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听说3D打印了人造卵巢?还有什么是3D打印不能做的?

  机械制造技术的江湖上风起云涌,门派众多,各大帮会瓜分天下,目前谁也没有能力鲸吞,今后也很难有某种技术可以雄霸武林。3D打印作为其中的新生力量,虽有蓬勃奋起之势,却终无改天换日之能。

  近日,报道,研究人员利用水凝胶打印出多孔支架,并将卵泡细胞填充进孔洞中,成功组造卵巢。含有生物假体的卵巢,让小鼠成功诞下了健康的幼崽。

  如今,不知道这个词的年轻人简直是有如上古神兽一般的化石级存在。但是要真的刨根问底的话,恐怕就没有几个人能把3D打印到底是个什么东西说清楚了,甚至从来没见过3D打印机或者3D打印产品的人也绝对是大有人在。可谓是没吃过猪肉,也没见过猪跑,光知道猪咋叫唤。

  从形式上来看,3D打印确实比较高大上,机器轰鸣、热火朝天的场面变成了轻点鼠标、纤尘不染,大汗淋漓、脸颊黢黑的工人师傅变成了一切尽在掌握的都市白领,一杯咖啡的功夫,任务完成,so easy!

  图1左:某工业用3D打印机,成型材料应为塑料(来源网络);图1右:以金属作为原材料3D打印成的饰品(来源网络)

  首先明确一点,3D打印绝非21世纪的新生事物。上世纪八十年代相关概念就已提出,商用产品也早已面世了。十多年以前我还是大学一年级的懵懂少年,在金工实习的就曾经见过利用3D打印手段成型的产品。那是一个白色的人头雕塑,类似于美术生临摹的石膏像。

  只不过,当年3D打印这么洋气的叫法还没有流传开来,我们所用的说法是相对土气的“三维成型”(实际上3D打印是三维成型技术中比较有代表性的一种)。

  说白了,3D打印就是一种材料成型(机械制造)技术,跟锻造、铸造、轧制、冲压以及包括车钳洗刨磨在内的机械加工手段一样,都可以把材料加工成具有某种形状的部件。

  不过,3D打印又具有诸多独到之处,不然也绝对不会与上述这些一直与人类同成长、共进退的元老级技术相提并论,并在上大出风头了。

  首先得有冲压用的模具,这个模具好比月饼印一样,决定了零件的形状。一般是用专门的模具钢制造,硬度高而且韧性好。模具分为上模和下模,上模安装在压力机上,可以以很高的速度压向下模。要加工的材料好比是做月饼的面团,被这么瞬间一压,就变成了模具的形状,之后用车床除去多余的部分,再进行一些研磨抛光一类的机械加工,零件就完成了。

  首先,在电脑上绘制好零件的设计图,然后将设计数据导入3D打印机,就可以开始制造零件了。以熔融沉积式3D打印机为例,事先准备好的低熔点线D打印机的喷嘴加热后喷出。

  图3左:某塑料熔融沉积式低端工业用3D打印机,白色线右:该打印机的喷头部位特写,双喷头设计,可同时打印两种不同塑料

  在电脑的控制下,喷嘴在空间中由低到高逐层进行描画,最后形成零件,基本无须任何的后处理。

  首先,3D打印与计算机辅助设计(CAD)以及计算机辅助制造(CAM)密不可分,任何3D打印的零件都要从电脑设计图开始自己的生命历程。假如事先只有图纸,没有电脑可以直接利用的造型数据,也得重新在电脑中建立模型,绘制设计图。

  其次,3D打印是一种增材制造技术,也就是说与传统的车床机械加工一类减材制造技术不同,产品是由原料直接在空间中堆砌而成。可以把车床机械加工比作石雕,刀斧锤凿齐上阵,最终的作品比起最初的原石只少不多。另外一方面,3D打印好比泥塑,塑造形象的组成部分不断叠加,最终的作品比起最初的泥胚只多不少。有了这迥异于其他前辈的两大特色,3D打印能在机械制造技术的武林之中自立门户也就不足为奇了。

