神通廣大的3D打印

聽到這個(gè)名詞，是不是覺得很新鮮？新鮮之後，我的第一反應(yīng)是打印出來的東西是實(shí)實(shí)在在的東西嗎？有這么神奇？本期“知道主義”讓我們一起走近“3D打印”。

我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫钠胀ù蛴C(jī)可以打印電腦設(shè)計(jì)的平面物品，而所謂的3D打印機(jī)與普通打印機(jī)工作原理基本相同，只是打印材料不同，普通打印機(jī)的打印材料是墨水和紙張，而3D打印機(jī)內(nèi)裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是實(shí)實(shí)在在的原材料，打印機(jī)與電腦連接後，通過電腦控制可以把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。通俗地說，3D打印機(jī)是可以“打印”出真實(shí)的3D物體的一種設(shè)備，比如打印一個(gè)機(jī)器人、打印玩具車，打印各種模型，甚至是食物等等。之所以通俗地稱其為“打印機(jī)”是參照了普通打印機(jī)的技術(shù)原理，因?yàn)榉謱蛹庸さ倪^程與噴墨打印十分相似。這項(xiàng)打印技術(shù)稱為3D立體打印技術(shù)。

這項(xiàng)科技并不新鮮

事實(shí)上，該技術(shù)并不新鮮，這個(gè)思想起源于19世紀(jì)末的美國，并在20世紀(jì)80年代得以發(fā)展和推廣?？梢哉f是“上上個(gè)世紀(jì)的思想，上個(gè)世紀(jì)的技術(shù)，這個(gè)世紀(jì)的市場”。

使用打印機(jī)就像打印一封信：輕點(diǎn)電腦屏幕上的“打印”按鈕，一份數(shù)字文件便被傳送到一臺噴墨打印機(jī)上，它將一層墨水噴到紙的表面以形成一副二維圖像。而在3D打印時(shí)，軟件通過電腦輔助設(shè)計(jì)技術(shù)完成一系列數(shù)字切片，并將這些切片的信息傳送到3D打印機(jī)上，後者會將連續(xù)的薄型層面堆疊起來，直到一個(gè)固態(tài)物體成型。3D打印機(jī)與傳統(tǒng)打印機(jī)最大的區(qū)別在于它使用的“墨水”是實(shí)實(shí)在在的原材料。

堆疊薄層的形式有多種多樣。有些3D打印機(jī)使用“噴墨”的方式。例如，一家名為Objet的以色列3D打印機(jī)公司使用打印機(jī)噴頭將一層極薄的液態(tài)塑料物質(zhì)噴涂在鑄模托盤上，此涂層然後被置于紫外線下進(jìn)行處理。之後鑄模托盤下降極小的距離，以供下一層堆疊上來。另外一家總部位于美國明尼阿波利斯市的公司Stratasys使用一種叫做“熔積成型”的技術(shù)，整個(gè)流程是在噴頭內(nèi)熔化塑料，然後通過沉積塑料纖維的方式才形成薄層。還有一些系統(tǒng)使用粉末微粒作為打印介質(zhì)。粉末微粒被噴撒在鑄模托盤上形成一層極薄的粉末層，然後由噴出的液態(tài)粘合劑進(jìn)行固化。它也可以使用一種叫做“激光燒結(jié)”的技術(shù)熔鑄成指定形狀。有些打印機(jī)還能結(jié)合不同介質(zhì)，令打印出來的物體一頭堅(jiān)硬而另一頭柔軟。

心臟，也可以打印出來

科學(xué)家們正在利用3D打印機(jī)制造諸如皮膚、肌肉和血管片段等簡單的活體組織，我們將制造出像腎臟、肝臟甚至心臟這樣的大型人體器官。如果生物打印機(jī)能夠使用病人自身的干細(xì)胞，那么器官移植後的排異反應(yīng)將會減少。人們也可以打印食品，比如康奈爾大學(xué)的科學(xué)家們已經(jīng)成功打印出了杯形蛋糕。幾乎所有人都相信，食品界的殺手級應(yīng)用將是能夠打印巧克力的機(jī)器。

3D打印的飛機(jī)、槍支和化石骨骼已經(jīng)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，但科學(xué)家最近利用3D打印技術(shù)打印了第一份真實(shí)人類的心臟。該心臟樣本是由塑料制成，是患有不尋常并發(fā)癥病人的心臟的精確解剖副本。

美國華盛頓國家兒童醫(yī)學(xué)中心的兒科心臟病專家勞拉·奧利弗瑞手握3D打印的人類心臟，該3D打印機(jī)耗費(fèi)了25萬美元。勞拉表示心臟副本對于練習(xí)復(fù)雜手術(shù)來說是非常理想的對象，它使得手術(shù)外科醫(yī)生能夠看清他們要進(jìn)行手術(shù)的精確解剖情景。

想要打印3D心臟，必須先輸入單個(gè)病人計(jì)算機(jī)控制x線體層掃描術(shù)或超聲波掃描獲得的二維數(shù)據(jù)，這使得打印機(jī)能夠逐層建立復(fù)制樣本層。醫(yī)院正在制定欲采用3D打印技術(shù)的早期計(jì)劃。近期美國紐約康奈爾大學(xué)的研究學(xué)者3D打印了一只人工耳朵，并向其植入了來自奶牛的細(xì)胞進(jìn)行培育。此外，還有研究人員獲得了世界上第一個(gè)3D打印的迷你人類肝臟。

現(xiàn)狀

在3D打印技術(shù)可以打印假肢、汽車、飛機(jī)的今天，它還在創(chuàng)造無限的可能。

首先3D打印技術(shù)可以加工傳統(tǒng)方法難以制造的零件。過去傳統(tǒng)的制造方法就是一個(gè)毛坯，把不需要的地方切除掉，是多維加工的，或者采用模具，把金屬和塑料融化灌進(jìn)去得到這樣的零件，這樣對復(fù)雜的零部件來說加工起來非常困難。立體打印技術(shù)對于復(fù)雜零部件而言具有極大的優(yōu)勢，立體打印技術(shù)可以打印非常復(fù)雜的東西。

其次實(shí)現(xiàn)了首件的凈型成形，這樣後期輔助加工量大大減小，避免了委外加工的數(shù)據(jù)泄密和時(shí)間跨度，尤其適合一些高保密性的行業(yè)，如軍工、核電領(lǐng)域。再次由于制造準(zhǔn)備和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的時(shí)間大幅減少，使得單件試制、小批量出產(chǎn)的周期和成本降低，特別適合新產(chǎn)品的開發(fā)和單件小批量零件的出產(chǎn)。

這些速度快、高易用性等優(yōu)勢使得3D打印成為一種潮流，并且在很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。事實(shí)上，3D打印技術(shù)要成為主流的生產(chǎn)制造技術(shù)還尚需時(shí)日。雖然3D打印機(jī)技術(shù)在21世紀(jì)初已取得不小的進(jìn)步，比如材料增多、打印機(jī)和原材料價(jià)格逐漸下降，但在2012年左右，依舊是一項(xiàng)年輕的技術(shù)，在沒有變得更加成熟和廉價(jià)前，并不會被企業(yè)大規(guī)模采用。