[科普中国]-张飞和先进制造有关系吗？有，3D（三弟）打印啊！

作者：圆的方块

编辑：Yuki

办公室里的打印机，为什么只有脑子最笨的张飞会用，而刘备和关羽不行？

——因为3D（三弟）打印呀。

今天，咱们聊聊这项技术。

> > > 什么是3D打印？

3D打印，我们或多或少地都听说过，甚至也见过一些3D打印出来的精巧构件。不过要往深了说，大部分人都说不出个所以然。

（一个典型的3D打印作品，图片来源：Sina.com）

这几年来，加诸于3D打印的名头实在太多—— “引领下一次工业革命”、“颠覆传统制造业”、“未来科技”等等。

在试图了解一项技术之前，最好是先拨去笼罩在它之上的光环。

3D打印本质上只是一种制造技术，它还有一个学名，叫 增材制造 ，以前它还有个更土的名字，叫 快速成型 [1] 。

是不是瞬间感觉没什么气势了？

那么，去掉炫酷的名字，3D打印技术和传统制造技术有什么区别呢？

这里有一个不算特别贴切的比喻：传统制造方式是做雕刻，不断切掉你不想要的部分，最终得到想要的；3D打印有点 像蚕吐丝，通过一根根细丝的相互堆叠、积累，最终成为一个光洁的蚕茧。

> > > 3D打印的诞生

3D打印技术出现在1983年，发明人叫查克·赫尔（Chuck Hull）。

当年的赫尔在一家小企业工作，这家企业的主营业务是做桌子的硬质涂层。具体来说，就是把一种液态的小分子涂在桌子表面，在使用紫外灯去照射时，这些小分子会相互连接，聚合成大分子，从而发生固化，变为坚固的保护层。

这些小分子叫做“光敏聚合物”，这个反应过程就叫做“ 光固化” [2] 。

赫尔每天在公司里拨弄着各种各样的紫外线灯，日复一日地看着那些分子见光凝固。有那么一天，他突然想到，如果能够让紫外线一层一层地扫在光敏聚合物的表面上，将这成百上千的薄层叠加在一起，他就能够制造任何可以想象的三维物体了。

此情此景，像极了牛顿挨了苹果砸，瓦特见到了烧水壶。

“这真是个碉堡的主意！”虽然没有历史记载，但当时赫尔心里一定浮现的是这句话。因为他立刻投入到了实践中。

经过一年的努力，终于，他把那个乍现的灵光变成了现实：他开发了一个系统， 通过控制光线的射入，让光敏聚合物在容器中逐渐的固化，从而形成预先设计的形状 。

他将这种工艺命名为 立体平版印刷 [1] 。

就这样，带着这个土气的名字，第一件3D打印的模型，诞生了。

2014年， 查克·赫尔作为“ 3D 打印之父 ” 入选了美国的发明家名人堂。这份名人堂的名单中，还包括爱因斯坦、爱迪生和乔布斯。

（赫尔和他的3D打印系统，图片来源： 3D Systems）

> > > 五花八门的3D打印技术

随着人们逐渐意识到这项技术的潜力，故事也开始朝着有趣方向不断演进。

如果说3D打印是一个江湖，那么，几个名门大派，都有着自己的独特功法。

首先，在赫尔申请专利的同一年，美国Helisys公司发明了分层实体制造技术，简称为LOM，工艺流程是 把片材切割并粘合成型 [2] 。

不知道你们看没看过科技馆里的人体组织切片，就是把标本切成一片片的再展示出来。分层实体制造与这个过程恰好相反，就是先做好一片片材料的形状，之后直接把这些片层整合到一起。

LOM工艺的一个问题是需要把原材料预先做成薄片，于是这项工艺的使用范围就变得十分有限，大多时候，只是用来做些纸的模型。

5年之后，也就是1988年，美国人斯科特克伦普发明了熔融沉积成型技术 （FDM），从而把3D打印推广到了金属领域。 [3] 他先把材料加热到刚刚熔化的状态，之后把液态材料直接喷出来，迅速冷却成型。这听起来有点像做糖人。

FDM虽然简便了很多，但是也存在着局限，就是所用的材料熔点不能太高，要不然设备都烧着了，材料还没成液态呢。以至于FDM只能用在一些塑料和低熔点金属上。

不过仅仅一年之后，美国德克萨斯大学奥斯汀分校的学者就解决了这一问题，他们发明了 选择性激光烧结技术 （SLS） [1] 。 SLS的原理也很粗暴，它的原料是粉末状的，之后直接利用高强度激光把粉末烧结在一起。这谁顶得住啊？再牛的金属也架不住激光啊！

后来SLS经过改进，已经能轻松实现钛合金、钴镍合金等材料的3D打印过程，而这些合金都是飞机或飞船上的关键材料。

（激光3D打印金属零件示意图，图片来源：Machine35.com）

近些年，3D打印技术更是不断地改进与完善，原材料已经囊括了塑料、金属、陶瓷，甚至生物细胞等。

虽然这些技术五花八门，但内核仍然是赫尔的思路，即—— 把材料直接堆叠成自己想要的形状 。

> > > 百花齐放的3D打印应用

当3D打印能够处理任何原料之后，剩下的限制，就是人类的想象力了。

如今，我们迎来了3D打印应用百花齐放的时代。

首当其冲的就是工业领域 。很多产品的设计之所以不能量产，是因为量产的模具太贵了，经不起试错。有了3D打印，直接一次成型，极大降低了试错成本，如此一来，很多小众的设计都能有了尝试的机会。

