一種新的3D打印機(jī)利用光線能在幾分鐘內(nèi)將粘稠的液體變成復(fù)雜的固體。
這種3D打印機(jī)被發(fā)明者戲稱為“復(fù)制器”(replicator)，以《星際迷航》(Star Trek)中可以按需生產(chǎn)任何物體的設(shè)備命名。與傳統(tǒng)3D打印機(jī)相比，這種3D打印機(jī)可以生產(chǎn)出更流暢、更靈活、更復(fù)雜的物體。
它還可以用新材料來包裝一個(gè)已經(jīng)存在的物體——例如，在金屬螺絲刀軸上增加一個(gè)把手——這是目前的打印機(jī)難以做到的。
研究人員說，這項(xiàng)技術(shù)有可能改變從假肢到眼鏡鏡片等各種產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造方式。
“我認(rèn)為這是一個(gè)更能夠大規(guī)模定制產(chǎn)品的途徑,無論需要生產(chǎn)的是假肢還是跑鞋,”加州大學(xué)伯克利分校機(jī)械工程助理教授泰勒·海登(Hayden Taylor)說，他同時(shí)還是這篇描述3D打印機(jī)的論文的資深作者，這篇論文1月31日在線發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。
泰勒說:“事實(shí)上，你可以從其他制造過程中獲得金屬部件或其他東西，并添加可定制的幾何形狀，我認(rèn)為這可能會(huì)改變產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方式。”
大多數(shù)3D打印機(jī)，包括其他基于光的技術(shù)，都是一層一層地構(gòu)建3D對(duì)象。這導(dǎo)致了沿邊緣的“階梯”效應(yīng)。
由于可彎曲材料在打印過程中會(huì)發(fā)生變形，而且打印某些形狀的物體(如拱門)需要支架，因此制造柔性物體也有困難。
這種新型打印機(jī)依賴于一種粘性液體，當(dāng)接觸到一定的光閾值時(shí)，這種液體會(huì)發(fā)生反應(yīng)，形成固體。
將精心制作的光線圖案——本質(zhì)上是“電影”——投射到一個(gè)旋轉(zhuǎn)的液體圓柱體上，“一下子”就能固化想要的形狀。
“基本上，比如說這里有一個(gè)現(xiàn)成的視頻投影儀，我從家里帶來的，然后你把它插到筆記本電腦上，用它來投影一系列的計(jì)算圖像，同時(shí)使用一個(gè)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)圓柱體，里面有3D打印樹脂。”泰勒說。
“很明顯，這其中有很多微妙之處——你如何制作樹脂，最重要的是，你如何計(jì)算將要投影的圖像，但要?jiǎng)?chuàng)建這個(gè)工具的一個(gè)非常簡(jiǎn)單的版本，困難并不大。”
泰勒和他的團(tuán)隊(duì)使用打印機(jī)創(chuàng)造了一系列的物品，從羅丹的“思想者”雕像的小模型到定制的頜骨模型。
目前，他們可以制作直徑達(dá)4英寸的物體。
“這是我們第一次不需要一層一層地構(gòu)建定制3D部件，”布雷特·凱利(Brett Kelly)說。他是這篇論文的第一作者之一，他在加州大學(xué)伯克利分校(UC Berkeley)和勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Lawrence Livermore National Laboratory)當(dāng)學(xué)生時(shí)完成了這項(xiàng)工作。
“它讓3D打印真正實(shí)現(xiàn)了三維化。”
這種新型打印機(jī)的靈感來自于計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)，它可以幫助醫(yī)生定位體內(nèi)的腫瘤和骨折。
CT掃描從不同的角度將X射線或其他類型的電磁輻射投射到人體內(nèi)。分析傳輸能量的模式可以揭示物體的幾何形狀。
泰勒說:“實(shí)際上，我們從相反的角度利用了這一原理。我們?cè)噲D創(chuàng)建一個(gè)物體，而不是測(cè)量一個(gè)物體，但實(shí)際上，許多使我們能夠做到這一點(diǎn)的基本理論，可以從計(jì)算機(jī)斷層掃描的原理中轉(zhuǎn)化出來。”
除了讓光線遵循固定模式，這還需要復(fù)雜的計(jì)算才能得到產(chǎn)品確切的形狀和強(qiáng)度，研究人員面臨的另一主要挑戰(zhàn)是如何選擇材料，這種材料需要在只有一點(diǎn)點(diǎn)光線時(shí)保持液態(tài)，而在暴露在大量光線下時(shí)變成固態(tài)。
