您当前的位置: 首页 > 教育

欢迎来到3D打印的未来

2018-09-15 12:00:45

在北京市计算中心的一间办公室里,一台灰色机器在黑暗中嗡嗡作响。这个差不多有办公桌大小的家伙,看起来像个笨头笨脑的旧式洗衣机。其中的工作台和喷头,就像我们看牙医时张大嘴巴露出的牙齿,呆呆地冲向前方。

可是,当这个笨拙的“大嘴巴”合拢起来,只要轻轻按下“打印”键,过上一两个小时,它就会像机器猫的神奇口袋那样,吐出各式各样的稀奇玩意儿:同等比例的人体牙床,有12个齿轮的多边仪器,柔软的运动鞋底,坚硬的头像雕像……如果你愿意,它甚至可以吐出一座原模原样的迷你版“大觉寺”!

这是一台来自以色列的3D打印机。目前,这一技术已经实现了打印出一部分建筑外墙、味道堪比鲜肉的人造猪肉,甚至是人体毛细血管。这项只有25年历史的技术也被英国的《经济学人》周刊评价为,将“与其他数字化生产模式一起,推动第三次工业革命的实现”。

“3D打印机将来不是要取代某一个制造业,而是要取代几乎所有的制造业。”作为世界首个公布3D打印机开源数据信息的科学家,英国工程学家阿德里安·鲍耶对中国青年报记者表示,“未来你想要什么,只需下载图纸,按一下"打印"键,就可以去喝咖啡听音乐了,剩下的所有事,请统统交给打印机。”

要是所有模型都能用打印机打出来,那可就好了

虽然所学的专业是机械设计,工程师向磊却能像个魔术师一样,变出庄严肃穆的大雄宝殿、惟妙惟肖的无量寿佛……他只需要走到这台价值100多万元人民币的3D打印机前,轻轻按下“开始”键。

不过在此之前,他还要绘出可供3D打印机识别的“图纸”。这种存储在电脑里的模型图,展示了被打印物体的精确数据。如果想要做出一个实际中存在的物体,只需要通过一个长得像电吹风机的扫描设备,就可以将其转换成电脑屏幕上的模型图。

接下来,再将“图纸”发送到3D打印机上,就可以等待立体打印品的出炉了。这一过程依托的是美国发明家恰克·赫尔创立的“光固化快速成型术”。1986年,他提出可以通过逐层叠加薄层,利用紫外线固化后形成固体模型。

当时恰克只有47岁。这位费时费力做模型的发明家,冒出这样一个主意要是所有模型都能用打印机打出来,那可就好了!

如今,这已经不是遥不可及的事。一旦接到指令,大嘴巴模样的打印机就会立刻亮起光来,隔着透明罩的内部工作台上的UV灯放射出紫外线。与此同时,8个比绣花针针头还小的打印喷头来回移动,每个喷头上面有60个小孔,像打水枪一样向工作台上喷射着一层又一层的液态打印材料,先进的机器可以达到每层最薄的只有0.025毫米。

这些打印材料装在汽油桶大小的容器里,它们决定了成品的质地。目前的3D打印技术大多使用的是树脂、尼龙、塑料或者石膏材料。但实验室也传出越来越多的成功案例,包括支持钛、不锈钢或沙土材料的打印技术。这么一来,打印飞机、汽车甚至是可以居住的房间,都不再遥远。

由于对光敏感,在紫外线灯照射下,刚刚喷上的液态树脂会迅速固化,就这样一层层累积变成固体。在原本已经空着的部分,喷头会喷上可溶于水的支撑材料。

就这样来来回回一层层地累积,不断下沉的工作台上面会积出一个树脂模型。这时候工程师回到这间小屋,从“大嘴巴”里取出这个模型,到隔壁的阳台上用高压水枪冲洗掉附着在模型上面的支撑材料,就这样,不管图纸上的模型有多复杂,3D打印机都能忠诚地打印出来。根据模型大小不同,整个过程大约会花掉两到数十个小时。

未来3D打印技术就像傻瓜相机一样,人人都会操作

为了让更多人明白3D打印技术的原理,身为专利拥有者的赫尔还特意拍了一部短片。短片里的他还是黑白参差的头发,坐在贴满计划书的书桌前,背后还有一个听筒粗大的老式电话,严肃地说:“我们正在研发一种技术,能够把你在电脑屏幕上看到的图像迅速转化成实体。”

跟北京市计算中心略显笨重的3D打印机不同,赫尔的打印机如同一个咖啡机,白色的激光针头像一支削尖了笔头的铅笔,对着装满蓝色液体的杯子来回移动,发出滋滋的声音,过不了一会儿,如同魔术一般,一个成型的立体小杯子从蓝色液体里面浮出水面。

“等会儿,这短片拍摄于……25年前?!”在这则视频短片底下写着这样一条留言。“原来3D打印在25年前就实现了?”

