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于无形处建奇功―液体3D打印

发布时间:2018-12-12 01:06:01 文章来源:未来智讯    
    于无形处建奇功―液体3D打印作者:未知   近几年,“3D打印”不断占据新闻版面。与传统制造相比,万物皆可打印,人们能够随心所欲地制造出自己最想要的东西,于是有人打印了手枪(美国),有人打印了房子(中国)。2014年底,3D打印甚至还冲出地球走向宇宙,在国际空间站完成了首次太空测试。能够想见,如果有适当的材料,未来的衣食住行甚至人体器官,都能够量身定做。
  近来,一个酷炫而别致的3D打印演示视频在网上流传开来,这次的主角是五颜六色的粘稠液体。从视频中我们能够看到,埃菲尔铁塔、“富勒烯”形状的空心球体等模型,从一个浅浅的液体池中被缓缓提起,让人很难相信它们曾经也是这液体的一局部。
  液体如何变固体
  3D打印已经逐步走入我们的生活,甚至出现了面向寻常百姓的家用3D打印机。如今流行的3D打印机大都使用固体材料,通过分层沉积的方式,将物品一层一层地打印出来。这种方式的全称是“熔融沉积成型”(Fused Deposition Modeling,简称FDM),也便是将材料加热熔化,再像挤奶油一样挤出来,并逐层堆积变成你想要的形状。
  FDM技能初始于1988年,讲起来也算是“老资历”了,但其实它真正的“前辈”“另有其人”―世界上第一台快速成形设备诞生于1984年,选取的则是鲜为人知的“立体光固化成型”技能(Stereo Lithography Appearance,简称SLA)。
  众所周知,有些物质遇冷会硬化,有些物质则反其道而行之,遇热变硬。同样道理,有些特殊的物质“见光硬”,这个现象称作“光固化”。SLA技能是以液体为原料、利用光固化原理、制造出固体产品,通俗一点能够称之为“液体3D打印”。
  登场虽早,舞台主角的光环最后还是旁落。随后的发展表明,SLA技能无法如FDM一样大为普及,因为它所选取的材料特殊―毕竟液体不易处理,也不方便携带。除了因事务需要而使用过的人,一般人其实不清楚它的存在。
  液体3D打印的坎坷路
  前文中讲到模型从神秘液体里“冉冉升起”的场景,是该揭开谜底的时候了。这种神秘液体名叫光敏树脂,是整个技能关键所在。
  光敏树脂又称光固化树脂,是一种受光线照射后,能迅速固化的低聚物。虽然平时呈现黏糊糊的液体状态,但经过一定波长的紫外线照射后,就会引起聚合反应形成坚硬的固体。
  生活中与人最“密切”的光敏树脂,或许此刻就在你的嘴里―光固化复合树脂牙齿修复术,说白了也便是常见的补龋齿。当医生去掉了牙齿上的蛀蚀组织,填充进去的便是光敏树脂了。有过补牙履历的人都会有记得,过程中重要的一步便是用紫外线灯照射那颗牙齿,因为这样才能使填充物固化,修复牙齿应有的形态和功能。
  虽然掌握了这种奇妙的原理,但过去的液体3D打印还是“老一套”思绪―像盖房子一样,一层层地构筑物体结构。最初在电脑中设计出三维实体模型,设计扫描路径,用紫外线照射到液态光敏树脂表面,使表面特定区域内的一层树脂固化,生成一个截面;然后固化的截面上覆盖一层液态树脂,再进行固化照射。如是反复,层层叠加,最后制成三维物体。
  由于固化过程受液体浓度、光照强度和照射时间等条件影响,而光的强度会随着射入树脂的深度逐步降低,因此,惟有靠近照射面的一小局部会固化得相对均匀和彻底,“盖房子”式的打印方式也是不得已而为之。且不说这个过程本身相当缓慢,单是各层树脂固化时产生的不同程度的收缩形变,就让研讨人员操碎了心。
   CLIP:更快更精细
  惟有光敏树脂还远远不够。为了彻底改变液体3D打印的困境,研讨人员丢弃了层层打印的老思绪,从电影《终结者2》中找到了灵感。电影中的液体机器人慢慢从一滩金属液中升起形成机器人的镜头,跟模型从液体中缓缓升起的场景如出一辙。
  这是一种名叫“连续液面生长”(Continuous Liquid Interface Production,CLIP)的改良技能。从性子上讲,它也是立体光固化技能的一种,但又绝不但仅是这么大略。
  使用紫外线加速树脂硬化,但空气中的氧往往会减缓硬化过程。CLIP的设计偏偏利用了这一点,化不利为有利。在装满液态树脂的容器底部有个小孔,那里充溢着几十微米厚的富氧液体,就像一扇窗户,紫外线能够从这个孔照上来。而小孔处的氧分子确保了那里不会发生凝固。
  打印时,将一块金属片置于树脂池的表面,紫外线通过小孔将特定区域的树脂硬化,硬化后的树脂附着于金属片上。打印机慢慢抬升金属片,把已经硬化的树脂从容器里提出来,同时,“水下”的固化事务还在继续。这一过程在旁观者看来,就仿佛是“终结者”从液体中崛起显形一般。
  与现存的3D设备不一样,CLIP不需要等待每层凝固,它会持续建模,因此打印速度高达每小时1米以上。制作一个普通模型只需要短短几分钟,比过去的方法快25-100倍,一次成型不分层的设计能够很轻松地制出更精细、更复杂的物体。
  3D打印之所以吸引人,因为它让“定制化”的门坎降低了不少,使设想有更大的机会形成实物。与传统3D打印技能相比,液体3D打印带来的速度和质量的改变堪称是革命性的,未来的应用令人期待。
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