本站原创3D打印机
3D打印机与传统打印机的工作原理相似,但外观和采用的打印介质却有很大区别.同时,3D打印机并非为在办公室内使用而设计,但几乎各行各业都可以从3D打印技术中受益.
喷墨打印与3D打印的工作原理较为类似,都是利用喷头来完成工作.不同的是,3D打印机的喷头运动方向更多,而且采用的打印介质不是墨水,是具有一定粘度的物质,包括热塑性塑料、填料型树脂、低熔点合金,甚至巧克力和奶油等等.以目前已经商业化的MakerBot The Replicator 3D打印机为例：打印时,喷头可以沿着X、Y和Z轴方向移动,打印介质（通常是热塑性塑料丝）经过加热仓的加热,变成熔融体并从喷头中喷射出来,并冷却凝固成型.按照这样的工作方式,打印一个3D物体通常需要数十分钟到数小时不等,物体的数码原型可以自行设计和复制,也可以从专业网站中下载.
3D打印机的工作模式一般是“逐层打印”,也就是把一个物体按照某一方向,如Z轴方向,分解为许多平行的层,打印机的喷头按照顺序把这些层逐步打印和叠加,最后整个物体就可以被打印出来.打印机的精度可以调节,目前一些商用型号的层精度已经可以达到0.01mm/层左右.
3D打印机的用途
我们常见的打印机唯一的功能就是打印图片或文档,特殊的打印机还可以打印印刷电路、光罩等.3D打印机的用途就更广泛了,可以说,只要是能够设计出来的物件,3D打印机都可以做出来,甚至很多令人难以想象的工作,3D打印机也能够胜任.
微纳米打印
用于精细加工的3D打印机可以用相当高的速度打印出只有数百微米尺寸的房屋、桥梁模型和小结构件,精细度可以达到纳米级别,无论是效率还是精度都远超传统的微雕工艺师.想要达到这样高的加工精度,最大的难点在于控制树脂的固化速度.如果树脂固化速度太快,就会堵塞微喷头；树脂固化速度太慢,就无法保持设计的形态.为了解决这一问题,科学家们开发了“双光子印刷”技术.该技术利用激光照射使光敏型树脂快速固化,使得已经打印的部分不会因各类微纳米尺寸效应发生变化.同时,利用可调节的聚焦透镜,还可以进一步加快打印速度.双光子印刷技术发明之初,打印速度为每秒钟数毫米,而2012年3月份,维也纳技术大学的科学家们将这一纪录提高到了每秒大约5m——这是其他微纳米加工技术难以企及的速度,当然,它能够加工图案的复杂程度同样也是其他技术难以企及的.这一技术还可以用于制造光子晶体等功能性材料.
在某些特殊表面上进行微纳米尺度的3D打印还可获得纳米尺寸效应的帮助,今年6月份,瑞士苏黎世联邦工学院的科学家们报道了使用3D喷墨打印机在具有毛细现象的表面上,通过外加微电场可以形成小于100nm尺寸结构的3D打印技术,这或许会为3D晶体管的制造开创崭新的途径.
医用领域
医用材料或许是目前3D打印最能够显示其技术优势的领域,由于每个人的身体条件各不相同,因此人工骨骼、人工牙齿和人造血管并不适合大规模批量生产,最好的方法是单独写作.通常在医院中,订做一颗与原来牙齿一模一样的检测牙所需费用要达到数千元,而写作下颚骨、人工关节和整套检测肢等组件就更贵得出奇了.如果利用3D打印技术,就可以先用全息摄影术拍摄要替换的牙齿和骨骼,形成相应的数字化模型,再用3D打印机打印出来,使用的材质可以是塑料、陶瓷或者金属合金等等,比起传统的模具制造技术,3D打印速度不但更快,还能节约诊疗费用.
除了这些人体中坚硬的部分,细胞等物质也可以作为3D打印机的“墨水”.此前不久,有科学家“打印”出了人造肾脏——尽管它并不能像真正的肾脏那样工作,但还是引起了一场不大不小的科学学讨论：检测如有一天,真的能够使用蛋白质、血浆、脂肪和羟基磷灰石（骨骼的主要成分）等人体物质打印出一个大来,是不是算是“复制”了人类自身呢?即便仅仅能够打印人类大脑,都有可能会造成一场灾难.不过看起来,目前我们还不必杞人忧天.
时尚服饰
近年来的一些时装秀上,模特们经常穿着花样极为复杂的服饰登场亮相,效果令人惊叹,实际上,它们都是由3D打印机打印而成的.不但服装能够打印,鞋、帽子、首饰甚至内衣也都可以打印.对于服装设计师而言,3D打印机的最大好处是可以很快地把设计变为现实.特别是那些工艺相当复杂的时装或是鞋子,如果由专业的裁缝或制鞋师手工制作,那么可能要花费数星期的时间,甚至难以完成,而3D打印机只要数分钟就可以.如果没有达到希望的效果,设计师还可以即时修改设计,只要3D打印机再重新工作一次即可.伦敦皇家艺术学院的设计师Luc Fusaro还利用3D打印机制造了“全球最快的跑鞋”,它可以根据运动员双脚的形状写作,重量仅有96g,据称能够将跑百米的速度提升3.5%.任何人拥有一台3D打印机,都可以自己DIY这种跑鞋,还有其他服饰,比如一件镂空套头衫.不过,目前用于服饰的3D打印机仅能使用塑料等适合喷打的材质,还难以直接打印皮革、纤维等传统材料；同时,在色彩运用方面也存在过于单调的问题,这也使它的应用前景受到一定限制.
装饰设计
很多设计师已经开始利用3D打印技术来制造房屋模型和雕塑.一位意大利设计师Enrico Dini设计了一种带有数千个喷嘴的3D打印机,利用极细的石英砂和镁基胶粘剂逐层打印出雕塑或建筑物.根据他的实验,利用3D打印技术来造房屋和雕塑的成本仅是传统建筑方式的1/3～1/2,并且不会产生过量物质导致环境被污染.Enrico Dini希望这种打印机能够使用月球尘埃打印出月球基地的建筑.用3D打印机来制作雕塑也已经被很多现代艺术家所接受.利用3D打印技术制作的雕塑在细节方面远胜传统雕塑,特别是生成复杂的结构.比如想要表现一条环环相扣的铁链,传统的石雕和玉雕师必须特别小心,稍有不慎就会前功尽弃,而3D打印机可以毫无困难地把它打印出来.
对于那些小众化而且比较繁复的装饰品,3D打印也大有用武之地.比如灯罩和灯饰都是非常个性化的产品,通常一家灯具厂会同时生产上百种灯饰,如果使用3D打印技术来制造灯饰的话,产品的种类可能会增加10倍以上.同样地,人物塑像、动漫手办等等也可以用3D打印机来制作.