作者：圓的方塊

編輯：Yuki

 

辦公室里的打印機，為什么只有腦子最笨的張飛會用，而劉備和關(guān)羽不行？

——因為3D（三弟）打印呀。

 

今天，咱們聊聊這項技術(shù)。

 

> > > 什么是3D打印？ < < <

 

3D打印，我們或多或少地都聽說過，甚至也見過一些3D打印出來的精巧構(gòu)件。不過要往深了說，大部分人都說不出個所以然。

 

（一個典型的3D打印作品，圖片來源：Sina.com）

 

這幾年來，加諸于3D打印的名頭實在太多—— “引領(lǐng)下一次工業(yè)革命”、“顛覆傳統(tǒng)制造業(yè)”、“未來科技”等等。

 

在試圖了解一項技術(shù)之前，最好是先撥去籠罩在它之上的光環(huán)。

 

3D打印本質(zhì)上只是一種制造技術(shù)，它還有一個學名，叫 增材制造 ，以前它還有個更土的名字，叫 快速成型 [1] 。

 

是不是瞬間感覺沒什么氣勢了？

 

那么，去掉炫酷的名字，3D打印技術(shù)和傳統(tǒng)制造技術(shù)有什么區(qū)別呢？

 

這里有一個不算特別貼切的比喻：傳統(tǒng)制造方式是做雕刻，不斷切掉你不想要的部分，最終得到想要的；3D打印有點 像蠶吐絲，通過一根根細絲的相互堆疊、積累，最終成為一個光潔的蠶繭。

 

> > > 3D打印的誕生 < < <

 

3D打印技術(shù)出現(xiàn)在1983年，發(fā)明人叫查克·赫爾（Chuck Hull）。

 

當年的赫爾在一家小企業(yè)工作，這家企業(yè)的主營業(yè)務(wù)是做桌子的硬質(zhì)涂層。具體來說，就是把一種液態(tài)的小分子涂在桌子表面，在使用紫外燈去照射時，這些小分子會相互連接，聚合成大分子，從而發(fā)生固化，變?yōu)閳怨痰谋Ｗo層。

 

這些小分子叫做“光敏聚合物”，這個反應(yīng)過程就叫做“ 光固化” [2] 。

 

赫爾每天在公司里撥弄著各種各樣的紫外線燈，日復一日地看著那些分子見光凝固。有那么一天，他突然想到，如果能夠讓紫外線一層一層地掃在光敏聚合物的表面上，將這成百上千的薄層疊加在一起，他就能夠制造任何可以想象的三維物體了。

 

此情此景，像極了牛頓挨了蘋果砸，瓦特見到了燒水壺。

 

“這真是個碉堡的主意！”雖然沒有歷史記載，但當時赫爾心里一定浮現(xiàn)的是這句話。因為他立刻投入到了實踐中。

 

經(jīng)過一年的努力，終于，他把那個乍現(xiàn)的靈光變成了現(xiàn)實：他開發(fā)了一個系統(tǒng)， 通過控制光線的射入，讓光敏聚合物在容器中逐漸的固化，從而形成預先設(shè)計的形狀 。

 

他將這種工藝命名為 立體平版印刷 [1] 。

 

就這樣，帶著這個土氣的名字，第一件3D打印的模型，誕生了。

 

2014年， 查克·赫爾作為“ 3D 打印之父 ” 入選了美國的發(fā)明家名人堂。這份名人堂的名單中，還包括愛因斯坦、愛迪生和喬布斯。

 

（赫爾和他的3D打印系統(tǒng)，圖片來源： 3D Systems）

 

> > > 五花八門的3D打印技術(shù) < < <

 

隨著人們逐漸意識到這項技術(shù)的潛力，故事也開始朝著有趣方向不斷演進。

 

如果說3D打印是一個江湖，那么，幾個名門大派，都有著自己的獨特功法。

 

首先，在赫爾申請專利的同一年，美國Helisys公司發(fā)明了分層實體制造技術(shù)，簡稱為LOM，工藝流程是 把片材切割并粘合成型 [2] 。

 

不知道你們看沒看過科技館里的人體組織切片，就是把標本切成一片片的再展示出來。分層實體制造與這個過程恰好相反，就是先做好一片片材料的形狀，之后直接把這些片層整合到一起。

 

