3D打印:无所不能的未来?

2013年03月13日 08:00   来源:光明日报   王水平

日本某企业生产的一款3D打印机,看起来更像一台普通的台式打印机。资料图片

欧洲某企业生产的一款3D打印机,图片中间是打印出来的玩具兔子。资料图片

  神奇的3D打印

  2012年4月,英国著名杂志《经济学人》报道称“3D打印将推动第三次工业革命”。而著名科技杂志《连线》十月刊则将《3D打印机改变世界》作为封面报道。在《福布斯》杂志《3D打印是否在改变这个世界》一文中,作者假想了一个3D打印大显身手的情景:

  你正在一艘横渡太平洋的集装箱货船上前往旧金山海岸的港口。低速的引擎驱动着巨大的船体努力而绝望地追赶着交货时间。引擎的震动在船体间回荡,轻轻地摇晃着你进入梦乡。正在这时,你的机轮长叫醒你并告诉你一个不幸的消息——PLS泵的供给阀失效了,现在你的船成了一个漂浮在水面上的巨大铁块。作为船长,你并不知道PLS泵是什么,但是从机轮长烦躁的语气和沮丧的表情中,你明白了,他没有备用零件去替换它,也无法在这艘船上制作一个如此复杂的零件。你的货物注定要延迟了,等待你的将是各种催命的卫星电话……

  3D打印在这种情况下,成为一个可能的解决方案。如果我们把这艘船上的每一个零件,从螺母到螺栓,包括最复杂的引擎部件的3D CAD(计算机辅助设计)文件,都存储在电脑上,在任何零件损坏的时候,使用一台3D打印机,就可以在几分钟到几个小时的时间里按照需求“打印”出相应的零件,一切难题就迎刃而解了。

  令人兴奋的是,这些情景很快就会从假想变成现实。据本月1日Tech Crunch报道,世界首款3D打印汽车Urbee 2面世了,它是一款混合动力汽车,绝大多数零部件来自3D打印。要注意的是,这次不是玩具,而是真正能开上马路的汽车。

  3D打印的神奇之处还在于,它甚至可以用实验室培养出来的细胞介质打印出一块真正的鲜肉或一段人体器官,或用糖物质混合物打印出一个完整的血管组织,这对推动临床医学以及人体器官移植等方面的发展,有极其重要的研究价值。据英国《每日邮报》上月5日报道,英国研究人员首次用3D打印机打印出胚胎干细胞,干细胞鲜活且保有发展为其他类型细胞的能力。研究人员说,这种技术或可制造人体组织以测试药物、制造器官乃至直接在人体内打印细胞。使用3D打印技术打印人体器官的另一个好处是,它用的材料是人体细胞尤其是病人的自体细胞,这会减少排斥的可能性。

  什么是3D打印?

  “打印”这个词本身,在传统意义上,是二维(2D)的,本质上是将二维的信息转移到平面上去的过程。但是,任何一个三维的物体,总是能划分成一系列具有有限厚度的二维平面的总和。所以打印三维物体,只需分层进行,每一层与传统意义的打印是一致的,只是每一层的厚度应当远小于三维物体的特征尺寸,再通过打印所用的“油墨”层层粘合并固化。

  具体来说,传统的打印就如使用普通打印机打印一封信:轻点电脑屏幕上的“打印”按钮,一份数字文件便被传送到一台喷墨打印机上,它将一层墨水喷到纸的表面以形成一副二维图像。而在3D打印时,软件通过电脑辅助设计技术(CAD)完成一系列数字切片,并将这些切片的信息传送到3D打印机上,后者会将连续的薄型层面堆叠起来,直到一个固态物体成型。3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是实实在在的原材料和特殊的胶水。

  事实上,3D打印属于快速成型技术(Fast Prototyping)的一种,它的专业说法应该是“增材制造”技术(Additive Process),包括快速原型制造技术和高性能金属构件直接制造技术两大类。

