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无所不能的3D打印

百纳文秘网  发布于:2021-07-26 20:02:40  分类: 政法系统 手机版


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发展篇——2050年,见证奇迹的时刻

1986 年,美国人查尔斯·哈尔Charles Hull发明了世界上第一台3D打印机,所采用的技术被称为“立体光刻技术”,利用紫外线照射将树脂凝固成形制造物体。他创立的3D Systems公司是世界上第一家生产3D打印设备的公司,也是目前世界3D打印领域的巨头和领航者。1992年,该公司卖出第一台商业化产品。

1994年,美国麻省理工学院发明了“三维打印”(3 Dimensional Printing,简称“3DP”)技术,并申请了专利。1997年为了将3DP技术推向市场,Z—corporation公司正式成立。Z—corporation最先推广通过降低精度降低成本和售价的办公室版3D打印机,也是唯一一家生产彩色3D打印机的公司。该公司现已被3D Systems收购。

2004年11月,由意大利人恩里科·迪尼发明的第一台建筑打印机的概念机面世,并于2007 年 4 月正式完工。同年,恩里科在伦敦成立了一家主营3D建筑打印的公司。

2010年6月,据外媒报道,美国Organovo公司研制出了“按需打印”人体活器官的机器。2011年底,两家澳大利亚公司Organov,  Inc和Invetech  Pty  Ltd合作,开发出了世界上第一台商业化的3D生物打印机,并因此而获得了近日联邦政府AusIndustry颁发的工程创新奖。

2011年9月23日报道,世界上第一辆打印出来的汽车在加拿大亮相,这辆3D打印汽车名叫Urbee,是一辆三轮、双座混合动力车。它使用电池和汽油作为动力。虽然单缸发动机制动功率只有8马力,但由于其小巧轻便,最高时速可达112公里。

同年,南安普敦大学利用激光烧结技术模仿“Spitfire”飞机打印了一台翼展为6.5英尺的飞机,并对其进行材质上的修改,让传统材料和复合材料交织在一起,改变飞机的形状和结构,成功地让这架打印出来的飞机以100英里的速度飞行。

2012年7月,英国《每日邮报》报道称,美国宾夕法尼亚大学宣布用改进的3D打印技术打印出了鲜肉,这种利用糖、蛋白质、脂肪、肌肉细胞等原材料打印出的肉具有和真正的肉类相似的口感和纹理,就连肉里的微细血管都能打印出来。

近日,美国《福布斯》杂志报道称,欧洲飞机制造公司空客计划从飞机零部件开始,在2050年前实现3D打印飞机。届时,飞机重量将减轻65%,成本也会大幅缩减。该公司生产的军用飞机“台风”式战斗机,已经用上了3D打印的空调系统。

美国南加州大学Behrokh Khoshnevis教授预计,截至2050年,使用石灰、水泥为耗材的“3D打印房子”也将实现,20小时内就能打印出一套房子,住5~10年都没有问题。

医疗篇——将医疗机械化

在浙江工业大学机械学院教授,同时也是杭州六维(6D)齿科医疗技术有限公司老板的彭伟看来,3D打印技术简直是为医疗应用量身定做的。“快速成型在工业界可能还是用在产品开发阶段,但在医疗中已经直接进入了临床应用。”

“3D打印产品区最突出的特色是什么?精准、复杂、个性化。最大的局限是什么?成本高。而医疗用品呢?不仅要求精准、制作复杂、用完即扔。而且因为人体的特殊性,往往必须量身定制。比起3D打印,用传统方式定制的医疗用品增加了设计和制造磨具的环节,成本显然更高。”所以3D打印就是医疗应用的福音。

3D打印在医疗上的应用大致分为2个方面,一个是制作辅助工具,比如提高手术精确度的个性化手术导板;一个是人造器官,比如假体和脏器等。

作为机械系的教授,彭伟和他的技术团队参与的是手术过程的设计阶段,包括和医生一起看着CT影像讨论手术方案、制造患者的人体模型供医生进行仿真手术、以及打造最终使用的手术导板。

就拿最常见的种牙举例。所谓6D牙种植技术结合了计算机断层扫描技术(CT)、计算机辅助设计技术(CAD)和快速原型制造技术(RP,即3D打印)。首先,工程师根据CT和石膏模型激光扫描后获得三维重建模型。然后医生综合考虑患者的牙缺失情况、骨骼情况(包括骨质与骨量等)、对颌牙等因素,设计出最佳的种植体空间位置。最后,工程师根据医生的要求设计出手术导板,以确保手术的精确。

