科研進展正在改變著這項曾經(jīng)的利基技術(shù)的面貌。

一個金屬平臺從一片液態(tài)樹脂中升起來，隨之出現(xiàn)了一個精致的白色模型——就像一個光滑的生物從一片瀉湖中逐漸現(xiàn)身。

這是世界上最快的樹脂3D打印機，它可以在幾小時內(nèi)打印出與人體尺寸相當?shù)慕Y(jié)構(gòu)。這臺高速樹脂3D打印機由美國西北大學的化學家Chad Mirkin及其同事研發(fā)，并在去年十月報到了這一研究成果[1]，這是3D打印領(lǐng)域的重大突破，拓寬了這一原本只能制造小型低精度原型零件的技術(shù)的應(yīng)用范圍。3D打印技術(shù)不僅變得更快、打印尺寸更大，同時科學家們還提出一系列創(chuàng)造性的技術(shù)改進手段，研發(fā)出強度更高的材料，甚至在單一產(chǎn)品上混合了多種材料進行打印。

Chad MirKin位于美國西北大學的實驗室中有一臺樹脂打印機，它可以在幾小時內(nèi)制造出與人體尺寸相當?shù)慕Y(jié)構(gòu)。圖片來源：西北大學。

運動服裝廠、航空航天制造商和醫(yī)療器械公司都十分渴望有效利用3D打印的優(yōu)勢。哈佛大學的材料科學家Jennifer Lewis說：“雖然短期內(nèi)我們還不能在家里快速打印出修理汽車所需的零件，但這一技術(shù)已被主流制造公司采用?！?/p>

這項最新技術(shù)也有望給研究人員帶來經(jīng)濟收益，像 Lewis 和 Mirkin一樣，他們中的很多人已經(jīng)開始對自己的成果進行商業(yè)化的嘗試。英國謝菲爾德大學的冶金學家Iain Todd表示：“3D打印技術(shù)的進步可以讓我們通過超乎想象的方式來利用這些材料，這讓材料科學家們十分興奮，也將讓人們逐漸習慣于3D打印的全新事物?！?/p>

從零件到產(chǎn)品

3D打印技術(shù)也被稱為增材制造，與從整塊的原料切削和磨削制造或從利用熔融金屬和模具進行鑄造的傳統(tǒng)工藝流程不同，3D打印是一種自底向上的制造過程。它具有較低的材料消耗和高度的定制化能力，能夠制造像網(wǎng)格這樣傳統(tǒng)方法難以制造的復雜結(jié)構(gòu)。

業(yè)余愛好者使用的低成本機器通過將塑料成份的原料線源源不斷送入加熱后的噴嘴中，隨后噴嘴將融化后的塑料不斷擠出，一層接一層地向上構(gòu)建設(shè)計的結(jié)構(gòu)，這也被稱為熔融沉積成型工藝（fused deposition modelling，F(xiàn)DM）。但3D打印所涵蓋的技術(shù)遠遠不止于此，最早的方法之一就是利用紫外激光對光敏樹脂進行逐層掃面固化，這一概念可以追溯到1984年Chars Hu[2]的專利，他同時也是美國南卡羅來納州3D Systems公司的創(chuàng)始人。

最新的3D打印技術(shù)，包括Mirkin的技術(shù)在內(nèi)，仍然在使用光敏樹脂，但隨著北卡羅來納大學教堂山分校的化學家、材料科學家Joseph DeSimone領(lǐng)導的團隊在2015年報告出改進方法后[3]，3D打印的速度和尺寸都有了大幅提升。早期的3D打印機速度較慢，打印的尺寸較小，并且容易產(chǎn)生分層、有瑕疵的脆弱結(jié)構(gòu)。這種打印技術(shù)只能有限地應(yīng)用于快速原型設(shè)計，為基于傳統(tǒng)方法的正式生產(chǎn)制造塑料模型。作為研究領(lǐng)域來說，這種打印技術(shù)還無法令研究人員滿意，澳大利亞墨爾本莫納什大學的高分子科學家Timothy Scott表示：“用這種方法只能制造一些小零件和小玩意兒，那對于一個高分子化學家來說十分無趣?！?/p>

2015年，北卡羅來納大學教堂山分校的Joseph DeSimone提出了一種可以加速3D打印的技術(shù)。圖片來源：Carbon 3D Inc

DeSimone隨后發(fā)現(xiàn)了一種可以將光敏樹脂打印速度相較于傳統(tǒng)打印機提升100倍的新途徑[3]。這種方法將工作臺浸沒于樹脂容器中，隨后用投影儀將預(yù)先編程過的圖像通過容器底部的透明窗口照射到工作臺上。

