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《科学24小时》

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3D打印机是新一代造物神器?

2013-07-07 12:18:28

3D 打印,能否打印(克隆)另一个自己这让我们着迷,也让我们恐惧。为解开这个谜,远离恐惧,让我们首先认识3D 打印……

3D打印机是新一代造物神器?

杨先碧

在香港大片《十二生肖》中,成龙饰演的角色JC 佩戴专业扫描手套对十二生肖铜像进行扫描,他的同伴则在远方通过专业设备将所扫描的铜像完美地复原出来。这段剧情看似很科幻,其实影片中出现的专业设备现实生活中已经有了,那就是越来越热门的3D 打印机。尽管我们许多人都还没有见过3D 打印机,但是我们的好奇心已经被勾起来了。或许我们都想知道,究竟什么是3D 打印?它是何时诞生的?目前3D 打印能做些什么?将来3D 打印对我们的生活会有何种影响?带着这些问题,让我们一起来了解新奇的3D 打印技术。

 

3D 打印如同蚕织茧

什么是3D 打印?简单地说,3D 打印就像我们平时所用的打印一样,是把电脑中的文档打印出来。只不过,我们平常所用的打印机是把文字和图像打印在纸张或其他介质上,是一种平面的打印过程。而3D 打印是把电脑中的立体图像直接打印成一个真实的物品。

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3D 打印机不用纸或墨,而是通过计算机辅助设计、远程数据传输、激光扫描、材料熔融等一系列技术,使塑料粒、金属粉、陶瓷粉等材料熔化,并按照3D电脑图像的结构,将材料一层层叠加起来,最终把电脑图像变成实物。简单地说,3D 打印的原理和蚕织茧有些类似,蚕吐出很细的丝,一层一层把自己包裹起来,就形成了一个“立体”的茧。虽然所用材料和工艺不一样,但3D 打印的基本原理都是根据要打印的物体形状,通过一层层地堆积而成一个立体的物品。

传统制造业生产时往往是用减法,就是把一些材料通过截断、裁剪、打磨等方法来获得制造物品所需的尺寸,制造的过程中免不了浪费原材料,还会带来一定程度的污染。然而,3D 打印物品运用的是加法,就是将粉末、液体、片状等细碎材料逐层堆积成一个物品,就好像一层层打印上去一样。因此,3D 打印又被专业人士称为“增材制造”。

就像普通打印机打印文字和图像需要有电脑文档一样,3D 打印也需要有相应的3D 文档。一般先在电脑中用专业的3D 设计软件进行产品建模,再将建成的3D 模型“分区”成逐层的截面,再转换为打印格式,输入到3D 打印机进行打印。听起来好像非常简单,实际上比较复杂,输入的图纸需要精确的参数才能提高成品精度,这也是为什么3D 打印目前还只是专业人士和发烧友才能玩的原因。

3D 打印的起源

3D 打印突然大热,令我们以为它是横空出现的新技术。其实,任何新奇技术都不是一蹴而就的。3D打印从问世至今存在着较为广泛的应用,已经有将近30 年的历史了。中国物联网校企联盟把它称作“上上个世纪的思想,上个世纪的技术,这个世纪的市场”。

3D 打印技术的核心制造思想最早起源于19 世纪末的美国,到20 世纪80 年代后期,3D 打印技术开始发展成熟并被广泛应用。

1892 年,美国登记了一项采用层合方法制作三维地图模型的专利技术。1979 年,日本东京大学生产技术研究所的中川威雄教授发明了叠层模型造型法。1980 年,日本人小玉秀男又提出了光造型法。虽然日本人研究出3D 打印的一些方法,但是此后20多年的时间里,把这些科学方法转化为实际用途的却都是美国人。

最早从事商业性3D 打印制造技术的是美国发明家查尔斯·赫尔。1986 年,查尔斯离开了原来工作的紫外光产品公司,自创了一家名为“3D 系统”的公司,开始专注发展3D 打印技术。这是世界上第一家生产3D 打印设备的公司,而它所采用的技术当时被称为“立体光刻”。这种技术是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。液态光敏树脂在一定波长和强度紫外光的照射下能迅速发生光聚合反应,分子量急剧增大,材料也就从液态转变成固态。打印机的液槽中盛满液态光固化树脂,激光束在偏转镜作用下于液态树脂表面扫描,光点照射到的地方液体就固化。这样不断地扫描,一个物品就出现了。到1988年,查尔斯生产出世界上首台以立体光刻技术为基础的3D 打印机SLA-250,它的体型非常庞大。

