走近日常生活的3D打印

李忠東

3D打印技術(shù)被視為“第三次工業(yè)革命”的重大標(biāo)志之一，引起了全球的廣泛關(guān)注。3D打印技術(shù)又稱“三維打印技術(shù)”或“快速制造技術(shù)”，是基于離散—堆積原理，由零件三維數(shù)據(jù)驅(qū)動直接制造零件的科學(xué)技術(shù)體系。它是融合計算機輔助設(shè)計、材料加工與成形技術(shù)為一體，以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過軟件與數(shù)控系統(tǒng)將專用的材料，按照擠壓、燒結(jié)、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積，制造出實體物品的制造技術(shù)。

相對于傳統(tǒng)的對原材料進行去除、切削、組裝的加工模式不同，3D打印是一種通過材料累加的制造方法，是從無到有的“增材制造”技術(shù)。與平面打印機不一樣，3D打印是立體打印，兩者有本質(zhì)上的區(qū)別：平面打印機里面裝的是墨粉；而3D打印機里面則是一個龐大的材料系統(tǒng)，根據(jù)產(chǎn)品需要配備各種相應(yīng)的材料。3D打印技術(shù)最突出的優(yōu)點是無需模具，也不需要機械加工就能直接從設(shè)計好的計算機圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的物體。造模是傳統(tǒng)制造業(yè)核心的一個環(huán)節(jié)。以往很多高端產(chǎn)品能設(shè)計出來卻生產(chǎn)不出來，最大的困難就出在耗時很長的造模環(huán)節(jié)，而3D打印機則跨越了造模這個環(huán)節(jié)。

下文我們就來介紹幾個典型的案例，幫助大家體會如今的3D 打印是如何走進日常生活的。

首枚“生物墨水”3D打印人類眼角膜

今年5月30日發(fā)表在《實驗眼科研究》雜志的一份研究報告宣布，英國紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的研究人員已經(jīng)開發(fā)出全球首個3D打印人類眼角膜。他們將健康人士捐贈的眼角膜干細(xì)胞（眼角膜基質(zhì)細(xì)胞）與藻酸鹽、膠原蛋白混合，制造出一種能用于3D打印的“生物墨水”，隨后使用一臺成本很低的3D生物打印機，將“生物墨水”成功擠壓成同心圓，最終形成人眼角膜的形狀。更令人驚訝的是，3D打印角膜的制造過程相當(dāng)簡單，甚至不用10分鐘，而且干細(xì)胞可以繼續(xù)發(fā)育。

眼角膜位于眼球前部，呈橫橢圓形，完全透明，含有許多十分敏感的神經(jīng)末梢。如有外物接觸眼角膜，眼瞼即會合上，以保護眼睛不受到有害物質(zhì)的影響。如果把眼睛比作一部相機，視網(wǎng)膜、視神經(jīng)與大腦視覺中樞的功能就像膠卷，虹膜像光圈，眼角膜就像是相機的鏡片。眼角膜如果變得混濁，就好比照相機的鏡片磨損了，會影響到相機影像的質(zhì)量。眼角膜出現(xiàn)損傷時會引起疼痛和視力障礙，一些感染性的眼病也會影響其健康，最終導(dǎo)致失明。

目前全球可供移植的角膜數(shù)量嚴(yán)重短缺?，F(xiàn)在世界上有很多團隊都在尋找一種最理想的生物墨水。該團隊負(fù)責(zé)人、紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)組織工程學(xué)切·康農(nóng)教授指出，實驗證明通過掃描患者眼睛來3D打印眼角膜的做法可行。他指出：“如果未來3D打印眼角膜能得到醫(yī)學(xué)界的認(rèn)可，實現(xiàn)臨床應(yīng)用，那么對于全球1500萬渴望接受角膜移植的患者以及由于眼角膜損傷導(dǎo)致視力障礙的人士，無疑是天大的福音?！?h3>“百變”3D打印房屋

3D打印技術(shù)在藝術(shù)、醫(yī)院甚至廚房都有應(yīng)用，也有可能成為更可持續(xù)建筑的關(guān)鍵部分，幫助降低材料成本。荷蘭埃因霍溫市的一個被稱為“里程碑”的房地產(chǎn)項目，將從2019年開始連續(xù)建造5套可居住的3D打印混凝土房屋，它將是世界上第一種可正式用于居住的3D打印房屋。