泰勒說:“這種液體當(dāng)然會(huì)對(duì)光線有反應(yīng)，所以從液體到固體的轉(zhuǎn)變需要有一個(gè)曝光閾值。”
該3D打印樹脂由液體聚合物與光敏分子和溶解氧混合而成。光激活光敏化合物，消耗氧氣。
只有在氧氣耗盡的3D區(qū)域，聚合物才會(huì)形成“交聯(lián)”，將樹脂從液體轉(zhuǎn)化為固體。
未使用的樹脂可以在氧氣環(huán)境中加熱回收，泰勒說。
“我們的技術(shù)幾乎不會(huì)產(chǎn)生任何材料浪費(fèi)，而且未固化的材料是100%可重復(fù)利用的，”加州大學(xué)伯克利分校泰勒實(shí)驗(yàn)室的研究生、該研究的第一作者之一侯賽因·海達(dá)里(Hossein Heidari)說。
“這是免費(fèi)3D打印的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)。”
對(duì)象也不必是透明的。研究人員使用一種染料打印出看起來不透明的物體，這種染料能以固化波長(zhǎng)傳輸光，但吸收大部分其他波長(zhǎng)。
利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室(Livermore lab)的工程師馬克西姆·舒斯特夫(Maxim Shusteff)說:“這對(duì)我來說尤其滿意，因?yàn)樗鼊?chuàng)造了一個(gè)新的立體或‘一次性’3D打印框架，我們近年來已經(jīng)開始建立這個(gè)框架。”
“我們希望這將為許多其他研究人員探索這一令人興奮的技術(shù)領(lǐng)域開辟道路。”
加州大學(xué)伯克利分校的Indrasen Bhattacharya是這項(xiàng)研究的第一作者之一。其他作者包括勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Christopher M. Spadaccini。
這項(xiàng)工作得到了加州大學(xué)伯克利分校教員創(chuàng)業(yè)基金和勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)的研究和發(fā)展基金的支持。這個(gè)小組已經(jīng)就這項(xiàng)技術(shù)申請(qǐng)了專利。
根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院分析，3D打印材料作為3D打印的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，3D打印材料的發(fā)展直接制約著3D打印技術(shù)的發(fā)展。隨著3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模越來越大，3D打印材料在整個(gè)行業(yè)中的地位也愈加重要。2017年，全球3D打印材料市場(chǎng)約占全部3D打印市場(chǎng)的36.63%，預(yù)計(jì)到2018年，全球3D打印材料市場(chǎng)規(guī)模將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)張，且增速略大于全球3D打印市場(chǎng)，所占比重進(jìn)一步提高，超過38%。
據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《中國(guó)3D打印材料行業(yè)發(fā)展前景預(yù)測(cè)與投資策略規(guī)劃報(bào)告》統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截止至2017年全球3D打印材料市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)至26.89億美元，較上年增長(zhǎng)31.11%。預(yù)計(jì)2018年全球3D打印材料市場(chǎng)規(guī)模將會(huì)突破30億美元達(dá)到了32.27億美元。全球3D打印材料市場(chǎng)規(guī)模近5年來一直維持20%以上的增速，處于穩(wěn)定快速的發(fā)展期，隨著3D打印技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展和越來越多的3D材料面世，全球3D打印材料市場(chǎng)將會(huì)繼續(xù)保持穩(wěn)定增長(zhǎng)的趨勢(shì)。
