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3D打印机有CNC加工中心无法比拟的优点

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3D打印机有CNC加工中心无法比拟的优点

由成龙主演的电影《十二生肖》有这样一个情节:被盗走的国宝十二生肖头像数据被电脑扫描后,一模一样的兽首就可以从一台神奇的机器上制造出来。——这个情节简单地介绍了3D打印的流程,看上去似乎很简单,并没有什么特别。

3D打印机究竟是什么原理呢?它和传统打印机有何区别?和雕刻技术又有何不同?

说起它的原理,其实一点都不复杂,其运作原理和传统打印机工作原理基本相同,也是用喷头一点点“磨”出来的。只不过3D打印它的喷的不是墨水,而是液体或粉末等“打印材料”,利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置。通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来,最终把计算机上的蓝图变成实物。

对此,技术人员王宏伟把它比喻成切西瓜和叠西瓜的过程,“你可以想象一下,这里有一个西瓜被电脑扫描了之后,它的身高、体重、三围都有很详细的数据了,然后在根据这个数据把西瓜分割成无数个薄薄的横截面,3D打印机就是把这些无数个横截面叠加成一个西瓜的过程。”

3D打印过程就像切西瓜和拼西瓜

这里的“西瓜切片”要比我们实际所见的西瓜片薄很多,据王宏伟介绍说,目前根据使用材料的不同,3D打印的切片最薄的达到16微米,也就是0.016毫米,相当于比我们头发直径的一半还要薄,用肉眼是看不到的。如此精细的工艺,还主要集中在3D制造工艺相对成熟的国外产品上,而国内3D打印机的切片厚度通常都在0.178毫米以上。

当然,如此轻薄的切层,想要堆积起来并不是一件容易的事儿,目前实现堆叠薄层的技术也多种多样,王宏伟简单地介绍了两种技术方法:“有一种叫立体光刻,比如以色列3D打印机,就是将一层极薄的液态塑料物质喷在铸模托盘上,然后经紫外线处理,托盘依次下降极小的一层,以供下一层堆叠上来。因为这种技术要求非常精细,因此生产出来的样品不需要打磨,表面就非常光滑。”此外,王宏伟把常用的“熔积成型”比喻成“挤牙膏”:“牙膏管的口就类似3D打印机的喷头,牙膏就类似3D打印的原材料,原材料在喷头内经过熔化,最后沉积成塑料纤维形成薄层。”

简单而言,3D打印机做的是“加法”,把一层一层叠加起来形成成品,而传统的模具制造采用的是雕刻手法,在一整块材料上,把不需要的部分剔除最后成型。显然,前者更加环保,也更加有效率。

国内可用材料有限,主要打印工业塑料

跟传统打印机不同的是,3D打印机使用的材料并非是“墨水”,而是液态或者粉末材料。据王宏伟介绍说,目前国内研发的3D打印机能使用的材料非常有限,主要是具有高强度、耐冲击、耐热度等特点的工业塑料,集中在PC和PC-ABS

这两种。这两种材料在日常生活中的应用非常广泛,例如工地上的安全帽和汽车上的方向盘,都有可能是这两种材料制造的。

不过,3D打印材料在国外的研发则更为多样和先进,除了上述材料,国外3D打印机还会使用光敏树脂、金属、石膏、生物陶瓷等材料。美国就有研究人员用磷酸钙生物陶瓷曾经打印出人体骨骼,并在小狗身上做了实验,小狗完好地生存了下来。

今年2月,美国康奈尔大学发表报告称,利用3D打印机打印出人造耳朵。那么,这种人体器官又是用什么材料制造而成呢?

据悉,美国康奈尔大学研究人员首先利用快速旋转的3D相机拍摄数名儿童现有耳朵的三维信息,然后将其输入计算机,3D打印机会据此打印出耳朵模子。研究人员在模子中注入特殊的胶原蛋白凝胶,这种凝胶含有能生成软骨的牛耳细胞。此后数周内,软骨逐渐增多并取代凝胶。3个月后,模子内出现一个具有柔韧性的人造外耳,其功能和外表均与正常人耳相似。

除此之外,英国也有机构在尝试通过3D打印机来打造人体的干细胞,从而突破诸多医学难题。不过,对此,董事长、研究员李耀堂就表示:“3D打印离人体器官实用化的道路非常漫长,例如一个肾脏,结构非常复杂,很多血管,这些东西目前是无法打印出来的。”