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分类: 工业

3D打印——改变世界的新浪潮

周功耀 / 中国3D打印技术产业联盟副理事长、美国Drexel大学教授 / 2015-11-23

但植物光合作用只需要光、水和空气,光合作用之后形成的生物能源,稍加变化就是燃料。所以,我们希望利用3D打印构造出树叶的结构,模拟光合作用。


3D打印是快速成型技术的一种,又称增材制造,以数字三位CAD模型设计文件为基础,运用高能束源或其他方式,直接构造出物体的技术。被称为“一项正在改变世界的浪潮,一个革命性的技术”。

3D打印有什么作用?

总的来说,第一是可以打印任何材料。传统的机械加工,只能用钢、铁、铜,只能用金属,但3D打印机现在任何材料都可以打印,塑料、木材、玻璃、生物材料、彩色石膏、金属、陶瓷、食品材料、建筑材料如水泥,现在都已经不是问题。

第二是可以塑造任何产品,武器、食物(巧克力、肉)服饰甚至房子、桥梁。汽车和飞机以前只能打印外壳,现在,很多内部部件也可以打印,不久的将来,或许就可以一次性打印出整台汽车。所以我说3D打印可以制造任何产品。

第三是它可以应用到任何领域。有人认为3D打印主要用于制造业,但实际不是这样。比如在医疗领域,现在的技术不仅可以模拟人体的骨骼、肌肉和器官,还可以进行生物打印。在科学研究方面,可以用3D打印出虚拟太空用于空间研究;在考古活动中,用3D打印史前物体模型;现在提琴、吉他和笛子这些乐器都可以打印出来。甚至梵高的画,原来是平面的,现在我们用3D打印把它变成立体的。所以,它的应用绝不仅仅是制造工业产品。

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第四是任何人群都可以使用3D打印,它改变的是整个社会,而不仅仅是制造业。在以往,技术革命只和工程师、企业有关。但现在,任何人,不管男女老少,都可以接触3D打印。这个技术的发明者美国人xxx把它的整个技术公开放在网上,这叫做开源。任何人都可以下载,自己购买零件来组装。现在的小学生都在使用3D打印机上课了。美国总统奥巴马2012年在美国国务卿会议上说3D打印将来要改变世界,改变美国的经济,他要求把人力、精力、资金用到3D打印上来。在那之后,中国现在也掀起了3D打印的热潮。

一台最简单的3D打印机,20年前在美国可能要卖到几十万美元,但现在只需要几千元人民币, 开始进入人们的家庭。未来,每个家庭都可能拥有一台甚至几台3D打印机,用于打印食品、服装、玩具。而未来的工厂又是什么样子?实际上可能已经不再需要其他机器,不需要各种各样的模具,3D打印机可以用分层堆叠的方式,从二维一层一层地变成三维,作出任何形状的物体来,所见即所得,而传统注模方法形状稍微复杂一点,就很难实现。

医疗实际上是3D打印最有前途的领域。人和物品不同,每个人的身体都不同,要实现真正的个性化医疗,首先要了解病人的身体结构,我们用X光或CT为病人做了透视之后,根据成像用3D打印模拟出病人生病位置或器官的模型,有了这样的实体医疗模型,医生就可以非常直观地进行测量、分析,对症医治。

一个患上气管萎缩的孩子,或者面部骨骼受损的孩子,可以使用3D打印的方法做出人工的气管和骨骼,使损伤得到修复。3D打印可以解决大量类似的问题,很多金属或塑料材料的植入物与人体相斥,采用可生物降解的高分子材料打印的植入物则可以在功能完成后,在体内自动降解,不会造成副作用。缓解老年人心血管堵塞的心脏支架就可以用到这样的技术。目前医疗领域最具创新性的研究是器官打印。

在机械加工领域,目前最好的3D打印机精度可以达到微米和纳米级别。用一台纳米打印机打印的埃菲尔铁塔,直径只有100个微米,而且细节都要打印得很准确。

3D打印前沿速览

3D打印在美国出现的时候,我刚刚在美国取得博士学位,于是就开始研究3D打印。1996年时,我和团队发明了用快速成型技术进行模具制造的方法,论文发表在1998年的美国众多学术期刊和会议中,到了2003年4月,专利得到批准。简单的说,快速成型技术进行模具制造,就是用电脑上的CAD软件设计一个模型,之后将模型用3D打印机打印出真实的立体模型,用金属粉末将实体模型包裹之后,再把模型抽去,留下腔体,经过高温烧制、抛光,金属粉末融合为整体,就变成了模具。把这个模具安装在工业注塑机上,就可以大规模地生产同样形状的产品了。

我们的第二个重要成果,是利用多排多阵列3D打印机技术复杂生物组织的微孔反模快速成型制造,2003年在美国提出来的。多排多阵列3D打印机技术包含多个控制矩阵阵列喷头,可以直接与电脑连接,设计打印多个复杂结构。例如肝脏,毛细血管等复杂生物结构时候,先制作反模,再浇筑有机物,通过去掉反模,快速得到需要的结构。顺便提一下,生物打印材料也很关键,因为现成可用于3D打印的材料不存在,而且要与人体想匹配,最终能够降解,我主要做生物3D打印,所以材料都要自己设计。

目前一个更具创新性的3D打印项目得到了美国自然科学基金的大量资助,我称之为人工光合作用系统的制造过程。这个项目的想法最初来源于全球能源问题。太阳能是很好的资源,但用太阳能板发电,转换率很低,制造过程还会对环境产生影响。但植物光合作用只需要光、水和空气,光合作用之后形成的生物能源,稍加变化就是燃料。所以,我们希望利用3D打印构造出树叶的结构,模拟光合作用。但其实,3D打印完全可以很好地做到。只要喷头设计的足够精细,就可以把每一层打印的很细密,模拟出树叶的管道和分层结构,利用特殊的生物材料,让太阳光、水和二氧化碳在这些结构中进行光合作用,合成人类需要的能量。

现在已经有人专注在做4D打印,简单说一下4D打印的原理,就是3D打印出来的物体,利用其材料特殊性,在被施加一种能量——可以是水、光、电——刺激后,就会发生形状变化。即在三维之上,在时间位移这个第四维上,发生了性状的变化。用3D打印出的薄薄的纸片,浇上水后就变成了摇摆的椅子;一个简单的环形项链,加上能量之后,就出现了漂亮的花纹;一件婚纱太大太复杂,可以把它的形状和褶皱都设计在一个特殊的结构中,3D打印出来只有体积很小,需要用时,用光或电作用一下,就可以展开成为完整的婚纱。这就是4D打印。

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结束之前,跟大家讲一个3D打印领域更加令人震惊的革命,那就是CLIP技术,它的问世,可令3D打印速度提升100倍。——传统3D打印技术使用液态树脂逐层堆叠,一层固化后再进行下一层,具有速度慢,表面粗糙等特点。CLIP(Continuous Liquid Interface Production)技术即“连续液界面生产工艺”,利用光和氧气连续地从树脂材料中逐出模型,而非传统的逐层打印。利用这种技术,一个原本要用10个小时打印的物体,可能只需几分钟就能完成。所以现在这个技术拿到了很多投资,很多大的制造厂家对此都欣喜如狂。

(本文由赵川锐根据周功耀11月18日在上海交通大学的演讲整理而成,演讲组织方“德稻演讲”(微信号:detao_lecture)致力于对世界先进文化的采集和传播,与来自25个国家的500多位世界顶级行业冠军人物签约合作,演讲主题包括设计、建筑与艺术、数字媒体和动画、社会与人文、科学与技术、文化与创造力等。)



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