走近日常生活的3D打印

李忠東

3D打印技術被視為“第三次工業革命”的重大標志之一，引起了全球的廣泛關注。3D打印技術又稱“三維打印技術”或“快速制造技術”，是基于離散—堆積原理，由零件三維數據驅動直接制造零件的科學技術體系。它是融合計算機輔助設計、材料加工與成形技術為一體，以數字模型文件為基礎，通過軟件與數控系統將專用的材料，按照擠壓、燒結、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積，制造出實體物品的制造技術。

相對于傳統的對原材料進行去除、切削、組裝的加工模式不同，3D打印是一種通過材料累加的制造方法，是從無到有的“增材制造”技術。與平面打印機不一樣，3D打印是立體打印，兩者有本質上的區別：平面打印機里面裝的是墨粉；而3D打印機里面則是一個龐大的材料系統，根據產品需要配備各種相應的材料。3D打印技術最突出的優點是無需模具，也不需要機械加工就能直接從設計好的計算機圖形數據中生成任何形狀的物體。造模是傳統制造業核心的一個環節。以往很多高端產品能設計出來卻生產不出來，最大的困難就出在耗時很長的造模環節，而3D打印機則跨越了造模這個環節。

下文我們就來介紹幾個典型的案例，幫助大家體會如今的3D 打印是如何走進日常生活的。

首枚“生物墨水”3D打印人類眼角膜

今年5月30日發表在《實驗眼科研究》雜志的一份研究報告宣布，英國紐卡斯爾大學的研究人員已經開發出全球首個3D打印人類眼角膜。他們將健康人士捐贈的眼角膜干細胞（眼角膜基質細胞）與藻酸鹽、膠原蛋白混合，制造出一種能用于3D打印的“生物墨水”，隨后使用一臺成本很低的3D生物打印機，將“生物墨水”成功擠壓成同心圓，最終形成人眼角膜的形狀。更令人驚訝的是，3D打印角膜的制造過程相當簡單，甚至不用10分鐘，而且干細胞可以繼續發育。

眼角膜位于眼球前部，呈橫橢圓形，完全透明，含有許多十分敏感的神經末梢。如有外物接觸眼角膜，眼瞼即會合上，以保護眼睛不受到有害物質的影響。如果把眼睛比作一部相機，視網膜、視神經與大腦視覺中樞的功能就像膠卷，虹膜像光圈，眼角膜就像是相機的鏡片。眼角膜如果變得混濁，就好比照相機的鏡片磨損了，會影響到相機影像的質量。眼角膜出現損傷時會引起疼痛和視力障礙，一些感染性的眼病也會影響其健康，最終導致失明。

目前全球可供移植的角膜數量嚴重短缺?，F在世界上有很多團隊都在尋找一種最理想的生物墨水。該團隊負責人、紐卡斯爾大學組織工程學切·康農教授指出，實驗證明通過掃描患者眼睛來3D打印眼角膜的做法可行。他指出：“如果未來3D打印眼角膜能得到醫學界的認可，實現臨床應用，那么對于全球1500萬渴望接受角膜移植的患者以及由于眼角膜損傷導致視力障礙的人士，無疑是天大的福音?！?h3>“百變”3D打印房屋

3D打印技術在藝術、醫院甚至廚房都有應用，也有可能成為更可持續建筑的關鍵部分，幫助降低材料成本。荷蘭埃因霍溫市的一個被稱為“里程碑”的房地產項目，將從2019年開始連續建造5套可居住的3D打印混凝土房屋，它將是世界上第一種可正式用于居住的3D打印房屋。

為提高效率，第一套擁有兩個臥室的單層住宅，建筑面積僅有1000平方英尺，3D打印技術將僅用于外墻和內墻的建造，預計明年中期可供居住。其他4套為多層住宅，有多層樓，帶有精致的天井和陽臺，且在抗震性和防火性等安全方面均有保障。該項目經理蓋普宣稱：“與傳統建筑相比，3D打印房屋可以避免材料浪費，減少建筑垃圾，節省人力資源，縮短工程時間。但是它最具競爭力的優勢在于能夠讓居住者根據自身需求打造‘百變住宅，自由地呈現外形。通過3D打印，我們會讓世界知道一切皆有可能，而傳統建筑在造型上有很大的局限性?！?/p>

“里程碑”項目中的第一套房屋的建筑元素將全部在埃因霍溫科技3D打印，隨后運到現場組裝。建筑團隊希望，當最后一套擁有三個臥室的三層住宅開始建造時，3D打印機將在項目現場完成整棟建筑（包括給排水管道）的構筑和安裝。埃因霍溫理工大學3D打印研究小組負責人賽歐·薩勒特說：“項目的合作伙伴將一邊施工，一邊繼續研究具體的3D打印，將他們學到的經驗教訓應用到下一套房子。這意味著每套3D打印房屋都可以從我們已經學到的先進洞察力和知識中受益，并且可以直接融入居民的意愿?！?h3>首座3D打印混凝土自行車橋

2017年10月17日，世界首座3D打印混凝土自行車橋在荷蘭東部小城海默特落成通車。該橋長8米，寬3.5米，經過建筑公司的承重測試，可承載2噸的重力，至少可以使用30年。

這座專供騎自行車者使用的3D打印橋由荷蘭埃因霍溫技術大學與皇家BAM集團合作建造，據說是世界上第一次以3D打印技術進行這樣規模的實踐，因此也被稱為“世界第一橋”。埃因霍溫技術大學西奧·索奈特教授說：“盡管還需要使用其它建筑材料，但3D打印的結構件無疑是核心?！?/p>

工程于去年6月開始，特殊的混凝土砂漿穿過打印頭，打印出獨立的混凝土層，厚度約為1厘米。在混凝土變干之前，鋼絲會穿過打印頭，在水泥層上鋪成鋼筋。如此一層層地疊加到800層為止。打印好的8個1米長的建筑塊被拖到建筑工地組裝膠合在一起，再用重型電纜完成固定。雖然影響3D打印橋梁的成敗有很多重要因素，但研發團隊認為特殊的3D打印砂漿是成功的關鍵。

打印3D橋梁有三大優勢：一是速度快，比傳統混凝土技術快3倍，而且可以造出形狀獨特的建筑；二是節約資源，所使用的混凝土比傳統方法少很多；三是保持橋梁的整體性，打印時砂漿就像牙膏一樣，可以很有規則地在模具中鋪陳，有助于保持橋梁的整體性?！?/p>

荷蘭全國運河遍布，水網縱橫，橋梁對于出行極為重要，類似這座供自行車通行的3D打印橋梁有很大的發揮空間。它在專業分類上稱為“簡單的橋”，但實際上并不簡單。研發團隊的博士生羅布·沃爾夫和10名學生為這項技術研究了數年，致力讓這項3D打印水泥橋的技術臻于完美。

不經意間， 3D打印已經飛入尋常巷陌，不斷地給我們的日常生活帶來驚喜。