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一起来看那些不按常理出牌的3D打印技术

2017-03-28 08:43
来源: 材料牛

随着美国前总统奥巴马对3D打印技术的提倡,这个行业如同旋风一般扫过传统工业。医学,建筑,电子,航空机械等领域对3D打印的探索项目如同雨后春笋。在百花齐放的环境下,几乎每个月都有新的3D打印概念被提出,每个月都有新的3D打印机器被推出。今天我们要探讨的并不是已经风靡业界的SLM或者Polyjet,而是那些比较冷门的概念。

ASTM (美国材料与试验协会) 在2009 年10 月正式命名三维打印(3D Printing)为增材加工(Additive Manufacturing)。无奈3DP是个很容易流行的词,到如今业界还是顺口叫3DP。我们常见的3D打印机都是打印塑料,金属以及陶瓷材料。当然,生物打印,器官打印等也成了这些年的热门。

科学家的脑洞永远是个黑洞,还真就有那么几个不按照常理出牌的团队。在这篇我们重点介绍打印冰模型,打印纸模型,以及打印肉这三种概念。打印肉?真肉,真的牛肉羊肉猪肉,口味略重,最后介绍。 本文如果触犯某些宗教信仰请见谅,这只是一篇耿直的学术报告。

1. 打印冰- 快速冻结原型机(Rapid Freeze Prototyping)。

此概念被密苏里大学罗拉分校的Ming Leu博士提出。相比于常被用来做铸造原型的石蜡或者塑料,冰显然更环保。于是利用3D打印冰原型来制造铸模成了一个诱人的主意。

在这里稍微科普下铸造,首先做一个原型,一般是用石蜡或者塑料这种容易塑形的材料。其次,将沙粉或者陶瓷粉覆盖到原型上(一般加入粘合剂),直到定型。此过程一般称作沙模 (sand casting)或者脱蜡(investment casting)法。最后,通过加热固化模具,同时抽离铸模。

如下图1所示,快速冻结原型机利用一个准确定位喷头将水一层一层的撒到冷却台上, 液体水快速转化为固体,形成一个晶莹剔透的原型。这并不是简单的洒水,科学家们花了大量的时间研究了热力学原理,以及水的固液态转化过程,才准确的定义了水滴的大小,喷水的速度,以及冷却温度等。

图1:快速冻结原型机的工作原理。 摘自文献1.

梦想:(1)3D打印的冰原型可以被用来制作结构复杂的铸模原型,天然无污染成本低易脱模。(2)它也可以制作医疗用的透明模型, 方便手术团队观察探讨内部细节,更好的完成手术计划。(3)它可以以极低的成本打印漂亮的冰晶模型,比如婚礼上打印一对漂亮的冰晶天鹅,冰晶新人雕塑。以低廉的价格享受水晶的奢华。

现实:(1)在室温下,制作铸模的材料颗粒尚未附着上冰原型,微小的冰结构自己就融化了。除非去零下的冷冻室完成沙粉或者陶瓷粉的覆盖。问题是,温度越低,这些沙粉或者陶瓷粉的粘合剂流动性越差,很难附着在模型表面。(2)想要使用医用冰模型,医生必须不怕冷,能在冷冻室拿着冰模型跟工作人员讨论手术细节。(3)美丽的冰晶造型只限冬天在零下的环境下结婚的人,为了这冰雕,酒店暖气都得关掉。除非你能请来冰雪女王Elsa。

评论:就环保来说,前景还是美好的。他们团队最近还研究出了用糖溶液来做可溶解支撑的技术,坚持环保。 我们的大东北或者我们在西伯利亚的邻居可以用快速冻结原型机打印门口的狮子,栅栏,雕塑。不负责的推荐,哈尔滨有关单位可以考虑买几台,打印冬天店外的各种冰晶展品,打印一个冰雪小世界。

2. 打印纸- 选择性纸层积累打印(Selective Deposition Lamination)

Mcor technologies公司在2003年推出了这个纸层积累打印机。此打印机是利用一个激光刀在镀了一层黏胶的纸长上切出每一层的形状,然后反复叠加得到最终的3D模型。他们宣称能打印出100万种颜色,像素在 5760 x 1440 x 508 dpi 的部件。 图2解释了选择性纸层积累打印的工作原理。

图2:选择性纸层积累打印的工作原理

此机器的工作原理很简单:铺一层纸,用激光刀切出这层的形状;加热溶解纸上的胶水,两层紧紧的粘合在一起。是不是想到了我们小学的手工作业?

