一種新的3D打印機利用光線能在幾分鐘內(nèi)將粘稠的液體變成復(fù)雜的固體。

這種3D打印機被發(fā)明者戲稱為“復(fù)制器”(replicator)，以《星際迷航》(Star Trek)中可以按需生產(chǎn)任何物體的設(shè)備命名。與傳統(tǒng)3D打印機相比，這種3D打印機可以生產(chǎn)出更流暢、更靈活、更復(fù)雜的物體。

它還可以用新材料來包裝一個已經(jīng)存在的物體——例如，在金屬螺絲刀軸上增加一個把手——這是目前的打印機難以做到的。

研究人員說，這項技術(shù)有可能改變從假肢到眼鏡鏡片等各種產(chǎn)品的設(shè)計和制造方式。

“我認為這是一個更能夠大規(guī)模定制產(chǎn)品的途徑,無論需要生產(chǎn)的是假肢還是跑鞋,”加州大學(xué)伯克利分校機械工程助理教授泰勒·海登(Hayden Taylor)說，他同時還是這篇描述3D打印機的論文的資深作者，這篇論文1月31日在線發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

泰勒說:“事實上，你可以從其他制造過程中獲得金屬部件或其他東西，并添加可定制的幾何形狀，我認為這可能會改變產(chǎn)品的設(shè)計方式?！?br />
大多數(shù)3D打印機，包括其他基于光的技術(shù)，都是一層一層地構(gòu)建3D對象。這導(dǎo)致了沿邊緣的“階梯”效應(yīng)。

由于可彎曲材料在打印過程中會發(fā)生變形，而且打印某些形狀的物體(如拱門)需要支架，因此制造柔性物體也有困難。

這種新型打印機依賴于一種粘性液體，當(dāng)接觸到一定的光閾值時，這種液體會發(fā)生反應(yīng)，形成固體。

將精心制作的光線圖案——本質(zhì)上是“電影”——投射到一個旋轉(zhuǎn)的液體圓柱體上，“一下子”就能固化想要的形狀。

“基本上，比如說這里有一個現(xiàn)成的視頻投影儀，我從家里帶來的，然后你把它插到筆記本電腦上，用它來投影一系列的計算圖像，同時使用一個馬達轉(zhuǎn)動一個圓柱體，里面有3D打印樹脂。”泰勒說。

“很明顯，這其中有很多微妙之處——你如何制作樹脂，最重要的是，你如何計算將要投影的圖像，但要創(chuàng)建這個工具的一個非常簡單的版本，困難并不大?！?br />
泰勒和他的團隊使用打印機創(chuàng)造了一系列的物品，從羅丹的“思想者”雕像的小模型到定制的頜骨模型。

目前，他們可以制作直徑達4英寸的物體。

“這是我們第一次不需要一層一層地構(gòu)建定制3D部件，”布雷特·凱利(Brett Kelly)說。他是這篇論文的第一作者之一，他在加州大學(xué)伯克利分校(UC Berkeley)和勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory)當(dāng)學(xué)生時完成了這項工作。

“它讓3D打印真正實現(xiàn)了三維化?！?br />
這種新型打印機的靈感來自于計算機斷層掃描(CT)，它可以幫助醫(yī)生定位體內(nèi)的腫瘤和骨折。

CT掃描從不同的角度將X射線或其他類型的電磁輻射投射到人體內(nèi)。分析傳輸能量的模式可以揭示物體的幾何形狀。

泰勒說:“實際上，我們從相反的角度利用了這一原理。我們試圖創(chuàng)建一個物體，而不是測量一個物體，但實際上，許多使我們能夠做到這一點的基本理論，可以從計算機斷層掃描的原理中轉(zhuǎn)化出來?！?br />
除了讓光線遵循固定模式，這還需要復(fù)雜的計算才能得到產(chǎn)品確切的形狀和強度，研究人員面臨的另一主要挑戰(zhàn)是如何選擇材料，這種材料需要在只有一點點光線時保持液態(tài)，而在暴露在大量光線下時變成固態(tài)。

泰勒說:“這種液體當(dāng)然會對光線有反應(yīng)，所以從液體到固體的轉(zhuǎn)變需要有一個曝光閾值?！?br />
該3D打印樹脂由液體聚合物與光敏分子和溶解氧混合而成。光激活光敏化合物，消耗氧氣。

只有在氧氣耗盡的3D區(qū)域，聚合物才會形成“交聯(lián)”，將樹脂從液體轉(zhuǎn)化為固體。

未使用的樹脂可以在氧氣環(huán)境中加熱回收，泰勒說。

“我們的技術(shù)幾乎不會產(chǎn)生任何材料浪費，而且未固化的材料是100%可重復(fù)利用的，”加州大學(xué)伯克利分校泰勒實驗室的研究生、該研究的第一作者之一侯賽因·海達里(Hossein Heidari)說。

“這是免費3D打印的另一個優(yōu)勢?！?br />
對象也不必是透明的。研究人員使用一種染料打印出看起來不透明的物體，這種染料能以固化波長傳輸光，但吸收大部分其他波長。

利弗莫爾實驗室(Livermore lab)的工程師馬克西姆·舒斯特夫(Maxim Shusteff)說:“這對我來說尤其滿意，因為它創(chuàng)造了一個新的立體或‘一次性’3D打印框架，我們近年來已經(jīng)開始建立這個框架。”

“我們希望這將為許多其他研究人員探索這一令人興奮的技術(shù)領(lǐng)域開辟道路。”

加州大學(xué)伯克利分校的Indrasen Bhattacharya是這項研究的第一作者之一。其他作者包括勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的Christopher M. Spadaccini。

這項工作得到了加州大學(xué)伯克利分校教員創(chuàng)業(yè)基金和勞倫斯利弗莫爾國家實驗室實驗室指導(dǎo)的研究和發(fā)展基金的支持。這個小組已經(jīng)就這項技術(shù)申請了專利。

根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院分析，3D打印材料作為3D打印的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，3D打印材料的發(fā)展直接制約著3D打印技術(shù)的發(fā)展。隨著3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模越來越大，3D打印材料在整個行業(yè)中的地位也愈加重要。2017年，全球3D打印材料市場約占全部3D打印市場的36.63%，預(yù)計到2018年，全球3D打印材料市場規(guī)模將會進一步擴張，且增速略大于全球3D打印市場，所占比重進一步提高，超過38%。


據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《中國3D打印材料行業(yè)發(fā)展前景預(yù)測與投資策略規(guī)劃報告》統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截止至2017年全球3D打印材料市場規(guī)模增長至26.89億美元，較上年增長31.11%。預(yù)計2018年全球3D打印材料市場規(guī)模將會突破30億美元達到了32.27億美元。全球3D打印材料市場規(guī)模近5年來一直維持20%以上的增速，處于穩(wěn)定快速的發(fā)展期，隨著3D打印技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展和越來越多的3D材料面世，全球3D打印材料市場將會繼續(xù)保持穩(wěn)定增長的趨勢。