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未来世界的3D打印技术

        未来世界的某天清晨,在“叮铃铃”清脆的闹钟声中,毛小米伸了个懒腰,起床了。简单洗漱后,她站在穿衣镜前,从浮现的数据库里选择了一张红色连衣裙的照片,于是衣柜里响起了一阵“噼啪”的打印声。一会儿,小米打开衣柜,原本空空的衣柜里出现了一件与照片一模一样的连衣裙,因为是根据扫描自己的身材数据所打印的,衣服非常合身。连衣裙的材质使用了可重复打印的材料,可随时依照自己的喜好重新打印,不喜欢的还可以再换一种样子和颜色。换好衣服后,小米坐在餐桌前,“今天早上吃个美式早餐吧”,她说。餐桌的智能电脑识别出她的声音,便缓缓打开了,升起一盘打印好的人造培根和煎蛋。吃过早餐,她将tricorder(身体状况测试仪)放入嘴里,几秒钟后她的血糖、血氧、脉搏等数据就显示在眼前,一切正常,身体非常健康,于是小米开心地笑笑,走出了家门。她的房子是通过3D打印技术一次成型的,因此外观平滑,没有板材接缝,车库也是打印在房屋主体上的。车库内有一辆小轿车,车的外观是新近更换的红色打印外壳,小米想:“和我今天的裙子很配呀!”,高兴地坐进车内,按下一个按钮,扬尘而去。她在3D打印美容院工作,日常的工作就是利用顾客自己的细胞,生物打印一定形状的皮肤组织,从而帮助他们修复身上的疤痕。这是未来某个工作日的清晨,千千万万个普通人就这样走出家门,来到工作岗位。

这段对未来生活的展望都离不开一项技术的发展——3D打印(3D printing)。这是一种快速成型技术,正在逐渐被用于服装、奢侈品、设计、建筑、工程、汽车,航空航天、医疗、教育以及其他领域(图1)。具体地讲,3D打印技术是以分层的数字模型为基础,运用多种粉末状或液体材料,通过逐层固化成型的方式来构建具有复杂结构的物体。3D打印过程一般通过熔融沉积、光固化、挤压成型等技术实现(表1)。现在,一些具有高价值的零部件,已经开始使用这项技术成型。美国NASA甚至打算将3D打印机送上太空,供航天员随时使用。随着技术的逐渐进步,3D打印机的应用也越来越广泛,其价格也在逐年下降,正在逐步走进寻常百姓的生活,将在我们的生活中掀起一场革命。

 

1 3D打印技术分类

打印类型

使用方法

打印材料

挤压成型

熔融沉积式 (FDM

热塑性塑料、共晶系统金属、可食用材料

线状成型

电子束自由成形制造(EBF)

几乎任何合金

粒状成型

直接金属激光烧结(DMLS

几乎任何合金

电子束熔化成型(EBM

钛合金

选择性激光熔化成型(SLM)

钛合金、钴铬合金、不锈钢、铝

选择性热烧结(SHS

热塑性粉末

选择性激光烧结(SLS

热塑性塑料、金属粉末、陶瓷粉末

粉末层喷头

石膏3D打印 (PP)

石膏

层压成型

分层实体制造(LOM

纸、金属膜、塑料薄膜

光聚合成型

立体平板印刷(SLA

光固化树脂

数字光处理 (DLP)

光固化树脂

 

1 当前3D打印技术的广泛应用(图片综合来自网络)

 

3D打印机最早出现于上个世纪90年代中期,与普通打印机工作原理基本相近,即内装的液体或粉末材料,通过电脑控制被逐层打印在接收装置上,最后一层层地叠加起来,成为最终产品。但是,现有3D打印技术还存在着一些缺陷,其未来还有着远大的前景。随着它的进步,4D打印技术、连续液态界面打印CLIP)技术等大量新理念得到开发。

4D打印的概念早在2013年就已经被提出了,即打印出的材料可以随着时间的推移、环境的改变,打印成品可以和水、空气、温度产生互动,从而自动变形(图2)。根据设计,材料打印后可以自动折叠成相应的形状,因此可能被用于日用商品、生物医疗、航空航天工业等领域。例如,Nervous System2015年的“运动学连衣裙”上,展示了他们通过该技术打印的“运动学连衣裙”。现有的4D打印所用的材料为可记忆高分子材料,如慢回弹聚氨酯材料等,它的泡沫受外力作用产生变形后,不像一般海绵能够立即复原,而是缓慢地恢复原形而无残留变形,从而使它们所构建的物体“如机器般主动制作,而不是先设定好物体然后再制作”(麻省理工大学的Skylar Tibbits所描述)。

2 4D打印技术演示

(来源于MIT网页:http://www.sjet.us/MIT_4D%20PRINTING.html

 

而连续液态界面打印技术是解决了现有3D打印技术速度慢、表面粗糙的技术缺陷,从而登上了2015320Science杂志封面[1](图3)。CLIP技术利用光敏树脂在一定波长紫外线作用下固化,且该过程可以被环境中的氧气所抑制,这两个条件的平衡所完成,可以将打印速度提高数十倍。

3 连续液态界面打印技术登上了Science杂志封面[1]

 

未来,3D打印及其相关技术将会继续大踏步发展,被应用到我们的衣、食、住、行等各个领域,全面改变我们的生活,提高生活质量。

戴建武组孟庆圆

参考文献

[1] J. R. Tumbleston, D. Shirvanyants, N. Ermoshkin et al., “Additive manufacturing. Continuous liquid interface production of 3D objects,” Science, vol. 347, no. 6228, pp. 1349-52, Mar 20, 2015.

[2] M. P. Chae, D. J. Hunter-Smith, I. De-Silva et al., “Four-Dimensional (4D) Printing: A New Evolution in Computed Tomography-Guided Stereolithographic Modeling. Principles and Application,” J Reconstr Microsurg, vol. 31, no. 6, pp. 458-63, Jul, 2015.

[3] A. V. Do, B. Khorsand, S. M. Geary et al., “3D Printing of Scaffolds for Tissue Regeneration Applications,” Adv Healthc Mater, vol. 4, no. 12, pp. 1742-62, Aug, 2015.