神奇的3D立体打印技术

来源:用户上传      作者: 本刊编辑部

　　最近，关于3D立体打印技术的新闻常常见诸报端。
　　
　　首辆“3D打印汽车”问世
　　据英国媒体报道，世界上第一辆“打印汽车”不久前在加拿大亮相，其耐用又环保时尚的特点令许多传统汽车都相形见绌。
　　这辆3D“打印汽车”名叫Urbee，是一辆三轮、双座混合动力车。它使用电池和汽油作为动力。虽然单缸发动机功率只有8马力，但由于其小巧轻便，最高时速可达112公里。
　　先进的3D立体打印技术不仅使Urbee具有时尚前卫的流线型外观，还减少了制造过程中对原材料的浪费，可谓是名副其实的环保车型。
　　与许多其他奇特的“新概念汽车”不同，这款汽车将会更加经久耐用，至少能使用30年。据估计，Urbee售价可能在5万美元左右，但批量生产后价格会下降。
　　该发明团队的负责人吉姆・科尔说：“可以说，这辆汽车的研发具有里程碑意义。”
　　
　　3D打印人造血管研制成功
　　无独有偶，德国科学家去年利用3D立体打印技术成功研制出了一种人造血管。该项研究成果将有望被用于人体试验和药物测试。
　　随着生物医疗技术的飞速发展，科学家们已经成功制造出了人造肠道和人造气管等小型人体器官。但大型人造器官的制造却频频遭遇瓶颈，其主要原因是缺乏制造毛细血管的相应技术，进而不能给大型人造器官输送必要的养料，也就不能维持其正常存活和运行。
　　经过多年的不懈探索，这一难题现在已经被德国弗劳霍夫研究所的科学家们攻克。他们运用化合高分子材料结合能够有效抵抗排异反应的生物分子制作出了一种特殊的“印刷墨水”，其印制出来的物质经化学反应后能够形成一种有弹性的固体，方便科学家根据人类血管构造将其雕塑成3D立体人造血管。
　　实际上，3D立体打印技术的精细度十分惊人。为了制造出相似度最高的人造血管，科学家还运用了双光子聚合技术，利用镭射光刺激人造血管材料分子交联化，之后将成形的血管植入细胞内壁。
　　据悉，此项研究成果将有力推动大型人体器官的制造。虽然移植人造器官的梦想还很遥远，不过人体器官制造技术的飞速发展可以给人类医学研究带来更有效、更人道的实验手段，譬如研发新药物时用人造器官取代动物来做实验。
　　
　　什么是3D打印技术？
　　那么，什么是3D打印技术？它的应用将会在哪些方面改变我们的生活呢？
　　虽然在多数人看来3D打印还是一个新生事物，其实在20年前3D打印设想已开始酝酿。在设计领域，许多人都知道3D计算机辅助设计（3D CAD）。从上世纪70年代诞生到现在，3D CAD 经历了几十年的发展，已经成为广大设计人员的有力工具之一和很多设计领域的重要标准。我们既可以轻易地用CAD设计和绘出外形复杂的机械零件图，也可以用它设计出整幢大厦的内外立体效果图。其实，人们从使用3D CAD 的那天起就希望方便地将设计“转化”为实物，因此也就有了发明3D打印机的必要。
　　所谓3D打印机就是可以“打印”出真实3D物体的一种设备，功能上与激光成型技术一样，采用分层加工、迭加成形，即通过逐层增加材料来生成3D实体。这与我们传统的制造工艺――我们总是用一块原材料通过切削磨等等各种手段，去除不要的部分――完全不同。称之为“打印机”，因为它参照了激光打印机的技术原理，而分层加工的过程与喷墨打印十分相似。
　　每一层的打印过程分为两步，首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水，胶水液滴本身很小，且不易扩散。然后是喷洒一层均匀的粉末，粉末遇到胶水会迅速固化黏结，而没有胶水的区域仍保持松散状态。这样在一层胶水一层粉末的交替下，实体模型将会被“打印”成型，打印完毕后只要扫除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末还可循环利用。
　　说得简单一点，3D打印是断层扫描（我们在医院常做的“CT”，实际上就是断层扫描）的逆过程，断层扫描是把某个东西“切”成无数叠加的片，3D打印就是一片一片地打印，然后叠加到一起，成为一个立体物体。
