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      于無形處建奇功
      ——液體3D打印

      2015-12-08 10:02:10文|馬
      今日中國·中文版 2015年5期
      關鍵詞:金屬片光固化光敏

      文|馬 迪

      于無形處建奇功
      ——液體3D打印

      文|馬 迪

      近幾年,“3D打印”不時占據新聞版面。與傳統(tǒng)制造相比,萬物皆可打印,人們可以隨心所欲地制造出自己最想要的東西,于是有人打印了手槍(美國),有人打印了房子(中國)。2014年底,3D打印甚至還沖出地球走向宇宙,在國際空間站完成了首次太空測試??梢韵胍姡绻羞m當的材料,未來的衣食住行甚至人體器官,都可以量身定做。

      最近,一個酷炫而別致的3D打印演示視頻在網上流傳開來,這次的主角是五顏六色的粘稠液體。從視頻中我們可以看到,埃菲爾鐵塔、“富勒烯”形狀的空心球體等模型,從一個淺淺的液體池中被緩緩提起,讓人很難相信它們曾經也是這液體的一部分。

      液體如何變固體

      3D打印已經逐漸走入我們的生活,甚至出現(xiàn)了面向尋常百姓的家用3D打印機?,F(xiàn)在流行的3D打印機大都使用固體材料,通過分層沉積的方式,將物品一層一層地打印出來。這種方式的全稱是“熔融沉積成型”(Fused Deposition Modeling,簡稱FDM),也就是將材料加熱熔化,再像擠奶油一樣擠出來,并逐層堆積形成你想要的形狀。

      FDM技術初始于1988年,講起來也算是“老資歷”了,但其實它真正的“前輩”“另有其人”—世界上第一臺快速成形設備誕生于1984年,采用的則是鮮為人知的“立體光固化成型”技術(Stereo Lithography Appearance,簡稱SLA)。

      眾所周知,有些物質遇冷會硬化,有些物質則反其道而行之,遇熱變硬。同樣道理,有些特殊的物質“見光硬”,這個現(xiàn)象稱作“光固化”。SLA技術是以液體為原料、利用光固化原理、制造出固體產品,通俗一點可以稱之為“液體3D打印”。

      登場雖早,舞臺主角的光環(huán)最終還是旁落。隨后的發(fā)展證明,SLA技術無法如FDM一樣大為普及,因為它所采用的材料特殊—畢竟液體不易處理,也不方便攜帶。除了因工作需要而使用過的人,一般人其實不清楚它的存在。

      液體3D打印的坎坷路

      前文中講到模型從神秘液體里“冉冉升起”的場景,是該揭開謎底的時候了。這種神秘液體名叫光敏樹脂,是整個技術關鍵所在。

      光敏樹脂又稱光固化樹脂,是一種受光線照射后,能迅速固化的低聚物。雖然平時呈現(xiàn)黏糊糊的液體狀態(tài),但經過一定波長的紫外線照射后,就會引起聚合反應變成堅硬的固體。

      生活中與人最“親密”的光敏樹脂,或許此刻就在你的嘴里—光固化復合樹脂牙齒修復術,說白了也就是常見的補齲齒。當醫(yī)生去掉了牙齒上的蛀蝕組織,填充進去的就是光敏樹脂了。有過補牙經歷的人都會有記得,過程中重要的一步就是用紫外線燈照射那顆牙齒,因為這樣才能使填充物固化,修復牙齒應有的形態(tài)和功能。

      雖然掌握了這種奇妙的原理,但過去的液體3D打印還是“老一套”思路—像蓋房子一樣,一層層地構筑物體結構。首先在電腦中設計出三維實體模型,設計掃描路徑,用紫外線照射到液態(tài)光敏樹脂表面,使表面特定區(qū)域內的一層樹脂固化,生成一個截面;然后固化的截面上覆蓋一層液態(tài)樹脂,再進行固化照射。如是重復,層層疊加,最終制成三維物體。

      由于固化過程受液體濃度、光照強度和照射時間等條件影響,而光的強度會隨著射入樹脂的深度逐漸降低,因此,只有靠近照射面的一小部分會固化得相對均勻和徹底,“蓋房子”式的打印方式也是不得已而為之。且不說這個過程本身非常緩慢,單是各層樹脂固化時產生的不同程度的收縮形變,就讓研究人員操碎了心。

      使用紫外線加速樹脂硬化,但空氣中的氧往往會減緩硬化過程。CLIP的設計恰恰利用了這一點,化不利為有利。

      CLIP:更快更精細

      只有光敏樹脂還遠遠不夠。為了徹底改變液體3D打印的困境,研究人員拋棄了層層打印的老思路,從電影《終結者2》中找到了靈感。電影中的液體機器人慢慢從一灘金屬液中升起變成機器人的鏡頭,跟模型從液體中緩緩升起的場景如出一轍。

      這是一種名叫“連續(xù)液面生長”(Continuous Liquid Interface Production,CLIP)的改良技術。從本質上講,它也是立體光固化技術的一種,但又絕不僅僅是這么簡單。

      使用紫外線加速樹脂硬化,但空氣中的氧往往會減緩硬化過程。CLIP的設計恰恰利用了這一點,化不利為有利。在裝滿液態(tài)樹脂的容器底部有個小孔,那里充溢著幾十微米厚的富氧液體,就像一扇窗戶,紫外線可以從這個孔照上來。而小孔處的氧分子確保了那里不會發(fā)生凝固。

      打印時,將一塊金屬片置于樹脂池的表面,紫外線通過小孔將特定區(qū)域的樹脂硬化,硬化后的樹脂附著于金屬片上。打印機慢慢抬升金屬片,把已經硬化的樹脂從容器里提出來,同時,“水下”的固化工作還在繼續(xù)。這一過程在旁觀者看來,就好像是“終結者”從液體中崛起顯形一般。

      與現(xiàn)存的3D設備不一樣,CLIP不需要等待每層凝固,它會持續(xù)建模,因此打印速度高達每小時1米以上。制作一個普通模型只需要短短幾分鐘,比過去的方法快25-100倍,一次成型不分層的設計可以很輕松地制出更精細、更復雜的物體。

      3D打印之所以吸引人,因為它讓“定制化”的門坎降低了不少,使設想有更大的機會變成實物。與傳統(tǒng)3D打印技術相比,液體3D打印帶來的速度和質量的改變堪稱是革命性的,未來的應用令人期待。

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