事实上,实现3D打印实体的技术还有许多。除了赫尔提出主流技术光固化快速成型术,还有熔融积沉成型术、选择性激光烧结术等。只不过长久以来,由于成本高达数万甚至数十万美元,这项技术只是小范围地运用在工业产品设计上。

2004年,还在英国巴斯大学教书的阿德里安看到了这项研究。这位热心人士趁着课余时间写了篇文章,发表在巴斯大学的网站上,希望有人能够普及推广这项技术。

“我本来只是想告诉大家,这里有个好主意,结果我在学校路上遇到的每个人都对我说,为什么你不做呢?”阿德里安一边冲着咖啡,一边笑眯眯地告诉中国青年报记者, “后来我想了想,那我就来试试吧!”

在他的领导下,一项叫做Reprap的3D打印项目在2006年诞生。这个项目的含义就是“实现自我复制打印”,设计者希望通过“自我复制打印”,让世界上更多的人拥有3D打印的能力,“只要一个人买了一台Reprap机器,它可以自我复制第二台、第三台甚至更多,送给这个人的朋友,最后大家都可以用得上3D打印机”。

他用生物学家的名字称呼自己的机器,第一代机器叫做“达尔文”,后来还有“孟德尔”和“赫胥黎”,“生物是一个自我复制繁殖的过程,我们也是”。

虽然阿德里安创办了公司,但这个教书匠似乎并没学会商人的精打细算。他花了好一会儿时间才听明白关于销售利润的提问,然后迟疑地回答:“我们本来就没有打算要赚钱!”

他说,应该让更多人接触到3D打印这项技术,参与到这场变革中。阿德里安开源了3D打印机的数据,任何人都可以在他的网站上获得相关信息。

现在,阿德里安的技术已经实现了相对低成本。相对于北京市计算中心购置的100多万元人民币大设备,他的设备只需要300美元(折合1892元人民币)。尽管如此,他依然不满意,因为目前组装设备的技术只有专业人士才能做到,“以后的技术应该像傻瓜相机一样,人人都会”。

“好多人问我什么时候这些愿望能够实现,我和这地球上其他的70亿人一样想知道答案。”阿德里安说,“我已经老了,我没办法也没有精力继续我的研究。可我发自内心地相信,这项充满生命力的技术,普及的那一天一定会到来。”

伟大发明所能带来的影响,在当时那个年代都是难以预测的,3D打印机也是如此

阿德里安梦想实现的这一天,也许比想象中更近。现在只要变换打印材料,就可以打印出不同材质的东西,五花八门的成果层出不穷。

“如果你有设计图,现在也有建筑打印机可以为你打印出一个小房间,只不过目前能实现的最大尺度只有5米左右,那房子估计有点窄。”阿德里安打趣地说。

颇为知名的3D建筑打印机是由意大利发明家恩里科·迪尼推出的,它有6米长、6米高,比一般的3D打印机都要大。“除非打出小部件然后拼接,否则3D打印机总要比所打设备更大,这是它的一个缺点。”迪尼说。

跟其他3D打印机基本原理一样,它也是通过一层层累积打印材料,把电脑上的虚拟图像变成固体实物。只不过建筑打印机打出的并不是只有0.025毫米的薄层液态材料,而是厚达50毫米的沙土,固定后可形成立体建筑。

迪尼打印建筑的过程并不需要混凝土,而是普通的沙土和特殊的无机粘结剂,通过喷头逐层喷射混合,构成坚固的墙壁,建筑里的空间也喷满了沙土,但没有喷射粘结剂,所以当混合过粘结剂的沙土构成建筑形态后,这些没有参与构造的细沙会自动脱落,可以留给下一次建筑循环利用。

迪尼已试验打出了一部分建筑外墙。他还研究着如何把打印材料变成月球尘埃,一旦成功,今后人们就可以在月球上快速建造基地。

不过,到目前为止,3D打印依然是一项成本高昂的烧钱投资。按照北京市计算中心的打印规格,每1克的成品大概报价100元人民币左右。怀抱着“打印房子”梦想的迪尼,早已经被滚雪球似的债务问题缠身。

“伟大发明所能带来的影响,在当时那个年代都是难以预测的,1750年的蒸汽机如此,1450年的印刷术如此,1950年的晶体管也是如此。”《经济学人》评价道,“我们仍然无法预测,3D打印机将在漫长的时光里如何改变这个世界。”

阿德里安喜欢跟人这样举例:30年前,我想举办一个派对,需要印很多请柬,我只能去工厂,当时打印机很有限,但是现在几乎人人家里都有打印机,自己在家就能做请柬。当3D打印机可以进入普通人生活的时候,许多愿望就可以自己实现。

“在不久的未来,也许我们可以拥有一个没有工厂、没有商店的世界,大家都是设计师,人人都是制造商,只要身边摆一台3D打印机,你就可以得到你想要的东西。”阿德里安说。

不锈钢方锹
低反弹海绵床垫图片
外滩花园图片
推荐阅读
图文聚焦