所谓六维是指手术打孔涉及的,六个自由度:孔在骨面上的中心点位置由X和Y两个自由度确定、孔的深度由Z坐标确定、孔的中心线是否倾斜则由绕X轴旋转α和绕Y轴旋转β两个自由度确定,孔的大小由直径Φ确定。 在没有这项技术之前,这一切都要依赖于医生的经验和手术时的发挥——X和Y即前后左右的位置容易定位,但深度和倾斜度则难以琢磨了,如果手术时手一抖,不仅种牙失败,还极有可能伤及口腔的其他部位。

但医疗团队里又增加了工程师,手术费用会不会翻倍?彭伟说,“普通种牙费用在6000元到15000元左右,数字化种牙只比传统种牙增加了5%左右的费用。而且它保障了手术的安全和术后的修复。”

同理,将机械设计进入到手术当中几乎可以应用到所有的骨科、脑外科及整形科手术中,彭伟和他的“数字化医学和快速制造技术”研究项目在成立六维齿科之前,就和医院成功合作过髋关节复位手术、巨颅症修复手术等等。至于为什么最终选择以齿科为主,除了这一类手术的精密程度对机械辅助的需求度高以外,“还因为手术多啊,这是市场化必须考虑的事情”。

先别兴奋过度,彭伟非常坦诚地介绍道,这个填补了中国空白的技术并不是他的首创,甚至没那么新鲜。这还有个小故事。“当年,作为省重点学科,我们学院当时得到了一笔不菲的经费置备设备。经过一番讨论和调查之后,我们购入了现在使用的这台高强度的快速成型机器。在当时这是全亚洲的第一台,花了300多万。2006年,为了找到一个合适的学科,最大化地利用这台机器,我到美国俄亥俄州的托莱多大学做访问学者。”

彭伟在美国的学术领域做了一番调查。“当时,我看到一本杂志叫《快速成型RP》,就是介绍RP的应用,其中有相当分量的文章都是关于RP在医疗中的应用。不过那时候还没有牙种植手术导板这一说。”看准了在医疗领域的应用,彭伟搜集了大量的文献资料,回到学校。“刚开始国内还没这个概念,我们去找整形科,希望合作研究,却屡屡碰壁。后来机缘巧合之下我们决定同骨科合作,参与的第一个手术就是髋关节复位。”

至于打印人造器官,除了老生常谈的“定制”以外,更重要的是缓解器官来源的压力。2011年,在美国一年一度的TED大会上,安东尼·阿塔拉(Anthony Atala),一位专门从事可再生药物治疗的外科医生,现场展示了如何用3D生物打印机制作一颗肾脏。“就像烘焙夹心蛋糕,”阿塔拉解释道,“每次将不同的细胞放到不同培育层中。”

首先,安东尼用扫描仪扫描出一个原有器官的3D模型,然后取出一个约有一半邮票大小的细胞组织,用于电脑化的器官生成。接下来,器官“复印机”会复制患者的细胞组织,一层一层地制作出肾脏的替代品。演讲的同时,打印机上几个不同尺寸的喷头依次喷出不同的组织,在可移动的底座上,一个肾脏半成品隐约可见。

在演讲结尾,阿塔拉见到了10年前,一次实验手术的幸存者卢克。卢克患有先天脊柱裂,膀胱无法正常工作。10年前,他作为第一批复制膀胱移植的实验患者躺上了手术台。现在卢克已经20岁了,成为一名大学生,最爱的运动是摔跤。

文物保护

金涛最得意的打印作品是对天龙山石窟第 18 窟西壁的复原;在先临三维的陈列厅中,最多的展品也是佛像,而摆在最高处的则是一尊西安秦兵马俑的头像。如果你现在赶赴敦煌的莫高窟,可能会听到导游漫不经心地提起:“明年这个时候来,多半只能参观数字博物馆。”

“从3D扫描到3D打印,不仅更新了文物保护的思路,还将颠覆考古方式。人们不再完全依赖田野调查,可以把‘古迹’放在办公桌上来研究。”无尽藏非物质文化与艺术遗产研究所发起了《法相庄严——天龙山造像数字复原研究》,希望利用数字技术,实现残损造像的虚拟复原和网络展示。现在,他们的首批工程已经完成,就是和铭展科技合作的第 18 窟西壁的复原。

这个“不可能的任务”实现起来确实不易。为了获得完整的 3D数据,李庆华的团队拿着一台手持 3D扫描仪在洞里呆了整整 10 天。“一束细细的激光束,就像一个移动的取景框,打到佛像上面。扫描一块四五十平方厘米的地方需要整整 20分钟。佛像和洞窟的每个细节都必须细致地扫描一遍,不能有死角。”李庆华说。

拿到微缩版的石窟后,李庆华十分感慨:“原来全靠手工测绘,写天龙山报告的社科院专家李裕群,在天龙山呆了20多天也没看全。现在我可以把它放在桌上,从任意不同角度看。”

