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科技:今天的3D打印發展到什麽程度了?

2020-06-01

科研進展正在改變著這項曾經的利基技術的麵貌。

一個金屬平台從一片液態樹脂中升起來,隨之出現了一個精致的白色模型——就像一個光滑的物體從一片瀉湖中逐漸現身。

這是世界上最快的樹脂3D打印服務,它可以在幾小時內打印出與人體尺寸相當的結構。這台高速樹脂3D立體打印機由美國西北大學的化學家Chad Mirkin及其同事研發,並在去年十月報到了這一研究成果[1],這是3D打印領域的重大突破,拓寬了這一原本隻能製造小型低精度原型零件的技術的應用範圍。3D打印技術不僅變得更快、打印尺寸更大,同時科學家們還提出一係列創造性的技術改進手段,研發出強度更高的材料,甚至在單一產品上混合了多種材料進行打印。

Chad MirKin位於美國西北大學的實驗室中有一台樹脂打印機,它可以在幾小時內製造出與人體尺寸相當的結構。圖片來源:西北大學。

運動服裝廠、航空航天製造商和醫療器械公司都十分渴望有效利用3D打印的優勢。哈佛大學的材料科學家Jennifer Lewis說:“雖然短期內我們還不能在家裏快速打印出修理汽車所需的零件,但這一技術已被主流製造公司采用。”

這項最新技術也有望給研究人員帶來經濟收益,像 Lewis 和 Mirkin一樣,他們中的很多人已經開始對自己的成果進行商業化的嚐試。英國謝菲爾德大學的冶金學家Iain Todd表示:“3D打印技術的進步可以讓我們通過超乎想象的方式來利用這些材料,這讓材料科學家們十分興奮,也將讓人們逐漸習慣於3D打印的全新事物。”

從零件到產品

三維打印也被稱為增材製造,與從整塊的原料切削和磨削製造或從利用熔融金屬和模具進行鑄造的傳統工藝流程不同,3D打印是一種自底向上的製造過程。它具有較低的材料消耗和高度的定製化能力,能夠製造像網格這樣傳統方法難以製造的複雜結構。

業餘愛好者使用的低成本機器通過將塑料成份的原料線源源不斷送入加熱後的噴嘴中,隨後噴嘴將融化後的塑料不斷擠出,一層接一層地向上構建設計的結構,這也被稱為熔融沉積成型工藝(fused deposition modelling,FDM)。但3D打印所涵蓋的技術遠遠不止於此,最早的方法之一就是利用紫外激光對光敏樹脂進行逐層掃麵固化,這一概念可以追溯到1984年Chars Hu[2]的專利,他同時也是美國南卡羅來納州3D Systems公司的創始人。

最新的3D打印技術,包括Mirkin的技術在內,仍然在使用光敏樹脂,但隨著北卡羅來納大學教堂山分校的化學家、材料科學家Joseph DeSimone領導的團隊在2015年報告出改進方法後[3],3D打印的速度和尺寸都有了大幅提升。早期的3D打印機速度較慢,打印的尺寸較小,並且容易產生分層、有瑕疵的脆弱結構。這種打印技術隻能有限地應用於快速原型設計,為基於傳統方法的正式生產製造塑料模型。作為研究領域來說,這種打印技術還無法令研究人員滿意,澳大利亞墨爾本莫納什大學的高分子科學家Timothy Scott表示:“用這種方法隻能製造一些小零件和小玩意兒,那對於一個高分子化學家來說十分無趣。”


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