神奇的3D打印

    2012年4月，英國(guó)著名雜志《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》報(bào)道稱“3D打印將推動(dòng)第三次工業(yè)革命”。而著名科技雜志《連線》十月刊則將《3D打印機(jī)改變世界》作為封面報(bào)道。在《福布斯》雜志《3D打印是否在改變這個(gè)世界》一文中，作者假想了一個(gè)3D打印大顯身手的情景：

    你正在一艘橫渡太平洋的集裝箱貨船上前往舊金山海岸的港口。低速的引擎驅(qū)動(dòng)著巨大的船體努力而絕望地追趕著交貨時(shí)間。引擎的震動(dòng)在船體間回蕩，輕輕地?fù)u晃著你進(jìn)入夢(mèng)鄉(xiāng)。正在這時(shí)，你的機(jī)輪長(zhǎng)叫醒你并告訴你一個(gè)不幸的消息——PLS泵的供給閥失效了，現(xiàn)在你的船成了一個(gè)漂浮在水面上的巨大鐵塊。作為船長(zhǎng)，你并不知道PLS泵是什么，但是從機(jī)輪長(zhǎng)煩躁的語(yǔ)氣和沮喪的表情中，你明白了，他沒(méi)有備用零件去替換它，也無(wú)法在這艘船上制作一個(gè)如此復(fù)雜的零件。你的貨物注定要延遲了，等待你的將是各種催命的衛(wèi)星電話……

    3D打印在這種情況下，成為一個(gè)可能的解決方案。如果我們把這艘船上的每一個(gè)零件，從螺母到螺栓，包括最復(fù)雜的引擎部件的3D CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）文件，都存儲(chǔ)在電腦上，在任何零件損壞的時(shí)候，使用一臺(tái)3D打印機(jī)，就可以在幾分鐘到幾個(gè)小時(shí)的時(shí)間里按照需求“打印”出相應(yīng)的零件，一切難題就迎刃而解了。

    令人興奮的是，這些情景很快就會(huì)從假想變成現(xiàn)實(shí)。據(jù)本月1日Tech Crunch報(bào)道，世界首款3D打印汽車Urbee 2面世了，它是一款混合動(dòng)力汽車，絕大多數(shù)零部件來(lái)自3D打印。要注意的是，這次不是玩具，而是真正能開(kāi)上馬路的汽車。

    3D打印的神奇之處還在于，它甚至可以用實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)出來(lái)的細(xì)胞介質(zhì)打印出一塊真正的鮮肉或一段人體器官，或用糖物質(zhì)混合物打印出一個(gè)完整的血管組織，這對(duì)推動(dòng)臨床醫(yī)學(xué)以及人體器官移植等方面的發(fā)展，有極其重要的研究?jī)r(jià)值。據(jù)英國(guó)《每日郵報(bào)》上月5日?qǐng)?bào)道，英國(guó)研究人員首次用3D打印機(jī)打印出胚胎干細(xì)胞，干細(xì)胞鮮活且保有發(fā)展為其他類型細(xì)胞的能力。研究人員說(shuō)，這種技術(shù)或可制造人體組織以測(cè)試藥物、制造器官乃至直接在人體內(nèi)打印細(xì)胞。使用3D打印技術(shù)打印人體器官的另一個(gè)好處是，它用的材料是人體細(xì)胞尤其是病人的自體細(xì)胞，這會(huì)減少排斥的可能性。

什么是3D打??？

    “打印”這個(gè)詞本身，在傳統(tǒng)意義上，是二維（2D）的，本質(zhì)上是將二維的信息轉(zhuǎn)移到平面上去的過(guò)程。但是，任何一個(gè)三維的物體，總是能劃分成一系列具有有限厚度的二維平面的總和。所以打印三維物體，只需分層進(jìn)行，每一層與傳統(tǒng)意義的打印是一致的，只是每一層的厚度應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)小于三維物體的特征尺寸，再通過(guò)打印所用的“油墨”層層粘合并固化。

    具體來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的打印就如使用普通打印機(jī)打印一封信：輕點(diǎn)電腦屏幕上的“打印”按鈕，一份數(shù)字文件便被傳送到一臺(tái)噴墨打印機(jī)上，它將一層墨水噴到紙的表面以形成一副二維圖像。而在3D打印時(shí)，軟件通過(guò)電腦輔助設(shè)計(jì)技術(shù)（CAD）完成一系列數(shù)字切片，并將這些切片的信息傳送到3D打印機(jī)上，后者會(huì)將連續(xù)的薄型層面堆疊起來(lái)，直到一個(gè)固態(tài)物體成型。3D打印機(jī)與傳統(tǒng)打印機(jī)最大的區(qū)別在于它使用的“墨水”是實(shí)實(shí)在在的原材料和特殊的膠水。

    事實(shí)上，3D打印屬于快速成型技術(shù)（Fast Prototyping）的一種，它的專業(yè)說(shuō)法應(yīng)該是“增材制造”技術(shù)（Additive Process），包括快速原型制造技術(shù)和高性能金屬構(gòu)件直接制造技術(shù)兩大類。

    現(xiàn)在媒體報(bào)道的3D打印制造技術(shù)，主要是指快速原型制造技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)上世紀(jì)80年代就開(kāi)始發(fā)展起來(lái)了，包括“3D打印”、“立體印刷”、“疊層實(shí)體造型”、“熔融沉積造型”、“選擇性激光燒結(jié)”等五大類。主要制造由樹(shù)脂、石蠟、陶瓷等材料組成的尺寸較小的原型樣件或模型，這些原型樣件原則上不能直接用于裝備制造，但可以縮短新產(chǎn)品研制周期，降低產(chǎn)品研發(fā)和制造成本。