  那么,3D打印到底为制造业带来了怎样的变革呢?下面的几个例子可以提供一些参考。

  铸造技术,作为有着上千年历史的古老技术,堪称制造业的基石之一。中国先民们在两千年前的商代就已经掌握了大型青铜器的铸造技术,也留下了司母戊大方鼎,四羊方尊等等无价之宝。铸造技术的优点是可以形成复杂的形状,也方便制造空心形态的产品,如发动机机箱等。

  图4左:司母戊大方鼎(来源网络)图4中:四羊方尊(来源网络);图4右:四羊方尊局部,体现出铸造便于形成复杂形状的特点(来源网络)

  传统铸造的通常工序是,首先利用容易成型的材料,比如石蜡,木头等,加工出一个与产品有着类似外型的母模。然后,在这个母模的四周覆盖上具有一定粘度的型砂,用机器震实后再取出母模,型砂中就会自然形成母模也就是产品的形状,这样的铸模称为砂型。最后,通过预留的浇注孔把熔融的金属液灌入砂型中,冷却后去掉周围的砂型再进行一定程度的机械加工即可。图4左:司母戊大方鼎(来源网络)图4中:四羊方尊(来源网络);图4右:四羊方尊局部,体现出铸造便于形成复杂形状的特点(来源网络)

  图6左:传统木制母模(来源网络)图6右:利用3D打印技术制成的塑料母模(来源网络)

  传统工艺中的母模不需要再特意去加工了,用3D打印技术可以轻松的调整设计并实时生成母模,极大的节省了制作母模的时间和效率。好比用活字印刷代替了雕版印刷,无需因为一个制版错误就废弃整块板,可以随时方便的进行调整。同时,3D打印生成的母模可以根据具体情况选择不同的材质,对耐久度要求高的场合可以采用金属材料,对成本要求高的场合可以采取树脂材料,无论是哪种情况都不存在传统木模对温度湿度,易变形寿命低的缺陷。甚至制作母模的工序都可以略过,利用3D打印技术能够直接生成铸造砂型,当然这个时候所用的原料就是可以耐高温的陶瓷了。这种3D打印砂型可以最大限度的还原铸件原本的形态,极大的提高了成品的精度和良率。

  比如文初提到的3D打印人造卵巢。现在,医用钛合金人工骨,人工关节等已经广泛采用了3D打印技术。首先通过CT或者核磁共振等成像技术获知患者身体的精确三维结构,然后将数据利用计算机进行处理并完成个性化设计。之后利用3D打印生成独一无二的专属人工骨,极大的提升了患者的治疗质量。

  图7左:利用3D打印技术制成的人工骨(白色部分)(来源网络);图7右:利用3D打印技术制成的牙套(来源网络)

  又如,3D打印在口腔医学,尤其是口腔正畸医学界也呈现星火燎原之势。时下十分流行的牙套,就无法缺少3D打印技术的支持。该技术利用功能强大的行业软件,精确分析患者经过佩戴正畸牙套后牙齿的移动情况,再配合3D打印技术生产出一系列适应于不同阶段的牙套。这样的牙套不影响美观,对牙齿和口腔很小,并且不影响,患者只需要遵照电脑计算的结果定期更换牙套即可。

  最后的一个例子来自于较为前沿的一项研究。美国西北大学的一个课题组上周在国际期刊上发表了关于3D打印的最新研究,他们利用3D打印技术将明胶打印成类似于卵巢组织的结构,然后将从小鼠体内提取出的卵泡和激素生成细胞植入这种明胶骨架,得到3D打印的人工卵巢组织。该人工卵巢在移植入摘除卵巢的小鼠体内后,表现出了功能健全卵巢的特性,可以正常排卵,在小鼠经过多代繁殖后也未见后代异常(图8)。虽然离人工制造组织或者器官这样的人类终极梦想仍然遥远,3D打印还是帮助我们迈出了开拓性的一步。