3D 打印技术的发展

1988 年,美国人斯科特·克朗普发明了一种新的3D打印技术———熔融沉积成型。这种工艺是通过将丝状材料如热塑性塑料、蜡或金属的熔丝从加热的喷嘴挤出,按照零件分层的预定轨迹,以固定的速率进行熔体沉积。每完成一层,工作台下降一个层厚,以进行叠加沉积新的一层,如此反复最终实现零件的沉积成型。该工艺适用于产品的概念建模及形状和功能测试的中等复杂程度的中小原型,但不适合制造大型零件。

1989 年,美国人德卡德发明了选择性激光烧结技术。它的原理是预先在工作台上铺一层粉末材料(金属粉末或非金属粉末),激光在计算机控制下,按照界面轮廓信息,对实心部分粉末进行烧结,然后不断循环,层层堆积成型。这种技术的特点是原材料选材范围广泛,比如尼龙、腊、ABS、金属和陶瓷粉末等都可以作为原材料。

1992 年,美国人赫利塞思发明层片叠加制造技术。其原理是先将单面涂有热溶胶的薄片材料加热,热溶胶在加热状态下产生黏性,多张薄片材料便能粘接在一起。接着,机器上方的激光器按照电脑模型分层数据,用激光束将薄片切割成所制零件的内外轮廓。接着,再铺上新的一层薄片,通过热压装置将其与下面已切割层粘合在一起,激光束再次切割。然后,不断重复这个过程,直至整个物品打印完成。

1995 年之前,还没有3D 打印这个名称,那时比较为研究领域所接受的名称是“快速成型”。1995年,美国麻省理工学院机械工程系的两名大四学生吉姆和蒂姆的毕业论文选题是便捷的快速成型技术。两人经过多次探讨,结果想到利用当时已经普及的喷墨打印机。他们把打印机墨盒里面的墨水替换成胶水,用喷射出来的胶水来粘接粉末床上的粉末,结果可以打印出一些立体的物品。他们兴奋地将这种打印方法称作3D 打印,将他们改装的打印机称作3D 打印机。此后,“3D 打印”一词慢慢流行,所有的快速成型技术都归到3D 打印的麾下。

最初的3D 打印所用原料大多是塑料,而如今可用于打印的原料种类多样,从繁多的塑料到金属、陶瓷以及橡胶类物质。有些打印机还能结合不同介质,令打印出来的物体一头坚硬而另一头柔软。科学家们甚至利用3D 打印机制造诸如皮肤、肌肉和血管片段等简单的活体组织,依据3D 打印技术的发展趋势,将来我们极有可能制造出人体器官。目前三维打印机的分辨率对大多数产品来说已经足够,不过,这些打印出来的物品在弯曲的表面可能会稍微粗糙一些,形似图像上的锯齿一样。目前获取“更高分辨率”的物品的方法,通常采用3D 打印机打印出稍大一点的物体,然后经过表面打磨来得到表面光滑的“高分辨率”物品。

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可自我复制的3D 打印机

2005 年,英国巴恩大学的教授亚德里安·鲍耶提出RepRap 项目,它的目标是制造“自我复制机”。RepRap是英文replicating rapid prototyper 的缩写,意思是“快速复制原型”。其实,RepRap 打印机就是一台3D 打印“母机”。它具有一定程度的自我复制能力,能够打印出和自身结构相同的零件,用这些零件可以组装成和“母机”一模一样的“子机”,就像复印机所做的事情一样。

最初研究人员设计reprap 的目的就是为了让3D 打印机快速“繁殖”,从而普及3D 打印。比如,你购买了一台reprap 打印机,你可以在家里为你的亲朋好友打印出相同的打印机,你的亲朋好友又可以让他们的亲朋好友拥有一台相同的打印机。如此传递下去,很快很多人就都拥有了同样的3D 打印机。

这个打印机“自我复制”的程序是对公众开放的,大家都可以到网上去下载,人们只需购买相关的原材料就可以了。目前,reprap 打印机已经有了3 个版本:第一个版本叫“种子”,第二个版本叫“达尔文”,第三个版本叫“孟德尔”。这些名字都与生命的繁衍和进化有关,体现了研究人员希望不断复制和改善这些打印机的决心。

当然,reprap 打印机能做的事情不仅仅是复制自己,更为重要的是它可以让人们在家里打印自己所需要的物品。亚德里安相信,这就是3D 打印的最终趋势,只需要一台原型机就可以让全世界人人都可拥有3D 打印机。或许在几年之后,我们就可以拥有一台这样的打印机了。



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