张飞和先进制造有关系吗?有,3D(三弟)打印啊!

泰州生活网 2019-12-02

张飞和先进制造有关系吗?有,3D(三弟)打印啊!

作者:圆的方块

编辑:Yuki

办公室里的打印机,为什么只有脑子最笨的张飞会用,而刘备和关羽不行?

——因为3D(三弟)打印呀。

今天,咱们聊聊这项技术。

>>>什么是3D打印?<<<

3D打印,我们或多或少地都听说过,甚至也见过一些3D打印出来的精巧构件。不过要往深了说,大部分人都说不出个所以然。

张飞和先进制造有关系吗?有,3D(三弟)打印啊!

一个典型的3D打印作品,图片来源:Sina.com

这几年来,加诸于3D打印的名头实在太多——“引领下一次工业革命”、“颠覆传统制造业”、“未来科技”等等。

在试图了解一项技术之前,最好是先拨去笼罩在它之上的光环。

3D打印本质上只是一种制造技术,它还有一个学名,叫增材制造,以前它还有个更土的名字,叫快速成型[1]。

是不是瞬间感觉没什么气势了?

那么,去掉炫酷的名字,3D打印技术和传统制造技术有什么区别呢?

这里有一个不算特别贴切的比喻:传统制造方式是做雕刻,不断切掉你不想要的部分,最终得到想要的;3D打印有点像蚕吐丝,通过一根根细丝的相互堆叠、积累,最终成为一个光洁的蚕茧。

>>>3D打印的诞生<<<

3D打印技术出现在1983年,发明人叫查克·赫尔(Chuck Hull)。

当年的赫尔在一家小企业工作,这家企业的主营业务是做桌子的硬质涂层。具体来说,就是把一种液态的小分子涂在桌子表面,在使用紫外灯去照射时,这些小分子会相互连接,聚合成大分子,从而发生固化,变为坚固的保护层。

这些小分子叫做“光敏聚合物”,这个反应过程就叫做“光固化”[2]。

赫尔每天在公司里拨弄着各种各样的紫外线灯,日复一日地看着那些分子见光凝固。有那么一天,他突然想到,如果能够让紫外线一层一层地扫在光敏聚合物的表面上,将这成百上千的薄层叠加在一起,他就能够制造任何可以想象的三维物体了。

此情此景,像极了牛顿挨了苹果砸,瓦特见到了烧水壶。

“这真是个碉堡的主意!”虽然没有历史记载,但当时赫尔心里一定浮现的是这句话。因为他立刻投入到了实践中。

经过一年的努力,终于,他把那个乍现的灵光变成了现实:他开发了一个系统,通过控制光线的射入,让光敏聚合物在容器中逐渐的固化,从而形成预先设计的形状

他将这种工艺命名为立体平版印刷[1]。

就这样,带着这个土气的名字,第一件3D打印的模型,诞生了。

2014年, 查克·赫尔作为“3D 打印之父”入选了美国的发明家名人堂。这份名人堂的名单中,还包括爱因斯坦、爱迪生和乔布斯。

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赫尔和他的3D打印系统,图片来源:3D Systems

>>>五花八门的3D打印技术<<<

随着人们逐渐意识到这项技术的潜力,故事也开始朝着有趣方向不断演进。

如果说3D打印是一个江湖,那么,几个名门大派,都有着自己的独特功法。

首先,在赫尔申请专利的同一年,美国Helisys公司发明了分层实体制造技术,简称为LOM,工艺流程是把片材切割并粘合成型[2]。

不知道你们看没看过科技馆里的人体组织切片,就是把标本切成一片片的再展示出来。分层实体制造与这个过程恰好相反,就是先做好一片片材料的形状,之后直接把这些片层整合到一起。

LOM工艺的一个问题是需要把原材料预先做成薄片,于是这项工艺的使用范围就变得十分有限,大多时候,只是用来做些纸的模型。

5年之后,也就是1988年,美国人斯科特克伦普发明了熔融沉积成型技术(FDM),从而把3D打印推广到了金属领域。[3]他先把材料加热到刚刚熔化的状态,之后把液态材料直接喷出来,迅速冷却成型。这听起来有点像做糖人。

FDM虽然简便了很多,但是也存在着局限,就是所用的材料熔点不能太高,要不然设备都烧着了,材料还没成液态呢。以至于FDM只能用在一些塑料和低熔点金属上。

不过仅仅一年之后,美国德克萨斯大学奥斯汀分校的学者就解决了这一问题,他们发明了选择性激光烧结技术(SLS)[1]。 SLS的原理也很粗暴,它的原料是粉末状的,之后直接利用高强度激光把粉末烧结在一起。这谁顶得住啊?再牛的金属也架不住激光啊!