  图8左:将明胶用3D打印技术制成与卵巢组织类似的结构(来源网络);图8右:人工卵巢排出的卵子繁殖出的小鼠,利用基因编辑技术,处理植入人工卵巢的卵子,繁殖后的小鼠将通体呈现荧光。绿色荧光作为标记,以便于确定小鼠确实繁殖于该人工卵巢(来源网络)

  3D打印虽然在特定的领域具有独到的应用价值,目前该技术本身仍然存在诸多缺陷。

  首先,3D打印可以成型的材料虽然种类日渐广泛,离我们生活较近的消费级3D打印机却只能打印塑料。这是因为无论是陶瓷成型还是金属成型,都需要极高的温度和能耗,适用于上述两种材料的激光加热和电子束加热方式,很难出现在消费级产品上。

  此外,一台几千人民币的消费级电子打印机可以给你带来什么呢?笔者个人除了打印一些劣质DIY手办以外基本想不出别的点子来。

  拿笔者实验室的一台加热熔融式塑料电子打印机为例,起初购买的目的是为了能制造一些实验中可能用到的小型夹具,治具等等。后来打印了一个电镀用夹具后,发现了一个严重的问题,这个塑料小零件的致密度太低,低到漏水。这是因为3D打印机在工作时都是以层为单位向上堆积,为了实现最经济的堆积,并不是整个空间都会填充上塑料。

  图9左:外弱中干,年少体虚的3D打印小兔子;图9右:3D打印的逐层扫描叠层堆积构造,可见致密度相当低

  这就好比建筑房屋,想让房顶不塌下来只要有几道承重墙就好了。这个例子从一个侧面说明现阶段的消费级3D打印机在性能上的表现仍然不够出色,成本和价格方面尚存大量下行空间。

  在传统的重工业领域,3D打印机虽然已有一定的高光表现,仍然不能作为主流技术看待,大型零件的首选加工方式在很长一段时间内仍然会是以铸造、锻造等为代表的传统技术。

  比如,C919大型客机的机翼已经有部分钛合金构件采用了3D打印技术。这固然可喜可贺,不过要说3D打印已经全面进军大型零件制造这一领域,恐怕是言之过早。

  首先,即便是最为大型的金属3D打印设备,也只能制造大概一个长沙发那么大的零件。而实际工业生产中的大型零件,却远远超过这一尺寸。比如包裹核电站堆芯的压力容器,就是直径数米,高度几十米的庞然大物,且在几十年的服役期间内,不能有任何的质量隐患,目前为止也只有传统的锻造方式可以加工(图10)。

  又如三峡各个机组的水轮机,每片叶轮都高达十几米,因为形状特殊,目前只能采用铸造的方式加以生产,每片叶轮价格达到两百万元。所以,我们在听取关于3D打印的报道时,一定要区分真正的技术进展和商业噱头。比如所谓的3D打印蛋糕,技术上毫无新意,不过是满足猎奇心理的营销手段罢了。

  图10左:核电站压力容器吊装(来源网络);图10中:三峡水电站某水轮机转轮出厂仪式(来源网络);图10右:该水轮机转轮叶片铸造完成后的形态(来源网络)

  机械制造技术的江湖上风起云涌,门派众多,各大帮会瓜分天下,目前谁也没有能力鲸吞,今后也很难有某种技术可以雄霸武林。3D打印作为其中的新生力量,虽有蓬勃奋起之势,却终无改天换日之能。

  同时,我们必须要注意到3D打印得以兴盛的时代背景,那就是计算机运算能力的稳步前进和相关软件的功能提升。

  3D打印技术诞生以来的30多年里,相关的材料和机电等领域并未发生性的重大突破,然而计算机的运算能力却提高到了当年的上千倍,并最终彻底的改变了我们的生活和生产形态,也极大地促成了3D打印技术的大发展。

  一言以蔽之,3D打印仅仅是数字化浪潮中的一朵浪花,与其说是英雄造时势,不如说是时势造英雄。

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