張飛和先進位造有關係嗎？有，3D（三弟）列印啊！

　　圓的方塊 發表於  2019-04-03 11:58

　　|· 本文來自「我是科學家」·|

　　辦公室里的印表機，為什麼只有腦子最笨的張飛會用，而劉備和關羽不行？

　　——因為3D（三弟）列印呀。

　　今天，咱們聊聊這項技術。

　　什麼是3D列印？ 3D列印，我們或多或少地都聽說過，甚至也見過一些3D列印出來的精巧構件。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列印作品，圖片來源：Sina.com

　　這幾年來，加諸於3D列印的名頭實在太多——「引領下一次工業革命」、「顛覆傳統製造業」、「未來科技」等等。

　　在試圖了解一項技術之前，最好是先撥去籠罩在它之上的光環。

　　3D列印本質上只是一種製造技術，它還有一個學名，叫增材製造，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麼氣勢了？

　　那麼，去掉炫酷的名字，3D列印技術和傳統製造技術有什麼區別呢？

　　這裡有一個不算特別貼切的比喻：傳統製造方式是做雕刻，不斷切掉你不想要的部分，最終得到想要的；3D列印有點像蠶吐絲，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列印的誕生

　　3D列印技術出現在1983年，發明人叫查克·赫爾（Chuck Hull）。

　　當年的赫爾在一家小企業工作，這家企業的主營業務是做桌子的硬質塗層。具體來說，就是把一種液態的小分子塗在桌子表面，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，從而發生固化，變為堅固的保護層。

　　這些小分子叫做「光敏聚合物」，這個反應過程就叫做「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。有那麼一天，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，他就能夠製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，但當時赫爾心裡一定浮現的是這句話。因為他立刻投入到了實踐中。

　　經過一年的努力，終於，他把那個乍現的靈光變成了現實：他開發了一個系統，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列印的模型，誕生了。

　　2014年， 查克·赫爾作為「3D 列印之父」入選了美國的發明家名人堂。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列印系統，圖片來源：3D Systems

　　五花八門的3D列印技術

　　隨著人們逐漸意識到這項技術的潛力，故事也開始朝著有趣方向不斷演進。

　　如果說3D列印是一個江湖，那麼，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公司發明了分層實體製造技術，簡稱為LOM，工藝流程是把片材切割並粘合成型[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。分層實體製造與這個過程恰好相反，就是先做好一片片材料的形狀，之後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，於是這項工藝的使用範圍就變得十分有限，大多時候，只是用來做些紙的模型。

　　5年之後，也就是1988年，美國人斯科特克倫普發明了熔融沉積成型技術（FDM），從而把3D列印推廣到了金屬領域。[3]他先把材料加熱到剛剛熔化的狀態，之後把液態材料直接噴出來，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，要不然設備都燒著了，材料還沒成液態呢。以至於FDM只能用在一些塑料和低熔點金屬上。

　　不過僅僅一年之後，美國德克薩斯大學奧斯汀分校的學者就解決了這一問題，他們發明了選擇性激光燒結技術（SLS）[1]。 SLS的原理也很粗暴，它的原料是粉末狀的，之後直接利用高強度激光把粉末燒結在一起。這誰頂得住啊？再牛的金屬也架不住激光啊！

　　後來SLS經過改進，已經能輕鬆實現鈦合金、鈷鎳合金等材料的3D列印過程，而這些合金都是飛機或飛船上的關鍵材料。

　　

　　激光3D列印金屬零件示意圖，圖片來源：Machine35.com

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

　　雖然這些技術五花八門，但內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列印應用

　　當3D列印能夠處理任何原料之後，剩下的限制，就是人類的想象力了。

　　如今，我們迎來了3D列印應用百花齊放的時代。

　　首當其衝的就是工業領域。很多產品的設計之所以不能量產，是因為量產的模具太貴了，經不起試錯。有了3D列印，直接一次成型，極大降低了試錯成本，如此一來，很多小眾的設計都能有了嘗試的機會。

　　再有就是個人訂製產品，比如衣服和鞋子等等。人生來各異，買衣試鞋總免不了反覆尋覓。有了3D列印，就能夠做到量體裁衣。

　　

　　阿迪達斯推出的3D列印球鞋，圖片來源：adidas.com

　　當然，科學家們把目光放得更遠，他們甚至想列印生命。

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

　　2018年，3D列印人體領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列印的人眼角膜。他們發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幹細胞混合在一起，就可以作為原料，3D列印出人類的眼角膜[6]。

　　

　　3D列印人工眼角膜和它的發明者，圖片來源：騰訊

　　來自中國的可穿戴3D列印設備

　　3D列印在很多特種微型設備上，也有著巨大的應用潛力。近日，Wiley旗下的《先進科學》雜誌（Advanced Science）發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列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。在一根線上怎麼做出這三種結構呢？這裡就需要藉助3D列印技術。

　　

　　(a)3D列印做纖維狀電源的示意圖，(b、c)工作中的3D印表機，(d)列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列印的「墨水」。隨後，使用3D印表機，直接繪製出纖維狀的電極。緊接著，在這兩根「線」電極的外表面列印上一層固態的電解質。

　　於是，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。

　　電源有了之後，再如法炮製，做出一條纖維狀的感測器。雖說是感測器，但本質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生變化的特性。將富含rGO的「墨水」通過3D列印的噴頭，我們就能得到一根列印出來的感測器「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感測器了。

　　

　　直接將3D列印出來的電源與感測器擰在一起，就得到了一個完整的電子器件。圖片來源：參考文獻[6]

　　研究人員發現，這根「線」能夠對30℃-80℃範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，在疾病預防方面發揮潛力。

　　這種快速、低成本的3D列印技術為柔性、可穿戴纖維狀器件提供了新的機遇[7]。

　　當然，你也可以

　　現如今，3D列印已經從王謝堂前燕，飛入了尋常百姓家。

　　打開購物網站，搜索「3D印表機」，就能買到小型的家用機，價格跟一台電腦差不多。

　　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。

　　

　　外國網友自製3D列印遠古三葉蟲，圖片來源：ZOL.com

　　

如果你想列印些更酷炫的金屬零件的話，那麼，你需要一台激光金屬3D印表機。

　　可能會貴一點。

　　emmm...

　　只要300萬。

　　

　　不過，包郵啊……

　　(編輯：Yuki)