再有就是个人订制产品 ，比如衣服和鞋子等等。人生来各异，买衣试鞋总免不了反复寻觅。有了3D打印，就能够做到量体裁衣。

（阿迪达斯推出的3D打印球鞋，图片来源：adidas.com）

当然，科学家们把目光放得更远，他们甚至想 打印生命。

2017年，日本的科学家们3D打印了一个肝脏，并成功移植进了大鼠体内 [4] 。 2018年12月份，俄罗斯宇航员在空间站中打印了一份生物器官——一个老鼠甲状腺。据说效果还不错，因为失重的状态有利于控制材料的成型 [5] 。

2018年，3D打印人体领域也取得了一个大突破。来自英国的研究人员成功做出了一批3D打印的人眼角膜。他们发明了 一种由藻酸盐和胶原蛋白组成的“生物墨水”，把这种生物墨水与人类的角膜干细胞混合在一起，就可以作为原料，3D打印出人类的眼角膜 [6] 。

（3D打印人工眼角膜和它的发明者，图片来源：腾讯）

5.

> > > 来自中国的可穿戴3D打印设备

3D打印在很多特种微型设备上，也有着巨大的应用潜力。近日，Wiley旗下的《先进科学》杂志（Advanced Science）发表了中国科学院苏州纳米所与天津大学合作的一篇论文。

研究人员用3D打印做出了一种纤维状的集成电子器件 [7] 。 这种电子器件， 看起来就是一根“线”，但却能实现准确的温度测量 。与大块的平面器件相比，它更具柔性且更节省空间。

为了做出这根电子器件，首先要有 电源 。一般来讲，基本的电源至少有三部分，分别是正极、负极和电解液。在一根线上怎么做出这三种结构呢？这里就需要借助3D打印技术。

（(a)3D打印做纤维状电源的示意图，(b、c)工作中的3D打印机，(d)打印出来的纤维状电极材料，直径不到半毫米 。图片来源：参考文献 [6]）

首先，将正负电极的原料分别配成溶液，也就是3D打印的“墨水”。随后，使用3D打印机，直接绘制出纤维状的电极。紧接着，在这两根“线”电极的外表面打印上一层固态的电解质。

于是，我们就得到了两根“线”，分别是包裹了电解液的正极和负极。我们再像拧麻花一样，把这两根线拧到一起，就成了一个完整的电化学电源。

电源有了之后，再如法炮制，做出一条纤维状的传感器。虽说是传感器，但本质是一根还原氧化石墨烯的纤维。这种还原氧化石墨烯，简称叫rGO，具有在不同温度下的电阻会发生变化的特性。将富含rGO的“墨水”通过3D打印的喷头，我们就能得到一根打印出来的传感器“线”。

将上面组好的电源和这根氧化石墨烯缠绕在一起，就可以做成一套完整的温度传感器了。

（直接将3D打印出来的电源与传感器拧在一起，就得到了一个完整的电子器件。 图片来源：参考文献 [6]）

研究人员发现，这根“线”能够对30℃-80℃范围的温度变化做出很好的反馈， 每摄氏度的误差只有不到2% 。

把这种纤维状器件，编织进贴身衣物，就可以实时监测人的体温变化，帮助我们了解自己的身体健康状况，在疾病预防方面发挥潜力。

这种快速、低成本的3D打印技术为 柔性、可穿戴纤维状器件 提供了新的机遇 [7] 。

> > > 当然，你也可以

现如今，3D打印已经从王谢堂前燕，飞入了寻常百姓家。

打开购物网站，搜索“3D打印机”，就能买到小型的家用机，价格跟一台电脑差不多。

不过，家用的型号只能以塑料和一些小分子为原料，因为这些材料加工起来更为容易，也更安全。

（外国网友自制3D打印远古三叶虫，图片来源：ZOL.com）

如果你想打印些更酷炫的金属零件的话，那么，你需要一台激光金属3D打印机。

可能会贵一点。

emmm...

只要 300万 。

不过，包邮啊……

作者名片

排版：大庆

参考文献：

[1] Ambrosi, A., & Pumera, M. (2016). 3D-printing technologies for electrochemical applications. Chemical Society Reviews, 45(10), 2740-2755.

[2] Ligon, S. C., Liska, R., Stampfl, J., Gurr, M., & Mülhaupt, R. (2017). Polymers for 3D printing and customized additive manufacturing. Chemical reviews, 117(15), 10212-10290.

[3] Layani, M. , Wang, X. , & Magdassi, S. . (2018). Novel materials for 3d printing by photopolymerization. Advanced Materials, 1706344.

[4] 九州大学科学家成功将生物3D打印肝芽移植到大鼠体内, 搜狐网， http://www.sohu.com/a/201375456_105964

[5] 历史性突破！俄在太空首次3D打印生物材料，人民网，http://sn.people.com.cn/BIG5/n2/2018/1207/c346932-32380440.html

[6] 首个3D打印人类眼角膜问世 未来大批量移植不是梦,腾讯网，http://tech.qq.com/a/20180531/045584.htm

[7] Zhao, J., Zhang, Y., Huang, Y., Xie, J., Zhao, X., Li, C., ... & Li, Q. (2018). 3D Printing Fiber Electrodes for an All‐Fiber Integrated Electronic Device via Hybridization of an Asymmetric Supercapacitor and a Temperature Sensor. Advanced Science, 1801114.