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3D列印的濫觴,泛工業革命的誕生──《泛工業革命》

  • 作者/理察‧達凡尼(Richard D’Aveni);譯者/王如欣、葉妍伶

1983 年,一位默默無名的工程師查克.赫爾(Chuck Hull),正在為一間製作家具堅硬表層的小公司進行一些計畫,他經常熬夜進行他神祕難懂的實驗。一晚,赫爾的一通來電讓他妻子大吃一驚。他告訴她:「快換掉妳的睡衣並穿好衣服,到實驗室來。我有一個東西要讓妳看看。」

「最好是個好東西!」滿是睡意的妻子如此回答。

那確實是個好東西。赫爾嘗試過許多種稱為光聚合物的樹脂基底材料,發明出一種幾乎像是魔術一般的方法,只要將液體樹脂暴露在紫外線中便能變成堅硬、耐久的物品。他稱這項新技術為光固化成形術。經過幾個月的發展,它成為我們目前稱為 3D 列印科技的基礎。

光造形術原理示意圖。圖/wikimedia

安東妮.赫爾(Anntionette Hull)回想那個命運之夜發生的事:

赫爾握著這個東西說:「我做到了。我們知道的世界將不再一樣。」我們又哭又笑,整晚沒睡,都在想像著。那一晚,我知道他做到了一件很棒的事,一件很有意義的事。我一直珍藏在心裡。

安東妮仍然擁有那第一件 3D 列印的物品—一團約 2 吋大,難以形容的黑色塑膠。她將它放在包包裡,如果你問起,她就會開心地拿出來展示給你看。她說她有一天會捐出去給史密森尼學會(Smithsonian)。

積層製造的新形式——3D 列印

圖/GIPHY

赫爾的智慧結晶 3D 列印,是積層製造的一種形式。積層製造是指將材料堆疊起來,製造出產品的任何一種生產方式,而非切削、研磨、鑽鑿或其他削減成形的減法製造技術(減法製造構成了如今稱為傳統製造的幾項活動之一,傳統製造的其他技術,有時被稱為成形製造、射出成形、塑形、接合以及組裝)。

積層製造雖是相對較新的名詞,其方法本身卻並不新鮮。積層製造的古老形式包括脫臘鑄造法(也稱為脫臘法),長久以來藝術家使用此法來做出既存雕像或其他物品的複製品。比較新近的技術是噴墨列印,將微小墨滴噴射在表面以創造出形象。赫爾的光固化成形術的發明,為積層製造開啟了一連串新形式的大門,其中有許多原本散見於 3D 列印的名稱之下。

時至今日,在赫爾的發現經過 30 年之後,許多人仍將 3D 列印與在禮品店選購的桌上小型塑膠擺飾或玩具聯想在一起。但是如果你是近幾年接受過膝蓋或髖關節置換手術的數十萬名美國人之一,你的生活可能就是因為這位積層製造的天才而獲得轉變。

3D 列印在醫療上的運用

史賽克公司(Stryker Orthopaedics)是少有人曾經聽聞過,最具創新能力的美國公司之一。這家公司是由一位外科醫師和擁有約 5,000 項專利的發明家荷馬.史賽克(Homer Stryker)創立於 1941 年。

如今,這家位於卡拉馬朱市的公司擁有近 100 億美金的年收入,並且創下骨科移植界一些最著名的突破性進展。史賽克為關節移植打造出鈦金屬零件,其中許多都經過特別設計,以合乎個別骨頭構造與肌肉組織,使人免於關節炎的痛苦,並且提供長達數年無痛的身體活動。

很少有人知道,那些客製化的零件當中,有許多是史賽克使用 3D 列印機製造出來的。

3D 生物列印機。圖/wikimedia

其他值得關注的優點還包括:史賽克以 3D 列印的零件可以不需要水泥、黏著劑,和其他往昔用來製作可黏附於鄰近骨頭的植入關節的笨拙方法,就能夠讓外科醫師進行移植。

幾年前,研究人員發現,如果移植物品的材質與結構正確,不平整的邊緣與精確的內孔隙度可提供骨頭擴張的空間。透過此稱為生物固定作用的過程,活體骨頭會自然而然生長到人工植入物之中。能促進生物固定作用的移植物品,難以使用傳統製造方法設計與打造。但是對經過聰明編程的 3D 列印機來說卻很容易,它可以一次以幾分子的測量,分配確切的鈦金屬量。難怪 3D 列印的植入關節可以橫掃市場。

2016 年,史賽克宣布要投資 4 億美金建造新的積層製造列印設備,使用被稱為選擇性雷射熔融的技術來製造更好的植入物。同時,史賽克也與醫院合作研究下一個大突破:開發小型、特別編程的 3D 列印機,可以當場做出客製化的植入物。外科醫師和病患只要等著接收就可以了,省時又省錢。

史賽克的事蹟只是許多故事之一,這些故事極為清楚地顯示出,積層製造早已不只是製作可愛塑膠玩具和簡單小物品的工具。

本文摘自《泛工業革命》,2019 年 7 月,先覺出版

圖/GIPHY

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