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3D打印到底是怎么回事?

文章来源:未知 作者: 发布时间:2015年01月01日 点击数: 字号:

    最近很多网友加我QQ问我,3D打印究竟是怎么回事呢?什么是3D打印呢?其实我也说不好,就借了搜狐的一篇文章借以说明3D打印到底是怎么回事!

   3D打印的本质是降维制造。


    D代表维度。三维打印只是一个通俗的说法。二维打印叫平面打印,而三维打印的说法,并不能完全解释三维打印的意义。像喷墨打印机喷出的粉末黏成一个立体图案,这个叫三维打印。而我们这个叫增材制造,也叫快速成型,还可以叫分层制造,更加科学的叫法是离散堆积。先把数学模型离散了,然后在物理环境下堆积起来。中间的过程,只需按下一个打印按钮,定义好是什么,打印出来的就是什么。

     这个“离散堆积”的基本制造方式是分层制造、降维制造。就是在计算机里把复杂的、三维成型的问题,简化成一个个二维的问题。用人工分层很复杂,例如脊椎的模型,里面的组织结构要人去算的话,很难,对于计算机就比较简单。在三维空间里,任何复杂的二维图形都能做出来,然后再堆积起来。

林峰

     日前,富士康董事长郭台铭呛声3D打印根本是个噱头,之后,畅销书《3D打印:从想象到现实》的作者胡迪·利普森与梅尔芭·库曼到访北京,表达“把3D打印用于大量生产不合适,富士康应该研究机器人生产而非3D打印”的观点。与此同时,美国两家代表性3D打印公司3D Systems和Stratsys,在最近一年中持续遭到资金热捧。连美国太空总署NASA都说要用3D打印技术在月球上打印一个太空基地。

关于3D打印的消息纷纷扰扰,那么,3D打印到底怎么回事儿?日前,本报记者对清华大学机械工程系教授、博士生导师林峰进行了专访。

3D打印有多玄乎

    山西晚报:日前媒体报道3D打印机能打印枪支了,还能连发6发子弹。后来又听说英国为一脸部残疾的男子打印出半张脸,美国为一位小朋友打印了一只耳朵。这是真的吗?

    林峰:“打印一只耳朵,打印半张脸”,这只是打出了一个样子。我们也做过“耳朵”,但这并不是一个真的耳朵。现在的技术,要达到真的,还有点难度。

    山西晚报:您是说,是赋予这个“打印耳朵”一个有机的组织,但比如血液能否顺利流淌等还是有些难度?

     林峰:对。这个比较难,但打印样子没问题。可以打印枪支,但跟以前的枪不一样,是特殊设计的。它是根据材料和打印机制造方式的特点,专门设计的一种结构形式。能打几发子弹,多了也不行,而且它里面有些东西,像弹簧、撞针等要求强度较高的,需要一些金属部件,也不是完全都打印出来。

3D可以打印细胞

山西晚报:这说明目前3D打印技术的应用还只停留在机械制造领域,尚无法进入生命科学领域?

林峰:细胞是可以打印的。

山西晚报:细胞可以打印?真令人意外!

林峰:这个2002年国外就有报道。当时有人用喷墨打印机,把墨取出来换上液态细胞,也能打印出来。

山西晚报:打印出来的细胞是活的吗?

林峰:是活的。

山西晚报:意思是拿我们自身的活细胞作为材料,然后打印?这有什么意义?

林峰:我们实验室,打印细胞最初的想法是为了修复组织。比如,肝脏衰竭一般都是急性的,只要能度过一段时间,肝脏就能再生。但许多时候,细胞还没有来得及生长,就已经彻底衰竭了。所以,就想先打印一个肝脏的小组织出来,需要时放到体内,它能暂时代替肝脏的部分功能,这样就能等肝脏自动恢复。目前,我们已经把这些细胞提取出来,但细胞都是独立的,我们还不能把细胞之间的关系控制起来,密度也不够。

3D也能打印医用支架

山西晚报:那在制造出一个组织和器官之前,3D打印在生物应用方面有什么意义?

林峰:人身上都有变异的细胞,有些时候它们会变成癌,有些时候不会。怎么来控制?动物实验和人体的切片都是静态的,看不见细胞变化的过程。我们和肿瘤医院合作,他们希望在体外构造一个细胞结构,一边是普通细胞,一边是癌细胞,在中间放一个变异细胞,来观察细胞的变化。如果说这个模型建好的话,就可以在体外观察,看到底受什么影响导致癌症发病的过程。

在做出真正的器官之前,我们可以把体外的细胞模型做出来。

山西晚报:细胞在体外怎么生存呢?

林峰:要给细胞创造一个输送养分的环境。营养交换有一定距离,超过的话细胞就死了,所以需要特殊的微孔的结构,让营养从孔洞过去,孔洞之间的丝,距离不超过600微米。以前这种微结构很难做到,应用三维打印就比较容易。

我们像冻豆腐一样制孔,做出来的支架大孔里面还有小孔,材料成分少,可降解,孔隙率和强度都很高。这样的支架技术,我们实验室在做,是世界上独一家。这个微孔结构,我们还用它来做组织工程支架。

山西晚报:这个组织工程支架有什么作为?

