树脂时不需要打印的分子聚合，伴随着工作台的连续上升，透气窗和固化区域之间会形成一层几十微米厚的未固化区域，这里就是“死区”。固化区域和透气窗则能够无损分离。

紫外线可以透过死区，在上方继续产生聚合作用。固化层逐渐增厚，实现连续打印。树脂槽中会生长出一个三维物体，就像是从液体中被“提”出來一样。

用光来固化成型只是第一步，为了使材料更加坚固，还要经历一个热固化化学反应过程。这相当于一个后期处理，机械性能可因此得到提升。

一般来说，传统跑鞋的开发分为4个步骤：设计、原型打印、开模和制造。开模成本极高，意味着需要生产1万双跑鞋才能够收回成本，所以通常在产品开发之前，制造商只能允许3到5次的设计调整。

数字光合技术能实现快速打印的诀窍在于其过程是连续的：底部的紫外光投影让光敏树脂固化，透过的氧气抑制固化，水槽底部的液态树脂由于接触氧气而保持稳定的液态区域，保证了固化的连续性。这样打印出的材料表面纹路清晰，材料表面光滑，避免了层叠纹的出现。

Carbon为Futurecraft 4D尝试超过150种配方，挑选出能够在极端寒冷和炎热气候下维持稳定性能的材料。目前Carbon公司还在做最后颜色的调试，除了现阶段推出的纯色，未来有可能推出彩色或者透明的中底，让跑鞋看起来更加炫酷。

数字光合技术的主要应用领域是终端部件的打印。除了体育用品，未来你还能在汽车、航空航天、消费电子等行业看见利用这种技术打印出的耐用聚合物材料和部件。

别忘了，一切技术都是阿迪达斯为实现3D打印鞋的可定制化和规模化目标而尝试。“希望每位消费者走进我们的门店后，通过传感器连接跑鞋，大约在40步内，就能收集到定制所需要的全部信息，为消费者做出最佳的产品选择。”阿迪达斯告诉《第一财经周刊》。这些数据回传至工厂，大约几个工作日，你在家就能收到定制的成品了。

精细的个性定制化生产已经被视为工业领域的一大趋势，定制的跑鞋可以根据你的脚型和跑步时的受力设计，矫正异常受力，让跑鞋做到完全合脚。

现在，阿迪达斯正在和Carbon公司继续合作开发新机器和新材料，毕竟，生产时长从1.5小时到20分钟，还有不小的差距。