　　2010年3月，一位名为恩里科・迪尼的发明家设计并造出了这种神奇的3D打印机。据恩里科・迪尼介绍，这种打印机的原料主要是沙子。当打印机开始工作时，它的上千个喷嘴中会同时喷出沙子和一种镁基胶。这种特制的胶水会将沙子粘成像岩石一样坚固的固体，并形成特定的形状，然后只需要按照预先设定的形状一层层喷上这种材料，最终就可以“打印”一个完整的雕塑。
　　3D打印技术作为一种高科技技术，综合应用了CAD 技术、激光技术、光化学以及材料科学等诸多方面的技术和知识，让产品设计、建筑设计、工业设计、医疗用品设计等领域的设计者，第一时间方便轻松地获得全彩色实物模型，便于重新修订CAD 设计模型，从而节省了为某项错误设计制造工艺装备的费用，并节省了研制时间。
　　
　　家用3D打印机已售出3000台
　　2011年年初，在美国拉斯韦加斯商品贸易展上展出一款新颖设计――“3D塑料打印机”，它能够在数十分钟之内打印出三维塑料物体。以前，当家中洗碗机的塑料旋钮损坏时，或许你只好给生产厂商拨打电话，要求邮寄相关的零配件，最好的情况下也需要等待几周时间，在此期间人们只能改为手洗碗筷，但这款3D塑料打印机能够解决这一问题。3D塑料打印机可以打印出浴缸塞、塑料瓶、镜框、支架垫、螺帽，以及任何几何形状物体。
　　这款3D塑料打印机被称为“盒子工厂”，它能够在短短数十分钟内制造出任何三维形状塑料物体，这款新颖装置主要用于制造家庭厨房使用的一些零配件。据称，现已售出3000多台3D塑料打印机，不久它们将成为人们家庭中的得力助手。
　　目前，3D塑料打印机的售价为790英镑，仅限于制造较小的塑料配件，但该产品的设计师称，未来改良型设计将结合塑料合金，从而可以打印 按钮等电子元件。
　　这款产品设计者、纽约市Makerbot公司总裁布雷・佩特斯说：“我们希望该产品能够为普通家庭带来更多的便利！”3D塑料打印机所打印的塑料物体最大尺寸是：6英寸×6英寸×7英寸（1英寸约合2.54cm）。虽然还不能打印铰链那样的物体，却可以打印盒盖、管子和要求精准的几何物体。目前Makerbot公司可提供5000多种物体的3D图像打印模型。
　　用户将3D塑料打印机与计算机通过标准USB数据线连接，依据相关计算机软件指令将打印物体的指令传达至3D塑料打印机。该打印机能将普通塑料加热至200 ℃，然后喷射至打印机内的一个平台上，最终逐层地形成3D物体。任何多余的塑料毛边将通过化学试剂清洗除去，并且追加打磨处理。在拉斯维加斯商品贸易展上演示时，该打印机仅用30分钟便制造出一个开瓶器。
　　佩特斯称，这款3D塑料打印机对于家庭维修十分有用，使用者仅需测量受损物体尺寸，通过计算机模型即可打印出相关的物体。
　　此外，其他研制中的3D打印机可以制造出各种各样的东西：从形状复杂的结构模型、乐器、自行车到“美味佳肴”，以及上文提到的人体组织器官。
　　科学家正根据病人的细胞样本采用专用3D打印机制作人体器官组织
　　
　　3D打印技术的发展前景
　　现在看来，3D打印的应用趋势还没有特别明朗，我们所能看到的是，3D打印机在建筑设计、食品制作、微模型、复杂结构、零配件、趣味模型等领域已经有了一定的应用，通过3D打印机，能将电子化的三维模型快速成品化，缩短了模具开发的周期，节省了成本，在建筑设计、小商品设计、制造业是非常有意义的应用。
　　从市场了解得知，在国外市场，3D打印机已经是一类比较成熟的设备，按照输出物体的大小和材质不同，有小、中、大型等不同规格的立体打印机，价格也不一，这种打印机还有一个名字：快速成型机，也就是说3D打印机是为了快速形成特殊结构的物体所设计的。
　　该类设备有几个特点：体积小、速度快、价格便宜、易用性高，在珠宝首饰、鞋类、工业设计、建筑、汽车、航天、牙科及医疗方面都能得到广泛的应用。
　　目前市场上的3D立体打印机主要就是为了快速输出立体模型而设计的，包括一些特殊的结构（难以通过手工或机械工具完成），材料以泥沙、食物、树脂等可塑性的材料居多。还无法实现的金属、木质、石头等可塑性不太高的物品加工，可能成为未来3D打印机发展的方向之一。
　　理论上说，我们所能看见的几乎所有塑料制品都可以用打印机来进行生产，如果能突破原材料、成本、工艺、生产能力等限制，3D打印机在日用品市场将有可能掀起一场新的革命。

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