為提高效率，第一套擁有兩個臥室的單層住宅，建筑面積僅有1000平方英尺，3D打印技術(shù)將僅用于外墻和內(nèi)墻的建造，預(yù)計明年中期可供居住。其他4套為多層住宅，有多層樓，帶有精致的天井和陽臺，且在抗震性和防火性等安全方面均有保障。該項目經(jīng)理蓋普宣稱：“與傳統(tǒng)建筑相比，3D打印房屋可以避免材料浪費，減少建筑垃圾，節(jié)省人力資源，縮短工程時間。但是它最具競爭力的優(yōu)勢在于能夠讓居住者根據(jù)自身需求打造‘百變住宅，自由地呈現(xiàn)外形。通過3D打印，我們會讓世界知道一切皆有可能，而傳統(tǒng)建筑在造型上有很大的局限性。”

“里程碑”項目中的第一套房屋的建筑元素將全部在埃因霍溫科技3D打印，隨后運到現(xiàn)場組裝。建筑團隊希望，當(dāng)最后一套擁有三個臥室的三層住宅開始建造時，3D打印機將在項目現(xiàn)場完成整棟建筑（包括給排水管道）的構(gòu)筑和安裝。埃因霍溫理工大學(xué)3D打印研究小組負(fù)責(zé)人賽歐·薩勒特說：“項目的合作伙伴將一邊施工，一邊繼續(xù)研究具體的3D打印，將他們學(xué)到的經(jīng)驗教訓(xùn)應(yīng)用到下一套房子。這意味著每套3D打印房屋都可以從我們已經(jīng)學(xué)到的先進洞察力和知識中受益，并且可以直接融入居民的意愿?！?h3>首座3D打印混凝土自行車橋

2017年10月17日，世界首座3D打印混凝土自行車橋在荷蘭東部小城海默特落成通車。該橋長8米，寬3.5米，經(jīng)過建筑公司的承重測試，可承載2噸的重力，至少可以使用30年。

這座專供騎自行車者使用的3D打印橋由荷蘭埃因霍溫技術(shù)大學(xué)與皇家BAM集團合作建造，據(jù)說是世界上第一次以3D打印技術(shù)進行這樣規(guī)模的實踐，因此也被稱為“世界第一橋”。埃因霍溫技術(shù)大學(xué)西奧·索奈特教授說：“盡管還需要使用其它建筑材料，但3D打印的結(jié)構(gòu)件無疑是核心。”

工程于去年6月開始，特殊的混凝土砂漿穿過打印頭，打印出獨立的混凝土層，厚度約為1厘米。在混凝土變干之前，鋼絲會穿過打印頭，在水泥層上鋪成鋼筋。如此一層層地疊加到800層為止。打印好的8個1米長的建筑塊被拖到建筑工地組裝膠合在一起，再用重型電纜完成固定。雖然影響3D打印橋梁的成敗有很多重要因素，但研發(fā)團隊認(rèn)為特殊的3D打印砂漿是成功的關(guān)鍵。

打印3D橋梁有三大優(yōu)勢：一是速度快，比傳統(tǒng)混凝土技術(shù)快3倍，而且可以造出形狀獨特的建筑；二是節(jié)約資源，所使用的混凝土比傳統(tǒng)方法少很多；三是保持橋梁的整體性，打印時砂漿就像牙膏一樣，可以很有規(guī)則地在模具中鋪陳，有助于保持橋梁的整體性?！?/p>

荷蘭全國運河遍布，水網(wǎng)縱橫，橋梁對于出行極為重要，類似這座供自行車通行的3D打印橋梁有很大的發(fā)揮空間。它在專業(yè)分類上稱為“簡單的橋”，但實際上并不簡單。研發(fā)團隊的博士生羅布·沃爾夫和10名學(xué)生為這項技術(shù)研究了數(shù)年，致力讓這項3D打印水泥橋的技術(shù)臻于完美。

不經(jīng)意間， 3D打印已經(jīng)飛入尋常巷陌，不斷地給我們的日常生活帶來驚喜。