  现在媒体报道的3D打印制造技术,主要是指快速原型制造技术。这项技术上世纪80年代就开始发展起来了,包括“3D打印”、“立体印刷”、“叠层实体造型”、“熔融沉积造型”、“选择性激光烧结”等五大类。主要制造由树脂、石蜡、陶瓷等材料组成的尺寸较小的原型样件或模型,这些原型样件原则上不能直接用于装备制造,但可以缩短新产品研制周期,降低产品研发和制造成本。

  高性能金属构件直接制造技术主要采用高功率激光束(或电子束)对粉末或丝材进行逐层熔化、快速凝固逐层堆积、直接制造出全致密高性能金属零部件,具有无需重型锻造装备及锻造模具、材料利用率高、加工量小、柔性高效等优点,被誉为是一种“革命性”的短周期、低成本、数字化制造技术。因为使用铣削加工等传统制造方法进行成型时,要从大块物料中去除不需要的部分,造成对物料的浪费。以飞机上使用的钛合金整体叶盘为例,锻件毛坯重量为1500公斤,经过加工切削打磨后,最终零件则只有100公斤,只利用了原有材料的6.67%。而使用3D打印制造同样的部件,只有极少的后续步骤从制成部件上去除材料,使得材料的利用率极大地提高。

  瓶颈与挑战

  有人说,3D打印的价值开始显现在想象力驰骋的各个领域,3D打印正让“天马行空”转变为“脚踏实地”的可能,人们利用3D打印为自己所在的领域贴上了个性化的标签。从较为普遍的制造业如模具制造、工业生产、医疗、军事、汽车、建筑等行业,到更高端精尖的技术,如航空航天、生物工程、纳米技术、克隆技术、食品加工、3D电影及动漫等行业,尽管3D打印的应用前景为世人看好,但目前仍然面临着许多技术上的挑战。美国一项研究曾将其面临的主要问题归纳为以下几个方面:材料的刻画,材料的研制,过程控制问题,过程的建模与分析,机器的验证与标准,机器的模块化构造与组合,设计工具与软件。其中最难解决的就是材料问题。3D打印的一切优点都必须建立在可打印材料的选择范围足够多的前提之上。目前,不但能够用于3D打印的材料非常有限,主要为塑料、陶瓷等容易塑形的材料,而且很多材料的强度和硬度都无法达到预期。

  人类的发展总是伴随着双刃宝剑披荆斩棘冲刺前进的。同样,3D打印带来的变革不仅仅是正面的,还有负面的。这个万能制造机在满足人们各种各样的个性化需求的同时,也会不可避免地带来麻烦。

  安全隐患:枪械机件的数码模型是十分容易传播的,也许一个“.STL”文件装入U盘就能让万能制造机制造出极具杀伤性的武器,这着实会让人大捏一把冷汗。

  盗版问题:从信息共享时代就吃尽苦头的创作人士找了好久才摸索到了盈利机制,如今3D打印来了,人们将再次面临新的版权问题——因为彩色复印机解决不了的防伪问题,3D打印轻而易举就“打印”实现了。当然,当赝品泛滥充斥时,真品就显得弥足珍贵了。或许我们应当趁现在多收藏些。

  道德与伦理混乱:2D平面时代,偷拍、艳照已经足够令人恐慌,如今3D时代来临,偷透扫、偷拍、平面照片直接转为3D等高科技的民用化将让人们防不胜防——透视扫描一个人体简直就是秒杀。应当忧虑出现打印人像嫁接成不雅照从而成为网购热卖商品的现象。医学上往往有益的应用,比如医学修复、整形、骨植、义肢等等无疑能帮助人们摆脱疾病与残疾的困扰。但邪恶的想象一定会让人类生出恶魔的翅膀,人兽更加难辨、雌雄更加难分,怪异变造人或人造人就此出现。这在人类身上可能还会有所收敛,但在动物身上一定会变本加厉地出现。邪恶的动物变造、把动物变成人类,会否成为3D打印时代的生态呢?

  也许,3D打印机的魅力,就在于你确定它会引发颠覆,却不知道具体是颠覆什么。

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(责任编辑:刘晨)