一種新的3D打印機利用光線能在幾分鐘內將粘稠的液體變成復雜的固體。

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

它還可以用新材料來包裝一個已經存在的物體——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，這項技術有可能改變從假肢到眼鏡鏡片等各種產品的設計和制造方式。

“我認為這是一個更能夠大規模定制產品的途徑,無論需要生產的是假肢還是跑鞋,”加州大學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日在線發表在《科學》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品的設計方式。”

大多數3D打印機，包括其他基于光的技術，都是一層一層地構建3D對象。這導致了沿邊緣的“階梯”效應。

由于可彎曲材料在打印過程中會發生變形，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，當接觸到一定的光閾值時，這種液體會發生反應，形成固體。

將精心制作的光線圖案——本質上是“電影”——投射到一個旋轉的液體圓柱體上，“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，但要創建這個工具的一個非常簡單的版本，困難并不大。”

泰勒和他的團隊使用打印機創造了一系列的物品，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)當學生時完成了這項工作。

“它讓3D打印真正實現了三維化。”

這種新型打印機的靈感來自于計算機斷層掃描(CT)，它可以幫助醫生定位體內的腫瘤和骨折。

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。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化出來。”

除了讓光線遵循固定模式，這還需要復雜的計算才能得到產品確切的形狀和強度，研究人員面臨的另一主要挑戰是如何選擇材料，這種材料需要在只有一點點光線時保持液態，而在暴露在大量光線下時變成固態。

泰勒說:“這種液體當然會對光線有反應，所以從液體到固體的轉變需要有一個曝光閾值。”

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區域，聚合物才會形成“交聯”，將樹脂從液體轉化為固體。

未使用的樹脂可以在氧氣環境中加熱回收，泰勒說。

“我們的技術幾乎不會產生任何材料浪費，而且未固化的材料是100%可重復利用的，”加州大學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打印的另一個優勢。”

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，因為它創造了一個新的立體或‘一次性’3D打印框架，我們近年來已經開始建立這個框架。”

“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領域開辟道路。”

加州大學伯克利分校的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伯克利分校教員創業基金和勞倫斯利弗莫爾國家實驗室實驗室指導的研究和發展基金的支持。這個小組已經就這項技術申請了專利。

根據前瞻產業研究院分析，3D打印材料作為3D打印的重要物質基礎，3D打印材料的發展直接制約著3D打印技術的發展。隨著3D打印產業規模越來越大，3D打印材料在整個行業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%，預計到2018年，全球3D打印材料市場規模將會進一步擴張，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%。


據前瞻產業研究院發布的《中國3D打印材料行業發展前景預測與投資策略規劃報告》統計數據顯示，截止至2017年全球3D打印材料市場規模增長至26.89億美元，較上年增長31.11%。預計2018年全球3D打印材料市場規模將會突破30億美元達到了32.27億美元。全球3D打印材料市場規模近5年來一直維持20%以上的增速，處于穩定快速的發展期，隨著3D打印技術應用領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保持穩定增長的趨勢。