張飛和先進製造有關係嗎?有,3D(三弟)列印啊!






作者:圓的方塊

編輯:Yuki

辦公室里的列印機,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。

張飛和先進製造有關係嗎?有,3D(三弟)列印啊!

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?

這里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像的三維物體了。

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,但當時赫爾心里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。

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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黏合成型[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只能用在一些塑膠和低熔點金屬上。

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,他們發明了選擇性雷射燒結技術(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雷射把粉末燒結在一起。這誰頂得住啊?再牛的金屬也架不住雷射啊!

後來SLS經過改進,已經能輕鬆做到鈦合金、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。

張飛和先進製造有關係嗎?有,3D(三弟)列印啊!

雷射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膠、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,就是人類的想像力了。

如今,我們迎來了3D列印應用百花齊放的時代。

首當其沖的就是工業領域。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。

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

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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,俄羅斯太空人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]。

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3D列印人工眼角膜和它的發明者,圖片來源:騰訊

5.

>>>來自中國的可穿戴3D列印設備<<<

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3D列印在很多特種微型設備上,也有著巨大的應用潛力。最近,Wiley旗下的《先進科學》雜誌(Advanced Science)發表了中國科學院蘇州奈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」,但卻能做到準確的溫度測量。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?這里就需要借助3D列印技術。

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(a)3D列印做纖維狀電源的示意圖,(b、c)工作中的3D列印機,(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列印機,直接繪制出纖維狀的電極。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,再如法炮制,做出一條纖維狀的傳感器。雖說是傳感器,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傳感器「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傳感器了。

張飛和先進製造有關係嗎?有,3D(三弟)列印啊!

直接將3D列印出來的電源與傳感器擰在一起,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,搜尋「3D列印機」,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膠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。

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外國網友自制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,你需要一台雷射金屬3D列印機。

可能會貴一點。

emmm…

只要300萬

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不過,包郵啊……

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作者名片

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排版:大慶

參考文獻:

[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] 九州大學科學家成功將生物3D列印肝芽移植到大鼠體內, 搜狐網, http://www.sohu.com/a/201375456_105964

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

[6] 首個3D列印人類眼角膜問世 未來大批量移植不是夢,騰訊網,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.

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包郵也買不起……

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