LOM工藝的一個問題是需要把原材料預先做成薄片，于是這項工藝的使用范圍就變得十分有限，大多時候，只是用來做些紙的模型。

 

5年之后，也就是1988年，美國人斯科特克倫普發(fā)明了熔融沉積成型技術(shù) （FDM），從而把3D打印推廣到了金屬領(lǐng)域。 [3] 他先把材料加熱到剛剛?cè)刍臓顟B(tài)，之后把液態(tài)材料直接噴出來，迅速冷卻成型。這聽起來有點像做糖人。

 

FDM雖然簡便了很多，但是也存在著局限，就是所用的材料熔點不能太高，要不然設(shè)備都燒著了，材料還沒成液態(tài)呢。以至于FDM只能用在一些塑料和低熔點金屬上。

 

不過僅僅一年之后，美國德克薩斯大學奧斯汀分校的學者就解決了這一問題，他們發(fā)明了 選擇性激光燒結(jié)技術(shù) （SLS） [1] 。 SLS的原理也很粗暴，它的原料是粉末狀的，之后直接利用高強度激光把粉末燒結(jié)在一起。這誰頂?shù)米“。吭倥５慕饘僖布懿蛔〖す獍。?

 

后來SLS經(jīng)過改進，已經(jīng)能輕松實現(xiàn)鈦合金、鈷鎳合金等材料的3D打印過程，而這些合金都是飛機或飛船上的關(guān)鍵材料。

 

（激光3D打印金屬零件示意圖，圖片來源：Machine35.com）

 

近些年，3D打印技術(shù)更是不斷地改進與完善，原材料已經(jīng)囊括了塑料、金屬、陶瓷，甚至生物細胞等。

 

雖然這些技術(shù)五花八門，但內(nèi)核仍然是赫爾的思路，即—— 把材料直接堆疊成自己想要的形狀 。

 

> > > 百花齊放的3D打印應(yīng)用 < < <

 

當3D打印能夠處理任何原料之后，剩下的限制，就是人類的想象力了。

 

如今，我們迎來了3D打印應(yīng)用百花齊放的時代。

 

首當其沖的就是工業(yè)領(lǐng)域 。很多產(chǎn)品的設(shè)計之所以不能量產(chǎn)，是因為量產(chǎn)的模具太貴了，經(jīng)不起試錯。有了3D打印，直接一次成型，極大降低了試錯成本，如此一來，很多小眾的設(shè)計都能有了嘗試的機會。

 

再有就是個人訂制產(chǎn)品 ，比如衣服和鞋子等等。人生來各異，買衣試鞋總免不了反復尋覓。有了3D打印，就能夠做到量體裁衣。

 

（阿迪達斯推出的3D打印球鞋，圖片來源：adidas.com）

 

當然，科學家們把目光放得更遠，他們甚至想 打印生命。

 

2017年，日本的科學家們3D打印了一個肝臟，并成功移植進了大鼠體內(nèi) [4] 。 2018年12月份，俄羅斯宇航員在空間站中打印了一份生物器官——一個老鼠甲狀腺。據(jù)說效果還不錯，因為失重的狀態(tài)有利于控制材料的成型 [5] 。

 

2018年，3D打印人體領(lǐng)域也取得了一個大突破。來自英國的研究人員成功做出了一批3D打印的人眼角膜。他們發(fā)明了 一種由藻酸鹽和膠原蛋白組成的“生物墨水”，把這種生物墨水與人類的角膜干細胞混合在一起，就可以作為原料，3D打印出人類的眼角膜 [6] 。

 

（3D打印人工眼角膜和它的發(fā)明者，圖片來源：騰訊）

 

5.

> > > 來自中國的可穿戴3D打印設(shè)備 < < <

 

3D打印在很多特種微型設(shè)備上，也有著巨大的應(yīng)用潛力。近日，Wiley旗下的《先進科學》雜志（Advanced Science）發(fā)表了中國科學院蘇州納米所與天津大學合作的一篇論文。

 

研究人員用3D打印做出了一種纖維狀的集成電子器件 [7] 。 這種電子器件， 看起來就是一根“線”，但卻能實現(xiàn)準確的溫度測量 。與大塊的平面器件相比，它更具柔性且更節(jié)省空間。

 

為了做出這根電子器件，首先要有 電源 。一般來講，基本的電源至少有三部分，分別是正極、負極和電解液。在一根線上怎么做出這三種結(jié)構(gòu)呢？這里就需要借助3D打印技術(shù)。

