于無形處建奇功—液體3D打印

馬迪

近幾年，“3D打印”不時占據新聞版面。與傳統制造相比，萬物皆可打印，人們可以隨心所欲地制造出自己最想要的東西，于是有人打印了手槍（美國），有人打印了房子（中國）。2014年底，3D打印甚至還沖出地球走向宇宙，在國際空間站完成了首次太空測試。可以想見，如果有適當的材料，未來的衣食住行甚至人體器官，都可以量身定做。

最近，一個酷炫而別致的3D打印演示視頻在網上流傳開來，這次的主角是五顏六色的粘稠液體。從視頻中我們可以看到，埃菲爾鐵塔、“富勒烯”形狀的空心球體等模型，從一個淺淺的液體池中被緩緩提起，讓人很難相信它們曾經也是這液體的一部分。

3D打印已經逐漸走入我們的生活，甚至出現了面向尋常百姓的家用3D打印機。現在流行的3D打印機大都使用固體材料，通過分層沉積的方式，將物品一層一層地打印出來。這種方式的全稱是“熔融沉積成型”（Fused Deposition Modeling，簡稱FDM），也就是將材料加熱熔化，再像擠奶油一樣擠出來，并逐層堆積形成你想要的形狀。

FDM技術初始于1988年，講起來也算是“老資歷”了，但其實它真正的“前輩”“另有其人”—世界上第一臺快速成形設備誕生于1984年，采用的則是鮮為人知的“立體光固化成型”技術（Stereo Lithography Appearance，簡稱SLA）。

眾所周知，有些物質遇冷會硬化，有些物質則反其道而行之，遇熱變硬。同樣道理，有些特殊的物質“見光硬”，這個現象稱作“光固化”。SLA技術是以液體為原料、利用光固化原理、制造出固體產品，通俗一點可以稱之為“液體3D打印”。

登場雖早，舞臺主角的光環最終還是旁落。隨后的發展證明，SLA技術無法如FDM一樣大為普及，因為它所采用的材料特殊—畢竟液體不易處理，也不方便攜帶。除了因工作需要而使用過的人，一般人其實不清楚它的存在。

前文中講到模型從神秘液體里“冉冉升起”的場景，是該揭開謎底的時候了。這種神秘液體名叫光敏樹脂，是整個技術關鍵所在。

光敏樹脂又稱光固化樹脂，是一種受光線照射后，能迅速固化的低聚物。雖然平時呈現黏糊糊的液體狀態，但經過一定波長的紫外線照射后，就會引起聚合反應變成堅硬的固體。

生活中與人最“親密”的光敏樹脂，或許此刻就在你的嘴里—光固化復合樹脂牙齒修復術，說白了也就是常見的補齲齒。當醫生去掉了牙齒上的蛀蝕組織，填充進去的就是光敏樹脂了。有過補牙經歷的人都會有記得，過程中重要的一步就是用紫外線燈照射那顆牙齒，因為這樣才能使填充物固化，修復牙齒應有的形態和功能。

雖然掌握了這種奇妙的原理，但過去的液體3D打印還是“老一套”思路—像蓋房子一樣，一層層地構筑物體結構。首先在電腦中設計出三維實體模型，設計掃描路徑，用紫外線照射到液態光敏樹脂表面，使表面特定區域內的一層樹脂固化，生成一個截面；然后固化的截面上覆蓋一層液態樹脂，再進行固化照射。如是重復，層層疊加，最終制成三維物體。

由于固化過程受液體濃度、光照強度和照射時間等條件影響，而光的強度會隨著射入樹脂的深度逐漸降低，因此，只有靠近照射面的一小部分會固化得相對均勻和徹底，“蓋房子”式的打印方式也是不得已而為之。且不說這個過程本身非常緩慢，單是各層樹脂固化時產生的不同程度的收縮形變，就讓研究人員操碎了心。

只有光敏樹脂還遠遠不夠。為了徹底改變液體3D打印的困境，研究人員拋棄了層層打印的老思路，從電影《終結者2》中找到了靈感。電影中的液體機器人慢慢從一灘金屬液中升起變成機器人的鏡頭，跟模型從液體中緩緩升起的場景如出一轍。

這是一種名叫“連續液面生長”（Continuous Liquid Interface Production，CLIP）的改良技術。從本質上講，它也是立體光固化技術的一種，但又絕不僅僅是這么簡單。

使用紫外線加速樹脂硬化，但空氣中的氧往往會減緩硬化過程。CLIP的設計恰恰利用了這一點，化不利為有利。在裝滿液態樹脂的容器底部有個小孔，那里充溢著幾十微米厚的富氧液體，就像一扇窗戶，紫外線可以從這個孔照上來。而小孔處的氧分子確保了那里不會發生凝固。

打印時，將一塊金屬片置于樹脂池的表面，紫外線通過小孔將特定區域的樹脂硬化，硬化后的樹脂附著于金屬片上。打印機慢慢抬升金屬片，把已經硬化的樹脂從容器里提出來，同時，“水下”的固化工作還在繼續。這一過程在旁觀者看來，就好像是“終結者”從液體中崛起顯形一般。

與現存的3D設備不一樣，CLIP不需要等待每層凝固，它會持續建模，因此打印速度高達每小時1米以上。制作一個普通模型只需要短短幾分鐘，比過去的方法快25-100倍，一次成型不分層的設計可以很輕松地制出更精細、更復雜的物體。

3D打印之所以吸引人，因為它讓“定制化”的門坎降低了不少，使設想有更大的機會變成實物。與傳統3D打印技術相比，液體3D打印帶來的速度和質量的改變堪稱是革命性的，未來的應用令人期待。