于无形处建奇功
——液体3D打印

文｜马 迪

于无形处建奇功
——液体3D打印

文｜马 迪

近几年，“3D打印”不时占据新闻版面。与传统制造相比，万物皆可打印，人们可以随心所欲地制造出自己最想要的东西，于是有人打印了手枪（美国），有人打印了房子（中国）。2014年底，3D打印甚至还冲出地球走向宇宙，在国际空间站完成了首次太空测试。可以想见，如果有适当的材料，未来的衣食住行甚至人体器官，都可以量身定做。

最近，一个酷炫而别致的3D打印演示视频在网上流传开来，这次的主角是五颜六色的粘稠液体。从视频中我们可以看到，埃菲尔铁塔、“富勒烯”形状的空心球体等模型，从一个浅浅的液体池中被缓缓提起，让人很难相信它们曾经也是这液体的一部分。

液体如何变固体

3D打印已经逐渐走入我们的生活，甚至出现了面向寻常百姓的家用3D打印机。现在流行的3D打印机大都使用固体材料，通过分层沉积的方式，将物品一层一层地打印出来。这种方式的全称是“熔融沉积成型”（Fused Deposition Modeling，简称FDM），也就是将材料加热熔化，再像挤奶油一样挤出来，并逐层堆积形成你想要的形状。

FDM技术初始于1988年，讲起来也算是“老资历”了，但其实它真正的“前辈”“另有其人”—世界上第一台快速成形设备诞生于1984年，采用的则是鲜为人知的“立体光固化成型”技术（Stereo Lithography Appearance，简称SLA）。

众所周知，有些物质遇冷会硬化，有些物质则反其道而行之，遇热变硬。同样道理，有些特殊的物质“见光硬”，这个现象称作“光固化”。SLA技术是以液体为原料、利用光固化原理、制造出固体产品，通俗一点可以称之为“液体3D打印”。

登场虽早，舞台主角的光环最终还是旁落。随后的发展证明，SLA技术无法如FDM一样大为普及，因为它所采用的材料特殊—毕竟液体不易处理，也不方便携带。除了因工作需要而使用过的人，一般人其实不清楚它的存在。

液体3D打印的坎坷路

前文中讲到模型从神秘液体里“冉冉升起”的场景，是该揭开谜底的时候了。这种神秘液体名叫光敏树脂，是整个技术关键所在。

光敏树脂又称光固化树脂，是一种受光线照射后，能迅速固化的低聚物。虽然平时呈现黏糊糊的液体状态，但经过一定波长的紫外线照射后，就会引起聚合反应变成坚硬的固体。

生活中与人最“亲密”的光敏树脂，或许此刻就在你的嘴里—光固化复合树脂牙齿修复术，说白了也就是常见的补龋齿。当医生去掉了牙齿上的蛀蚀组织，填充进去的就是光敏树脂了。有过补牙经历的人都会有记得，过程中重要的一步就是用紫外线灯照射那颗牙齿，因为这样才能使填充物固化，修复牙齿应有的形态和功能。

虽然掌握了这种奇妙的原理，但过去的液体3D打印还是“老一套”思路—像盖房子一样，一层层地构筑物体结构。首先在电脑中设计出三维实体模型，设计扫描路径，用紫外线照射到液态光敏树脂表面，使表面特定区域内的一层树脂固化，生成一个截面；然后固化的截面上覆盖一层液态树脂，再进行固化照射。如是重复，层层叠加，最终制成三维物体。

由于固化过程受液体浓度、光照强度和照射时间等条件影响，而光的强度会随着射入树脂的深度逐渐降低，因此，只有靠近照射面的一小部分会固化得相对均匀和彻底，“盖房子”式的打印方式也是不得已而为之。且不说这个过程本身非常缓慢，单是各层树脂固化时产生的不同程度的收缩形变，就让研究人员操碎了心。

使用紫外线加速树脂硬化，但空气中的氧往往会减缓硬化过程。CLIP的设计恰恰利用了这一点，化不利为有利。

CLIP：更快更精细

只有光敏树脂还远远不够。为了彻底改变液体3D打印的困境，研究人员抛弃了层层打印的老思路，从电影《终结者2》中找到了灵感。电影中的液体机器人慢慢从一滩金属液中升起变成机器人的镜头，跟模型从液体中缓缓升起的场景如出一辙。

这是一种名叫“连续液面生长”（Continuous Liquid Interface Production，CLIP）的改良技术。从本质上讲，它也是立体光固化技术的一种，但又绝不仅仅是这么简单。

使用紫外线加速树脂硬化，但空气中的氧往往会减缓硬化过程。CLIP的设计恰恰利用了这一点，化不利为有利。在装满液态树脂的容器底部有个小孔，那里充溢着几十微米厚的富氧液体，就像一扇窗户，紫外线可以从这个孔照上来。而小孔处的氧分子确保了那里不会发生凝固。

打印时，将一块金属片置于树脂池的表面，紫外线通过小孔将特定区域的树脂硬化，硬化后的树脂附着于金属片上。打印机慢慢抬升金属片，把已经硬化的树脂从容器里提出来，同时，“水下”的固化工作还在继续。这一过程在旁观者看来，就好像是“终结者”从液体中崛起显形一般。

与现存的3D设备不一样，CLIP不需要等待每层凝固，它会持续建模，因此打印速度高达每小时1米以上。制作一个普通模型只需要短短几分钟，比过去的方法快25-100倍，一次成型不分层的设计可以很轻松地制出更精细、更复杂的物体。

3D打印之所以吸引人，因为它让“定制化”的门坎降低了不少，使设想有更大的机会变成实物。与传统3D打印技术相比，液体3D打印带来的速度和质量的改变堪称是革命性的，未来的应用令人期待。