然而,他们是如何打印出颜色的呢?不要吃惊,他们用的是一个Epson的2D彩色打印机!有颜色设计的那层纸用彩色打印机印上颜色,然后铺过去切。

梦想:(1)鉴于目前市场打印机使用的材料限制,颜色比较单一。选择性纸层积累打印机能打印出颜色极其丰富的模型。比如饭馆用来展示菜品的纸苹果,纸香蕉,纸面条,纸碗;用来装饰的纸灯罩,纸餐巾纸盒,等。(2)环保,纸的废料可以再用来做纸,无限循环。(3)安全,纸无毒无害, 可安全触摸。

现实: 明明花几十块钱就能买到或者定做到各种颜色丰富,无毒,可触摸的石膏或者塑料的制品,为何要花大价钱,花功夫弄一个打印机去做呢? 可能我的环保意识还不够。

评论: Mcor还不是唯一卖这个打印机的。有一家叫Cubic Technologies 也推出了一款类似的产品。 试想一下,如果花几十欧元打印一个心形的印着女朋友名字的模型,在情人节那天送给她,会不会被打死呢?忘了提醒,一个等比例打印的纸苹果售价约为二十多欧元。

3. 打印肉- 3D打印肉(3D bioprintsteak/meat)

本文最重口味最可怕的部分来了,打印肉!WHAT! 打印肉?作为一个吃货,看到这个概念机的时候,我的内心是颤抖的,是害怕的。

3D 生物打印(3D bioprint)Modern Meadow公司一直专注于3D打印可供人类食用的肉类以及动物皮革。

2013年,Modern Meadow公司的CEO Andreas Forgacs 的一个会议上提出了打印肉产品这个概念。Forgacs提出,人类花费了大量的资源在肉食品上。譬如一块牛排就要消耗人力,饲料,水,土地,运输等, 养殖过程中还产生大量的温室气体(二氧化碳)。吃肉造成了如此大的资源消耗,这对我们的地球是一个很大的负担。因此,我们应该发展3D打印肉制品,保护环境。(对不起, 没想到吃肉就造成了这么多的麻烦。)

2014年李嘉诚先生投资千万美元给Modern Meadow可谓是一时热门。2015年,著名石油大王洛克菲勒的继承人贾斯丁-洛克菲勒 (Justin Rockefeller)也对Modern Meadow进行了一次数目不明的投资。贾斯汀甚至成了Modern Meadow生产的3D打印牛排的粉丝之一。“我已经吃了3D打印的牛排,它的味道像咸牛肉片,很美味。”

那么,3D打印肉的原理是什么呢?

图3: 3D 打印肉流程示意图

首先,提取猪身上的细胞,利用3D 打印技术完美的模拟出肉组织细胞的分布结构。比如,肉中的软骨支架,血管,不同部位不同类型的细胞分布等。

其次,3D打印的微型细胞结构,在模拟的跟动物身上完全一样的环境下,进行自然分化(这样欺骗细胞真的好吗?)。例如,五花肉细胞就完全模拟五花肉的受力情况以及结构。

最后,微型细胞结构开始从肉细胞长成肉块,成熟后直接做成香肠,肉排等。想吃五花肉就打印五花肉的结构,肥瘦相间,完美五层。想吃猪脚就打印猪脚,从此还省了啃骨头的苦工。是不是很方便,是不是很环保?从此养殖户屠宰场成历史。

最近,打印肉的概念还掀起了一轮道德议论。我们既然可以用猪肉细胞打印猪肉,那是否可以创造新的肉? 比如用牛的细胞猪的组织结构,制造出来的是不是就变成牛肉味的五花肉呢?更恐怖一点,人肉是否也变成了餐桌上的一种选择呢?对于素食者来说,他们提倡保护动物善待生命,那么是否也应该保护动物细胞?还是开始吃3D打印的肉呢? 细胞是个有生命的宝宝还是无生命的物体?

这些道德探讨就交给那些道德家。对于我们普通大众,最关心的莫过于,3D打印肉会不会像转基因食品一样偷偷的包抄我们的餐桌?据Andreas Forgacs, 也就是Modern Meadow公司的CEO估计,一磅3D打印肉的成本高达数千美元。所以,至少最近这十年一般人是吃不起的。反向来说,如果生物3D打印技术能进步到打印肉跟真的动物肉价格差不多,那么,可移植的器官打印还会远吗?

最后,Modern Meadow公司已经开始在美国各大城市开放试吃3D打印肉的活动。

备注:其实生物打印最先的概念是利用细胞分化打印人体可移植器官,用来帮助那些需要器官移植的病人。最新的研究报道中,有科学家成功打印了兔子的软骨并完成了移植手术。这项技术在医学方面的价值不可估量。

换个方向,如果能大批量的打印毛皮,象牙等,人类对濒危野生动物的偷猎情况是否能有所改善?

【参考文献】

1. Wei Zhang, Ming C. Leu;', Zhiming Ji, RAPID FREEZING PROTOTYPING WITH WATER. Materials & Design,Volume 20, Issues 2–3, 1 June 1999, Pages 139–145

2. www.i3dpworld.com/application/view/639

3. https://3dprintingindustry.com/news/update-andreas-forgacs-on-3d-printed-meat-6610/

4. all3dp.com/meat-3d-printing/

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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