林峰:我们和第四军医大合作,在动物实验上,做了100多只兔子、60多只狗的桡骨和大断骨缺损修复。技术已经做得不错了,还没有用到临床。

一台打印机啥都能做吗

山西晚报:我有个疑问,相信也是很多人的疑问,比如我有一台3D打印机,它是只能打印名片盒呢?还是也能打印马桶?

林峰:任何产品都能用一台机器打印出来,只是使用材料不一样。

山西晚报:那么我只要有数据模型,随后给打印机放不同的材料就行了?

林峰:一种设备就使用固定的一些材料。比如说这种原料是丝材,再换一种比如说粉末的,这台机器可能就操作不了。因为整个工艺、设备、材料是密切相关的。

山西晚报:就是说,用打印名片盒的打印机,也能打印马桶,只是这个马桶的材质,不是陶瓷的,不一定能用。

林峰:对。材料决定工艺。

它会颠覆传统制造业吗

山西晚报:很多人担心,随着3D打印机的普及,可以使用的材料越来越丰富,传统制造业会被颠覆。

林峰:不可能。传统制造业也在和先进的数字化技术结合,三维打印更多是帮助传统制造业的发展。比如汽车发动机内部,气缸外面要加冷却水套,冷却水套还要做得均匀,但气缸周围是一个封闭的管路,传统铸造方式要将好几套模具拼在一起,组装起来,位置组合就不够精确。用三维打印,可以直接做出一整套来。你说这是对传统产业的替代呢,还是帮助?也许以前专门做模具的这道工序会被替代,但是整个制造行业的技术是提高了。

三维打印技术还加快了开发。还是以汽车发动机为例,它的缸体,传统制造方式开发时间需要五六个月,花费一百万元以上。三维打印,两周就可以制造出来。传统的生产技术制造的模具,改的话,费用很高。现在,需要改,马上再做一个。

山西晚报:3D打印机做出来的东西,成本是不是低得多?

林峰:看什么情况。一般来说,单件的、小批量的生产,3D打印相对便宜。大批量生产需要模具,模具的费用很高,但是做得越多,成本就越低。

生活中定制的东西会越来越多

山西晚报:这种技术把创新的门槛放低了,有新的想法很快就可以做出来,成本很低。它对我们的日常生活会产生什么影响呢?

林峰:每个人的细胞都可以提取出来,在体外培养。医疗方式,有可能因此改变。每个人以后都会有许多自己定制的东西,比如说定制鞋子。学生想做个飞机模型、老师要做个教具等等,总之越来越多定制的东西会进入生活。这种打印设备会进入家庭,需要做什么,下载一个模型就能做出来。

山西晚报:这会带来许多商机。

林峰:对,谁先看到它的市场需求,谁就能发挥得更好。像很多人创业,创建一家企业,要生产、还要管理,相对来说成本就会比较高,但以后我可以设计出来产品直接卖数据就行,谁家里有这样的设备,都能自己打印。

山西晚报:将来淘宝上或许不仅仅卖实物,也会卖数据。如果有人买到数据后,重复使用或转卖,怎样来保护原创者的利益?

林峰:数据模型放到网上,一下载,大部分设备都能制作。这就要保证怎么只能在付过费的设备上制作,而且只能做一次或者两次后这个数据就失效了,还想再用就得再下载、再付费,这样,数据的价格就会降下来。这个政府是可以从应用和技术角度控制的。

3D打印竟然是一项老技术

山西晚报:3D打印是一项新技术吗?它发端于什么时候?

林峰:基本上现有的三维打印工艺,在美国,1982年起就直接以产品的形式出现了。现在全球最大的两家三维打印的公司3D Systems Corporation和Stratsys,都是那个年代出现的。那个时候技术就成熟了,后来在金属打印方面,也诞生了一些公司。

山西晚报:为什么这个概念最近火了?

林峰:十年前在制造业里,大家已经关注三维打印。清华大学第一台设备是1994年做出来的。到了2000年左右,这个行业遇到了瓶颈。

大家为什么突然感兴趣呢?一个原因是美国政府重视它,另外还有一本书讲第三次工业革命,推动了大家的认识。实际上我觉得,是3D打印的应用被挖掘出来了。以前大多数是搞研究的在做,而后是在制造业做一些设计的验证,再后来搞艺术的人发挥了它的用处。例如一个欧洲的灯具公司,它们的产品,设计理念完全来自复杂的数学模型。这些无规则的艺术品是用电脑算出数据,再连接上打印机进行打印的。这对大家是一个启发,原来有技术可以做这样的事情。

ND打印是趋势

山西晚报:听说国外4D打印已有不俗表现,说打印出来的产品可以随着时间变化自由组装。这是怎么回事儿?

林峰:四维打印随着时间会有一些变化。像以前有个“记忆合金”,就是先打印好,然后随着时间、温度改变,它会图案变形,变形以后会有一种新的结构,这个就叫4D打印。现在出现的4D打印、5D打印甚至ND打印都挺好的,这说明三维打印给了大家一个想象的空间,给了一个可能性。

接下来大家要的,是一个开放的、活的东西,这个东西通过环境的变化还能有确定的改变,比如,把心肌细胞这种跳动的细胞,打印在模型上面,做一个小的机械装置,这个就是我们研究的一个方向。
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