后来SLS经过改进,已经能轻松实现钛合金、钴镍合金等材料的3D打印过程,而这些合金都是飞机或飞船上的关键材料。

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激光3D打印金属零件示意图,图片来源:Machine35.com

近些年,3D打印技术更是不断地改进与完善,原材料已经囊括了塑料、金属、陶瓷,甚至生物细胞等。

虽然这些技术五花八门,但内核仍然是赫尔的思路,即——把材料直接堆叠成自己想要的形状

>>>百花齐放的3D打印应用<<<

当3D打印能够处理任何原料之后,剩下的限制,就是人类的想象力了。

如今,我们迎来了3D打印应用百花齐放的时代。

首当其冲的就是工业领域。很多产品的设计之所以不能量产,是因为量产的模具太贵了,经不起试错。有了3D打印,直接一次成型,极大降低了试错成本,如此一来,很多小众的设计都能有了尝试的机会。

再有就是个人订制产品,比如衣服和鞋子等等。人生来各异,买衣试鞋总免不了反复寻觅。有了3D打印,就能够做到量体裁衣。

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阿迪达斯推出的3D打印球鞋,图片来源:adidas.com

当然,科学家们把目光放得更远,他们甚至想打印生命。

2017年,日本的科学家们3D打印了一个肝脏,并成功移植进了大鼠体内[4]。2018年12月份,俄罗斯宇航员在空间站中打印了一份生物器官——一个老鼠甲状腺。据说效果还不错,因为失重的状态有利于控制材料的成型[5]。

2018年,3D打印人体领域也取得了一个大突破。来自英国的研究人员成功做出了一批3D打印的人眼角膜。他们发明了一种由藻酸盐和胶原蛋白组成的“生物墨水”,把这种生物墨水与人类的角膜干细胞混合在一起,就可以作为原料,3D打印出人类的眼角膜[6]。

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3D打印人工眼角膜和它的发明者,图片来源:腾讯

>>>来自中国的可穿戴3D打印设备<<<

3D打印在很多特种微型设备上,也有着巨大的应用潜力。近日,Wiley旗下的《先进科学》杂志(Advanced Science)发表了中国科学院苏州纳米所与天津大学合作的一篇论文。

研究人员用3D打印做出了一种纤维状的集成电子器件[7]。这种电子器件,看起来就是一根“线”,但却能实现准确的温度测量。与大块的平面器件相比,它更具柔性且更节省空间。

为了做出这根电子器件,首先要有电源。一般来讲,基本的电源至少有三部分,分别是正极、负极和电解液。在一根线上怎么做出这三种结构呢?这里就需要借助3D打印技术。

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(a)3D打印做纤维状电源的示意图,(b、c)工作中的3D打印机,(d)打印出来的纤维状电极材料,直径不到半毫米。图片来源:参考文献[6]

首先,将正负电极的原料分别配成溶液,也就是3D打印的“墨水”。随后,使用3D打印机,直接绘制出纤维状的电极。紧接着,在这两根“线”电极的外表面打印上一层固态的电解质。

于是,我们就得到了两根“线”,分别是包裹了电解液的正极和负极。我们再像拧麻花一样,把这两根线拧到一起,就成了一个完整的电化学电源。

电源有了之后,再如法炮制,做出一条纤维状的传感器。虽说是传感器,但本质是一根还原氧化石墨烯的纤维。这种还原氧化石墨烯,简称叫rGO,具有在不同温度下的电阻会发生变化的特性。将富含rGO的“墨水”通过3D打印的喷头,我们就能得到一根打印出来的传感器“线”。

将上面组好的电源和这根氧化石墨烯缠绕在一起,就可以做成一套完整的温度传感器了。

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直接将3D打印出来的电源与传感器拧在一起,就得到了一个完整的电子器件。图片来源:参考文献[6]

研究人员发现,这根“线”能够对30℃-80℃范围的温度变化做出很好的反馈,每摄氏度的误差只有不到2%

把这种纤维状器件,编织进贴身衣物,就可以实时监测人的体温变化,帮助我们了解自己的身体健康状况,在疾病预防方面发挥潜力。

这种快速、低成本的3D打印技术为柔性、可穿戴纤维状器件提供了新的机遇[7]。

>>>当然,你也可以<<<

现如今,3D打印已经从王谢堂前燕,飞入了寻常百姓家。

打开购物网站,搜索“3D打印机”,就能买到小型的家用机,价格跟一台电脑差不多。

不过,家用的型号只能以塑料和一些小分子为原料,因为这些材料加工起来更为容易,也更安全。

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外国网友自制3D打印远古三叶虫,图片来源:ZOL.com

如果你想打印些更酷炫的金属零件的话,那么,你需要一台激光金属3D打印机。

可能会贵一点。

emmm...

只要300万

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不过,包邮啊……

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作者名片

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排版:大庆

参考文献:

[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] 九州大学科学家成功将生物3D打印肝芽移植到大鼠体内, 搜狐网, http://www.sohu.com/a/201375456_105964

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

[6] 首个3D打印人类眼角膜问世 未来大批量移植不是梦,腾讯网,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.