在液体中打印

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电影总能成为现实中最新技术的展示平台，比如《侏罗纪公园》里复原的恐龙骨骼、《超能陆战队》里“大白”的铠甲，都呈现了3D打印这个近几年在消费领域开始流行的技术。不过，电影描述的总比现实要美好一点，这些镜头也因此给了我们一个错误的暗示：使用3D技术打印出个东西是分分钟的事儿。

“有些蘑菇的生长速度都比3D打印要快。”在今年3月的TED大会上，美国公司Carbon 3D的CEO Joseph M. DeSimone说。

尽管3D打印技术被誉为掀起了制造业的又一场革命，但打印速度一直是制约它发展的一个重要因素。如果想以0.2毫米的精度打印一个尺寸仅为20毫米×20毫米的立方体，需要耗费大约半个小时―想想一副体积庞大的恐龙骨骼，即便机器不停歇地工作，也要花费好几个月时间呢！

最近，Carbon 3D公司称，自己新研发的一项技术可以使打印速度提升25至100倍。这项名为连续液态界面制造（Continuous Liquid Interface Production，简称CLIP）的技术，今年初还登上了《科学》杂志的封面。

从本质上讲，它和其他3D打印技术一样，都属于光固化技术―一种使3D打印材料凝固的技术。以前的3D打印使用的固化技术主要有两种：FDM（热熔堆积固化，Fused Deposition Modeling）和SLA（光固化成型，Stereo Lithography Appearance）。

使用FDM技术的3D打印是把树脂等材料融化，然后通过打印头一点点挤在相应的位置上，每次只能打印一个面，等到这层干一点后再打印下一层，最后得到整个零件。因为没有办法形成连续打印，层与层之间没有很好的过渡，所以你会看到零件表面有很明显的分层。“它其实更像是2D打印。”3D打印公司汇诚融信科技的技术总监尚鹏对《第一财经周刊》说，这家公司正在研究如何让3D打印的速度更快。

这意味着，FDM技术很难实现高精度的打印。目前，它的打印精度最高只有0.05毫米，而以SLA为代表的光固化技术会利用紫外线来固化光敏树脂，精度可达到0.02毫米，相当于头发丝的1/4。

然而，相比FDM，SLA技术提高的只有精度，在打印速度上，并没有太大进步。而CLIP技术则是在SLA技术的基础之上进行改动，它除了能进一步提高精度，还能较大幅度地提高打印速度。

制约打印速度的主要是光敏树脂固化的界面。传统3D打印的SLA设备主要由三部分组成：盛满了光敏树脂的容器、容器上方模型的固定头和容器下方的紫外线投影仪。容器底部有一个透光板，可以让紫外线穿过。当紫外线穿过它照射到容器中的光敏树脂时，树脂即被固化。光照强度越强，光敏树脂越固化得越快。因此，紧贴着透光板的那部分光敏树脂是最先被固化的。然而，过快的反应却容易让刚刚打印好的那一层和透光板粘在一起，导致打印失败。

为了提高打印的成功率，目前的SLA技术不得不靠降低光源强度来减缓固化速度，并且在光敏树脂完全固化之前，使半固化的树脂和透光板脱离。未被固化的光敏树脂流动到这个位置，进行下一步的固化。

CLIP技术则借助氧气解决速度问题。光和氧在光敏树脂的成型过程中，起到的作用是相反的：光将光敏树脂转化为固体，氧气则抑制这一过程。Carbon 3D公司的研究者在SLA设备的基础上增加了一个既能透过紫外线又能透过氧气的透光板。因此，靠近底板部分的光敏树脂可以接触到氧气，不会固化，这层树脂始终保持液态，形成一层液态薄膜。这个区域被成为“死区”（Dead Zone）。

“死区”的光敏树脂很薄，约为2至3个红细胞的厚度。在“死区”的上方，处在低氧的环境下光敏树脂可以迅速被紫外线固化。随着打印模型的上升，更多低氧状态下的树脂流动到底部，打印的过程就可以持续快速地进行了。

因为氧气有抑制固化的作用，此前的光固化技术的研究者对它避之不及，然而Carbon 3D公司却运用逆向思维，恰恰利用氧气这一特性，提高了打印速度。

事实上，DeSimone刚刚在TED大会上介绍完CLIP技术，一周后，澳大利亚一家名为Gizmo3D的公司也宣布开发出了类似利用氧气的技术，而且打印速度比CLIP技术还要快。虽然没有具体透露这一技术的原理，但该公司说，不同于CLIP自下而上的打印方式，它是自上而下打印的，而且打印对象在打印过程中是一直浸在液态树脂中的，直到打印完成才露出来。

打印速度的提高，可以促进3D打印在更广的范围内得以应用，尤其是在医疗领域。“假设碰到紧急情况，你需要一个支架，医生不是从架子上拿下一个标准大小的支架，而是专门为你设计一个特别适合你血管构造的支架，然后实时打印出来。”DeSimone说。

而除了速度，3D打印的精度也在进化。CLIP技术已能把精度规格提升到0.02毫米以下，这使它能打印出更多形状独特的物体，比如骨头―虽然外形看起来简单，但如果把里面的空隙都还原出来，一般的工艺是很难做到的。

最近，福特也宣布将联合Carbon 3D公司，用后者的技术打印制造汽车零配件。“我们推动创新的能力取决于从概念到量产有多快。此项技术能够快速将我们的产品从原型概念转变为实际产品，甚至能够直接量产，高于我们之前任何的方法。”福特集团全球产品开发副总裁Raj Nair说。

这项合作对3D打印技术发展或许意义重大。要知道，除了速度，3D打印还面临着机械强度不够、成本较高等问题。这使得有些对强度要求很高的关键零部件，没有办法3D打印。比如汽车上的涡轮叶片，它是传统铸造工艺制作出来的产品，机械强度大、耐高温，很难想象光敏树脂打印出来的涡轮叶片能在1950℃高温高压环境中撑多久。

3D打印尚不具备传统制造工艺的一些优势，所以眼下只在制造业领域占有一部分市场，还远远无法彻底取代旧的制造工艺。

不过，制造业巨头们的3D打印的积极态度或许会很快改变这种情况。说不定哪一天，福特和Carbon 3D就真的打印并量产出类似涡轮叶片这样的零部件了。