如果是原比例打印,则可以复制出整个石窟供参观和研究。现在,仅仅是游客参观时呼出的二氧化碳,就在蚕食着莫高窟。遗址的数字化和复制便是文物保护的新思路。

耗材

彭伟在提及3D打印技术的发展方向时说:“3D打印的核心是材料。实际应用对于产品的性能有个性化的要求。产品的性能取决于材料的性能;在加工的过程中,材料的性能决定了工艺。”

以医疗应用为例,首先材料要禁得住灭菌消毒,医疗的消毒要么高温要么浸泡,这就要求材料本身或者抗高温或者抗腐蚀。另外,仿生材料的硬度很重要,比如人造骨骼、牙齿;但也不能过于坚硬,以至于连骨科医生的切骨刀都拿它没办法。此外还有柔韧度等等要求。“所以大型的3D打印机制作商,都会有开设专门的材料公司。我们在选择材料时也尽量原厂采购。”

至于产品精度的把握就是3D打印技术的难点了,这也取决于材料。比如常见的激光烧结工艺,在塑型过程中,材料处于熔融状态,如果要求精确到0.01毫米,就就很难把握。

常见的3D打印材料有哪些?

橡胶、树脂、金属

目前,常用的工业配件和磨具都是利用ABS、人造橡胶、铸蜡、金属粉末和聚酯热塑性塑料等耗材打印出来。

人造骨粉

加拿大的一所大学目前正在研发“骨骼打印机”,利用类似喷墨打印机的技术,将人造骨粉转变成精密的骨骼组织。这种材料是一种类似水泥的人造粉末薄膜,打印机会在用骨粉制作的薄膜上喷洒一种酸性药剂,使薄膜变得坚硬。

砂糖

业内人士在向门外汉解释3D打印的时候最喜欢用甜筒——现在做甜筒,是利用移动蛋筒获得想要的形状;而如果用3D打印机做甜筒,作为基座的蛋筒是固定的,喷头会根据程序移动,喷出冰淇淋;如果再增加几个喷头和材料,蛋筒也不用事先做好,一切都可以无中生有。现在,砂糖3D打印机CandyFab 4000就可以通过喷射加热过的砂糖,可以做出美味又好看的甜品。

细胞生物原料

美国宾夕法尼亚大学打印出了鲜肉,是先用实验室培养出来的细胞介质,生成类似鲜肉的替代物质,以水基溶胶为黏合剂,再配合特殊的糖分子结构制成。

还有尚处于概念阶段的用人体细胞制作的生物墨水,以及同样特别的生物纸。打印的时候,生物墨水将在计算机的控制下喷到生物纸上,最终形成器官。

沙子

一位科学家发明了一种3D打印机,利用阳光代替激光,沙子代替树脂,利用太阳能烧结技术切割、熔化沙子,现在可以成功制出眼镜。

石灰水泥

这类材料和目标产品也处于概念之中,确实人类最期待的事情——3D打印房子。3D打印机可以使用水泥、石膏、黏土和石灰等传统建筑材料,直接造出可以居住的房子,而且速度快、用料省。除了造航空母舰,这大概将是尺寸最大的3D打印机了吧。

争议篇——“我希望能把电脑游戏中的美女打印出来给我当女朋友。然后再给她打印一台ATM机。”19岁的网友Kaven说。

除了“打印女朋友”这种宅男言论,对于“打印人类”这个构想,还有比较脚踏实地的憧憬,一个网友说:“把我和老公各打印出一份,过年过节就不用烦回谁家了,两边的父母都可以尽享团圆。”这位朋友,你真的不怕吓着老人吗?

挑战伦理的创意毕竟是若干年以后才可能但新的事,可现在就有新的争论摆在眼前了。据美国《大众科学》网站报道,一名叫“Have Blue”的业余枪支修理师在一个论坛中宣称:他用3D打印机打印了一把点22口径的手枪,并成功射出了200枚子弹。据这位网友介绍。他先从一个枪支修理网站上下载了一款手枪设计软件,随后,又花30美元购买了一种塑料材料,将其放入一款最新型的3D打印机中,然后一把枪就出炉了。不管这个消息是否属实,确实给3D打印机的普及拉了警钟。家庭工厂的前景似乎可以带来更便捷、更有创意的生活;家庭军工厂带来的恐怕就是恐慌和骚乱了。

另外,当配合3D扫描仪使用时快速成型机俨然一台3D复印机。《连线》杂志提出了超前但注定会成为现实的问题:知识产权问题将成为一句“空话”。

抽文:

“如果你想了解3D打印的发展史,可以搜索一下七八十年代国外的科技文献。那时候有不少先驱写了很多深入浅出的科普文章。现在在学术界都是艰深的研究了。”

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