 

（(a)3D打印做纖維狀電源的示意圖，(b、c)工作中的3D打印機，(d)打印出來的纖維狀電極材料，直徑不到半毫米 。圖片來源：參考文獻 [6]）

 

首先，將正負電極的原料分別配成溶液，也就是3D打印的“墨水”。隨后，使用3D打印機，直接繪制出纖維狀的電極。緊接著，在這兩根“線”電極的外表面打印上一層固態(tài)的電解質(zhì)。

 

于是，我們就得到了兩根“線”，分別是包裹了電解液的正極和負極。我們再像擰麻花一樣，把這兩根線擰到一起，就成了一個完整的電化學電源。

 

電源有了之后，再如法炮制，做出一條纖維狀的傳感器。雖說是傳感器，但本質(zhì)是一根還原氧化石墨烯的纖維。這種還原氧化石墨烯，簡稱叫rGO，具有在不同溫度下的電阻會發(fā)生變化的特性。將富含rGO的“墨水”通過3D打印的噴頭，我們就能得到一根打印出來的傳感器“線”。

 

將上面組好的電源和這根氧化石墨烯纏繞在一起，就可以做成一套完整的溫度傳感器了。

 

（直接將3D打印出來的電源與傳感器擰在一起，就得到了一個完整的電子器件。 圖片來源：參考文獻 [6]）

 

研究人員發(fā)現(xiàn)，這根“線”能夠?qū)?0℃-80℃范圍的溫度變化做出很好的反饋， 每攝氏度的誤差只有不到2% 。

 

把這種纖維狀器件，編織進貼身衣物，就可以實時監(jiān)測人的體溫變化，幫助我們了解自己的身體健康狀況，在疾病預防方面發(fā)揮潛力。

 

這種快速、低成本的3D打印技術(shù)為 柔性、可穿戴纖維狀器件 提供了新的機遇 [7] 。

 

 

> > > 當然，你也可以 < < <

 

現(xiàn)如今，3D打印已經(jīng)從王謝堂前燕，飛入了尋常百姓家。

 

打開購物網(wǎng)站，搜索“3D打印機”，就能買到小型的家用機，價格跟一臺電腦差不多。

 

不過，家用的型號只能以塑料和一些小分子為原料，因為這些材料加工起來更為容易，也更安全。

 

（外國網(wǎng)友自制3D打印遠古三葉蟲，圖片來源：ZOL.com）

 

如果你想打印些更酷炫的金屬零件的話，那么，你需要一臺激光金屬3D打印機。

 

可能會貴一點。

 

emmm...

 

只要 300萬 。

 

 

不過，包郵啊……

 

作者名片

排版：大慶

參考文獻：

[1] Ambrosi, A., & Pumera, M. (2016). 3D-printing technologies for electrochemical applications. Chemical Society Reviews, 45(10), 2740-2755.

[2] Ligon, S. C., Liska, R., Stampfl, J., Gurr, M., & Mülhaupt, R. (2017). Polymers for 3D printing and customized additive manufacturing. Chemical reviews, 117(15), 10212-10290.

[3] Layani, M. , Wang, X. , & Magdassi, S. . (2018). Novel materials for 3d printing by photopolymerization. Advanced Materials, 1706344.

[4] 九州大學科學家成功將生物3D打印肝芽移植到大鼠體內(nèi), 搜狐網(wǎng)， http://www.sohu.com/a/201375456_105964

[5] 歷史性突破！俄在太空首次3D打印生物材料，人民網(wǎng)，http://sn.people.com.cn/BIG5/n2/2018/1207/c346932-32380440.html

[6] 首個3D打印人類眼角膜問世 未來大批量移植不是夢,騰訊網(wǎng)，http://tech.qq.com/a/20180531/045584.htm

[7] Zhao, J., Zhang, Y., Huang, Y., Xie, J., Zhao, X., Li, C., ... & Li, Q. (2018). 3D Printing Fiber Electrodes for an All‐Fiber Integrated Electronic Device via Hybridization of an Asymmetric Supercapacitor and a Temperature Sensor. Advanced Science, 1801114.

張飛和先進制造有關(guān)系嗎？有，3D（三弟）打印啊！

圖文簡介

現(xiàn)如今，3D打印已經(jīng)從王謝堂前燕，飛入了尋常百姓家。