    高性能金屬構(gòu)件直接制造技術(shù)主要采用高功率激光束（或電子束）對(duì)粉末或絲材進(jìn)行逐層熔化、快速凝固逐層堆積、直接制造出全致密高性能金屬零部件，具有無(wú)需重型鍛造裝備及鍛造模具、材料利用率高、加工量小、柔性高效等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為是一種“革命性”的短周期、低成本、數(shù)字化制造技術(shù)。因?yàn)槭褂勉娤骷庸さ葌鹘y(tǒng)制造方法進(jìn)行成型時(shí)，要從大塊物料中去除不需要的部分，造成對(duì)物料的浪費(fèi)。以飛機(jī)上使用的鈦合金整體葉盤為例，鍛件毛坯重量為1500公斤，經(jīng)過(guò)加工切削打磨后，最終零件則只有100公斤，只利用了原有材料的6.67%。而使用3D打印制造同樣的部件，只有極少的后續(xù)步驟從制成部件上去除材料，使得材料的利用率極大地提高。

瓶頸與挑戰(zhàn)

    有人說(shuō)，3D打印的價(jià)值開(kāi)始顯現(xiàn)在想象力馳騁的各個(gè)領(lǐng)域，3D打印正讓“天馬行空”轉(zhuǎn)變?yōu)椤澳_踏實(shí)地”的可能，人們利用3D打印為自己所在的領(lǐng)域貼上了個(gè)性化的標(biāo)簽。從較為普遍的制造業(yè)如模具制造、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療、軍事、汽車、建筑等行業(yè)，到更高端精尖的技術(shù)，如航空航天、生物工程、納米技術(shù)、克隆技術(shù)、食品加工、3D電影及動(dòng)漫等行業(yè)，盡管3D打印的應(yīng)用前景為世人看好，但目前仍然面臨著許多技術(shù)上的挑戰(zhàn)。美國(guó)一項(xiàng)研究曾將其面臨的主要問(wèn)題歸納為以下幾個(gè)方面：材料的刻畫(huà)，材料的研制，過(guò)程控制問(wèn)題，過(guò)程的建模與分析，機(jī)器的驗(yàn)證與標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)器的模塊化構(gòu)造與組合，設(shè)計(jì)工具與軟件。其中最難解決的就是材料問(wèn)題。3D打印的一切優(yōu)點(diǎn)都必須建立在可打印材料的選擇范圍足夠多的前提之上。目前，不但能夠用于3D打印的材料非常有限，主要為塑料、陶瓷等容易塑形的材料，而且很多材料的強(qiáng)度和硬度都無(wú)法達(dá)到預(yù)期。

    人類的發(fā)展總是伴隨著雙刃寶劍披荊斬棘沖刺前進(jìn)的。同樣，3D打印帶來(lái)的變革不僅僅是正面的，還有負(fù)面的。這個(gè)萬(wàn)能制造機(jī)在滿足人們各種各樣的個(gè)性化需求的同時(shí)，也會(huì)不可避免地帶來(lái)麻煩。

    安全隱患：槍械機(jī)件的數(shù)碼模型是十分容易傳播的，也許一個(gè)“.STL”文件裝入U(xiǎn)盤就能讓萬(wàn)能制造機(jī)制造出極具殺傷性的武器，這著實(shí)會(huì)讓人大捏一把冷汗。

    盜版問(wèn)題：從信息共享時(shí)代就吃盡苦頭的創(chuàng)作人士找了好久才摸索到了盈利機(jī)制，如今3D打印來(lái)了，人們將再次面臨新的版權(quán)問(wèn)題——因?yàn)椴噬珡?fù)印機(jī)解決不了的防偽問(wèn)題，3D打印輕而易舉就“打印”實(shí)現(xiàn)了。當(dāng)然，當(dāng)贗品泛濫充斥時(shí)，真品就顯得彌足珍貴了?；蛟S我們應(yīng)當(dāng)趁現(xiàn)在多收藏些。

    道德與倫理混亂：2D平面時(shí)代，偷拍、艷照已經(jīng)足夠令人恐慌，如今3D時(shí)代來(lái)臨，偷透掃、偷拍、平面照片直接轉(zhuǎn)為3D等高科技的民用化將讓人們防不勝防——透視掃描一個(gè)人體簡(jiǎn)直就是秒殺。應(yīng)當(dāng)憂慮出現(xiàn)打印人像嫁接成不雅照從而成為網(wǎng)購(gòu)熱賣商品的現(xiàn)象。醫(yī)學(xué)上往往有益的應(yīng)用，比如醫(yī)學(xué)修復(fù)、整形、骨植、義肢等等無(wú)疑能幫助人們擺脫疾病與殘疾的困擾。但邪惡的想象一定會(huì)讓人類生出惡魔的翅膀，人獸更加難辨、雌雄更加難分，怪異變?cè)烊嘶蛉嗽烊司痛顺霈F(xiàn)。這在人類身上可能還會(huì)有所收斂，但在動(dòng)物身上一定會(huì)變本加厲地出現(xiàn)。邪惡的動(dòng)物變?cè)?、把?dòng)物變成人類，會(huì)否成為3D打印時(shí)代的生態(tài)呢？

    也許，3D打印機(jī)的魅力，就在于你確定它會(huì)引發(fā)顛覆，卻不知道具體是顛覆什么。（本報(bào)記者 王水平）