走近日常生活的3D打印

李忠东

3D打印技术被视为“第三次工业革命”的重大标志之一，引起了全球的广泛关注。3D打印技术又称“三維打印技术”或“快速制造技术”，是基于离散—堆积原理，由零件三维数据驱动直接制造零件的科学技术体系。它是融合计算机辅助设计、材料加工与成形技术为一体，以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。

相对于传统的对原材料进行去除、切削、组装的加工模式不同，3D打印是一种通过材料累加的制造方法，是从无到有的“增材制造”技术。与平面打印机不一样，3D打印是立体打印，两者有本质上的区别：平面打印机里面装的是墨粉；而3D打印机里面则是一个庞大的材料系统，根据产品需要配备各种相应的材料。3D打印技术最突出的优点是无需模具，也不需要机械加工就能直接从设计好的计算机图形数据中生成任何形状的物体。造模是传统制造业核心的一个环节。以往很多高端产品能设计出来却生产不出来，最大的困难就出在耗时很长的造模环节，而3D打印机则跨越了造模这个环节。

下文我们就来介绍几个典型的案例，帮助大家体会如今的3D 打印是如何走进日常生活的。

首枚“生物墨水”3D打印人类眼角膜

今年5月30日发表在《实验眼科研究》杂志的一份研究报告宣布，英国纽卡斯尔大学的研究人员已经开发出全球首个3D打印人类眼角膜。他们将健康人士捐赠的眼角膜干细胞（眼角膜基质细胞）与藻酸盐、胶原蛋白混合，制造出一种能用于3D打印的“生物墨水”，随后使用一台成本很低的3D生物打印机，将“生物墨水”成功挤压成同心圆，最终形成人眼角膜的形状。更令人惊讶的是，3D打印角膜的制造过程相当简单，甚至不用10分钟，而且干细胞可以继续发育。

眼角膜位于眼球前部，呈横椭圆形，完全透明，含有许多十分敏感的神经末梢。如有外物接触眼角膜，眼睑即会合上，以保护眼睛不受到有害物质的影响。如果把眼睛比作一部相机，视网膜、视神经与大脑视觉中枢的功能就像胶卷，虹膜像光圈，眼角膜就像是相机的镜片。眼角膜如果变得混浊，就好比照相机的镜片磨损了，会影响到相机影像的质量。眼角膜出现损伤时会引起疼痛和视力障碍，一些感染性的眼病也会影响其健康，最终导致失明。

目前全球可供移植的角膜数量严重短缺。现在世界上有很多团队都在寻找一种最理想的生物墨水。该团队负责人、纽卡斯尔大学组织工程学切·康农教授指出，实验证明通过扫描患者眼睛来3D打印眼角膜的做法可行。他指出：“如果未来3D打印眼角膜能得到医学界的认可，实现临床应用，那么对于全球1500万渴望接受角膜移植的患者以及由于眼角膜损伤导致视力障碍的人士，无疑是天大的福音。”

“百变”3D打印房屋

3D打印技术在艺术、医院甚至厨房都有应用，也有可能成为更可持续建筑的关键部分，帮助降低材料成本。荷兰埃因霍温市的一个被称为“里程碑”的房地产项目，将从2019年开始连续建造5套可居住的3D打印混凝土房屋，它将是世界上第一种可正式用于居住的3D打印房屋。

为提高效率，第一套拥有两个卧室的单层住宅，建筑面积仅有1000平方英尺，3D打印技术将仅用于外墙和内墙的建造，预计明年中期可供居住。其他4套为多层住宅，有多层楼，带有精致的天井和阳台，且在抗震性和防火性等安全方面均有保障。该项目经理盖普宣称：“与传统建筑相比，3D打印房屋可以避免材料浪费，减少建筑垃圾，节省人力资源，缩短工程时间。但是它最具竞争力的优势在于能够让居住者根据自身需求打造‘百变住宅，自由地呈现外形。通过3D打印，我们会让世界知道一切皆有可能，而传统建筑在造型上有很大的局限性。”

“里程碑”项目中的第一套房屋的建筑元素将全部在埃因霍温科技3D打印，随后运到现场组装。建筑团队希望，当最后一套拥有三个卧室的三层住宅开始建造时，3D打印机将在项目现场完成整栋建筑（包括给排水管道）的构筑和安装。埃因霍温理工大学3D打印研究小组负责人赛欧·萨勒特说：“项目的合作伙伴将一边施工，一边继续研究具体的3D打印，将他们学到的经验教训应用到下一套房子。这意味着每套3D打印房屋都可以从我们已经学到的先进洞察力和知识中受益，并且可以直接融入居民的意愿。”

首座3D打印混凝土自行车桥

2017年10月17日，世界首座3D打印混凝土自行车桥在荷兰东部小城海默特落成通车。该桥长8米，宽3.5米，经过建筑公司的承重测试，可承载2吨的重力，至少可以使用30年。

这座专供骑自行车者使用的3D打印桥由荷兰埃因霍温技术大学与皇家BAM集团合作建造，据说是世界上第一次以3D打印技术进行这样规模的实践，因此也被称为“世界第一桥”。埃因霍温技术大学西奥·索奈特教授说：“尽管还需要使用其它建筑材料，但3D打印的结构件无疑是核心。”

工程于去年6月开始，特殊的混凝土砂浆穿过打印头，打印出独立的混凝土层，厚度约为1厘米。在混凝土变干之前，钢丝会穿过打印头，在水泥层上铺成钢筋。如此一层层地叠加到800层为止。打印好的8个1米长的建筑块被拖到建筑工地组装胶合在一起，再用重型电缆完成固定。虽然影响3D打印桥梁的成败有很多重要因素，但研发团队认为特殊的3D打印砂浆是成功的关键。

打印3D桥梁有三大优势：一是速度快，比传统混凝土技术快3倍，而且可以造出形状独特的建筑；二是节约资源，所使用的混凝土比传统方法少很多；三是保持桥梁的整体性，打印时砂浆就像牙膏一样，可以很有规则地在模具中铺陈，有助于保持桥梁的整体性。”

荷兰全国运河遍布，水网纵横，桥梁对于出行极为重要，类似这座供自行车通行的3D打印桥梁有很大的发挥空间。它在专业分类上称为“简单的桥”，但实际上并不简单。研发团队的博士生罗布·沃尔夫和10名学生为这项技术研究了数年，致力让这项3D打印水泥桥的技术臻于完美。

不经意间， 3D打印已经飞入寻常巷陌，不断地给我们的日常生活带来惊喜。