3D打印需要什么样的“墨水”？（一）
摘要: 今天，3D打印这一新兴技术已经被越来越多的人所了解，各大新闻媒体几乎每天都有关于3D打印技术新进展的报道。从打印饰物、玩具到打印电器、汽车，甚至武器和人造器官，3D打印以独特的方式给许许多多普通人的生活带来便利，也正在给制造业带来前所未有的变革。
| 在3D打印日渐风行的同时，你是否真正了解它是如何工作的呢？在这一组文章中，笔者将为大家介绍3D打印技术背后精彩纷呈的材料学知识。首先，我们要来回答一个问题：什么是3D打印，我们为什么需要它？ 什么是3D打印？
另一种途径是先根据我们的设计加工出对应的模具，再将金属熔化后倒入模具，最后等金属冷却后将它从模具中取出即可。这叫浇铸，也是制造业最常用的制造方法之一，每天都有不计其数的金属、塑料、玻璃等不同材质的物品通过形状各异的模具被生产出来。但这种方法也有不少的缺陷。首先，模具本身的设计及加工往往并非易事，需要花费大量人力物力去制作。这种方法虽然适合于大批量的生产，但对于只需要加工少量物品的场合，开模具的成本往往会高到令人难以承受。其次，许多复杂的结构难以加工出对应的模具，例如对封闭的中空物件仍然束手无策。 现在你是否感到沮丧，认为这件头像只能停留在纸面上了？不要灰心，回想一下小时候玩过的积木，让我们来按照同样的方法把头像搭起来吧。假设这件头像高度是10厘米。那么我们首先把它在竖直方向上分成一百层，也就是说每一层的高度只有1毫米，然后从下至上将它们从1编号至100。接下来我们从第1层开始，根据截面的形状一点一点地把金属材料放置到指定的位置。第1层完成之后，我们再根据第2层的截面形状把金属材料逐渐放置到第1层的指定位置，接下来是第3层、第4层，直到第100层完成之后，我们也就得到了想要的雕像。 或许你觉得这样的过程用手工操作太过繁琐，不要紧，有自动化的设备为我们代劳。首先我们利用类似AutoCAD这样的计算机辅助设计软件准备好需要制造的物体的三维模型，再利用专门的软件将三维模型分割成若干二维的截面图，最后由适当的仪器设备根据这些图纸将材料一点一点、一层一层地堆积叠加起来，我们想要的物体就制造出来了。这样的制造方式是不是有些类似我们在家中或者办公室中用打印机打印文档？只不过打印不再发生在二维的纸上，而是在三维空间里进行，这就是为什么这种制造方法被称为3D打印的原因。由于3D打印是用逐步逐层叠加的方法将物品制造出来，它又被称为增材制造技术 (additive manufacturing, 简称AM)；而传统的机械加工由于是通过选择性地除去材料来制造出特定的物品，因此被相应地称为减材制造技术(subtractive manufacturing)。
图1 3D打印的基本流程，从左至右依次为：(1) 使用计算机辅助设计软件生成三维模型；(2) 存为STL格式文件（一种3D打印系统通用的文件格式）；(3、4) 3D打印软件将三维模型分割为若干二维平面图；(5) 3D打印设备根据图纸逐层打印；(6)样品制造完成[1] 那么同传统的制造方式相比，3D打印有什么独特的优势呢？同切削、雕刻、钻孔这样传统的机械加工相比，3D打印大大节约了原材料；而同浇铸等利用模具制造的方法相比，3D打印又省去了制作模具的步骤，同样节约了宝贵的资源，特别是制造的数量不多时，省去加工模具这一步节约的人力物力是非常可观的。而且非常重要的是，同这两种传统的制造方法相比，3D打印制造复杂的结构更加得心应手。前面提到的中空的金属雕像，用3D打印轻而易举地就可以实现。正是由于3D打印的这些独到之处，在制造复杂的结构，特别是只需要生产少量物品的情况下，例如制作普通家庭的小饰物、艺术家的雕塑、企业为客户演示用的模型，甚至医院为患者量身制作的人造器官等， 3D打印都迅速占据了一席之地，起到了传统制造业难以替代的作用。 怎么样，3D打印的概念是不是听起来很美妙？不过随之而来的问题是，我们需要用什么样的“墨水”才能让3D打印成为现实？ 至关重要的材料学 要想通过3D打印的方式制造物品，我们需要计算机软件、自动化控制、仪器制造等诸多领域的密切配合，但毫无疑问的是，没有合适的材料，3D打印将只是停留在纸面上的空想而已。那么3D打印需要什么样的材料？ 从前面提到的3D打印的流程我们不难看到，3D打印需要这样一种材料：它必须能够非常方便地被3D打印机输送到指定的区域，而一旦到达了指定的位置，它又必须能够保持住指定的形状，并且要保证样品的层与层之间能够牢固地粘合在一起。很显然，这种材料最好能够先以液体的形式被储存和输送，然后又能在很短时间内变成固体。 这样的要求听上去并不难实现，例如要制造刚才提到的金属头像，我们或许可以用3D打印机将熔化的铁水一点一点地滴加到指定的位置，再等待铁水凝固。但是不要忘记，3D打印机的许多使用者是小型企业、学校甚至普通家庭，他们往往难以承受高昂的设备成本和苛刻的加工环境；因此给3D打印材料带来了很多额外的限制，像刚刚提到的方法就明显不大合适，因为铁需要上千度的高温才能被熔化成铁水。要是把这样一台3D打印机放在家中不停地工作，恐怕没有几个人能忍受它带来的高温。而且这样的3D打印设备由于要承受高温，通常需要使用特殊的材料，生产成本也会高到令普通消费者难以接受的程度。 因此，一种材料要想成为3D打印的“墨水”，不仅需要在短时间之内完成从流体到固体的转变，而且这种转变必须能够以不太高的成本、在温和的条件下来实现。当然，这样的要求难不倒3D打印技术的研究人员，他们成功地找到了许多符合要求的”墨水“，并在此基础上开发出各式各样的3D打印技术。 我们首先将要了解的3D打印技术用一个字概括，那就是——光。 |
