3D打印大變樣

陸靜妤

3D打印技術已經越來越深入到人類生活中了。

3D打印的原理其實跟我們熟悉的普通打印機的相同。普通打印機能將電腦中的文字和圖表等印在一張張白紙上，放大這些文字圖表，可以看到它們是由一個個極小的有顏色的墨點組成的，我們將這些點稱作像素點。如果將這些像素點用三個噴頭同時在上下、左右和前后三個面上“打印”出來，會得到什么效果呢？3D打印正是這種想法的結晶。

同樣在電腦中將需要打印的成品設計出來，然后將之傳送到3D打印機中。打印機將這個物體分解成一張張跟紙一樣薄的薄層，然后在每一層上噴出相應的“像素點”，最終這些平面堆疊在一起，就組成了電腦藍圖中的物體。

當然，這些“像素點”的成分不再是墨水，而是根據實物選擇相應的原材料。最早的原材料是塑料，人們能打印出各種塑料制品。后來，原材料的種類越來越豐富多樣，石膏、尼龍、樹脂、金屬和陶瓷等各種材料的出現，讓3D打印更加名副其實了。

不過，3D打印迄今還有兩大難以解決的問題：不精細和耗時長。打印出來的3D物品由于是一層層堆疊起來的，堆疊時難免出現接縫甚至偏差，因此很難像機械制造出來的一體成型的器具那么完美無瑕。而且，就像彩印比黑白打印的時間要長一樣，需要噴出的“像素點”越多，所用的時間就越長，就算是打印一件小擺件，3D打印都要用上幾個小時，更別提其他更復雜的東西了。該如何解決這兩個大問題呢？

用迄今人類能控制的最小材料——量子點作為3D打印的墨水，也許能解決第一個大問題。美國麻省理工學院的科學家用能發出熒光的粒子打印出的體積大約為1立方毫米的物體，分辨率能達到50納米。如果研究人員想要制作大約1立方厘米的較大物體，分辨率會相應降低到約500納米。但與其他3D打印的物品相比，500納米分辨率的物品精細程度已經很高——它的瑕疵要在高性能的光學顯微鏡下才能看清。

傳統3D打印技術是像堆積木一樣，一層層地將原材料堆成一個整體，效率低，耗時長。如果能像機械化生產一樣，使用一個完整的原材料一體成型制成成品，不就能大大提高效率，縮短時間了嗎？美國加州大學伯克利分校的幾位材料學家想出了這種新型的3D打印技術：將原材料放在容器中，用光束作為“刻刀”，將成品從溶液中“雕刻”出來。

研究人員選擇了一種根據光線強弱和方向變化會發生選擇性固化的光敏液體（甲基丙烯酸酯明膠水凝膠），當光線從不同的角度投射出來，這種多角度的曝光疊加，可以讓光敏液體固化成設計的樣子。

設計完成后，研究人員將設計圖用一個普通的投影儀投射出來，光束穿過圖片，照向一個裝有光敏液體的持續旋轉的容器。慢慢地，實物就在溶液中被“雕”了出來。

放上不同的設計圖，研究人員能制出許多物品，比如玩具飛機、水晶籠球甚至假牙模型等，而根據不同的精度和材料條件，打印時間僅需30～120秒。這套系統的最高精度，目前可以達到0.3毫米，是一種能同時兼顧時間和精度的很有潛力的3D打印技術。未來，隨著光敏材料種類的增加，它能打印出的物品會越來越多。

在更遠的將來，這種方法也可能用于制造納米級電子產品或機器人。