這種方法可以讓光一次性固化整層樹脂。該方法的優(yōu)勢在于底部的窗口可以透過氧氣，這會阻止固化反應(yīng)并在窗口上方產(chǎn)生一層很薄的緩沖層（也稱為死區(qū)），讓每次打印出的樹脂層不會粘附在容器底部。隨著工作臺不斷地上升，新層不斷打印出來，已完成的部分則被不斷拉出液態(tài)樹脂。

Lewis表示還有很多其他實驗室利用相似的概念進行研發(fā)，但DeSimone的方法令人印象深刻的一點在于，它可以在打印后利用熱處理來實現(xiàn)第二種反應(yīng)，增加成品的強度。Lewis說：“這為3D打印打開了更廣闊的材料空間?！?/p>

此后很多研究團隊和公司都在此基礎(chǔ)上進行更深入的研究。Mirkin的打印機選擇將一層清油泵到容器的底部以阻止高分子反應(yīng)。同時這層油還起到了冷卻劑的作用，將帶走打印過程中產(chǎn)生的熱，防止打印出的部件變形。這也意味著這種打印機不僅僅可以打印厭氧的樹脂。

Mirkin表示，他的打印機比DeSimone的設(shè)備又得到了十倍的速度提升。去年一月在密歇根大學安娜堡分校，Scott和 Mark Burns提出了一種新的方法來抑制反應(yīng)，通過向樹脂中混合一種可以被另一束不同波長的光源激活的化學物質(zhì)來實現(xiàn)[4]。通過調(diào)節(jié)兩種光強的比例，研究人員可以控制光抑制區(qū)域的厚度，使得更為復雜的模式打印成為可能，例如帶有圖印或者標志的表面結(jié)構(gòu)。

3D打印領(lǐng)域的創(chuàng)新具有迅速商業(yè)化的潛力，一些研究人員在發(fā)表論文之前就開始著手建立公司了。例如在發(fā)表論文當日，DeSimone在溫哥華發(fā)表TED演講時就宣布在加州雷德伍德城建立一家名為Carbon 3D的初創(chuàng)公司。實際上他在兩年前就已經(jīng)悄悄注冊了這家公司，如今它已經(jīng)成為3D打印領(lǐng)域最大的初創(chuàng)公司之一，目前已募集了6.8億美元，估值達到了24億美元。它與Adidas高調(diào)簽訂合約，為運動鞋生產(chǎn)類似橡膠的鞋底夾層，同時與運動裝備公司Riddell簽訂了為美式足球運動員生產(chǎn)頭盔襯里的合同。

Carbon 3D的技術(shù)被用于打印Adidas的鞋底（左側(cè)）和美式橄欖球頭盔的襯里（右）。圖像來源：Carbon 3D Inc.

Mirkin和同事James Hedrick及David Walker也在伊利諾伊的埃文斯頓創(chuàng)立了一家名為“Azul 3D”的初創(chuàng)公司，將他們的高區(qū)域快速打?。╤igh-area rapid printing，HARP）技術(shù)商業(yè)化。Scott 和 Burns也在為他們位于安娜堡的初創(chuàng)公司Diplodocal準備商業(yè)化原型打印機，值得一提的是，他們公司的名字Diplodocal來源于“雙光束”的希臘語。

新的樹脂打印技術(shù)還在涌現(xiàn)，其中一種技術(shù)將液態(tài)樹脂裝入了旋轉(zhuǎn)的玻璃管中，隨著玻璃管的旋轉(zhuǎn)，投影儀將一段視頻投射到玻璃管中，而視頻則對應(yīng)著目標形狀的2D切片，只用幾秒鐘的時間，需要打印的物體就會在玻璃管中固化，這樣就不再需要一層層地堆疊打印了[5]。這種方法受到了X射線和計算斷層掃描技術(shù)的啟發(fā)，它們通過橫截面來為物體成像。而這種打印方法則反過來將橫截面圖像反投影回去，以形成3D目標。

一架投影儀將視頻循環(huán)投射入液態(tài)樹脂中，使得整個物體可以一次成型而無需一層接一層地堆疊。圖片來源：加州大學伯克利分校

即使在這一飛速發(fā)展的領(lǐng)域，這項引人注目的技術(shù)也被Lewis稱為絕妙的想法。不過，這種方法有很大的局限：需要樹脂足夠透明，并且目標物體不能太大，否則光線無法穿過樹脂，無法固化。但這種技術(shù)顯示出了潛在的優(yōu)勢，它可以處理非常粘稠的樹脂，因為其他樹脂打印機在狹窄的“死區(qū)”中難以進行抽取。這意味著這種方法可以構(gòu)建強度更高，精度更高的結(jié)構(gòu)。

勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的材料和制造工程師Christopher Spadaccini表示，這種方法已經(jīng)吸引了工業(yè)界的廣泛興趣。Spadaccini也是去年一月發(fā)表了這項技術(shù)的團隊的一員[5]。而瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院也獨立地提出了類似的概念，并提前幾個月將成果發(fā)布在了預(yù)印本服務(wù)器上[6]。Spadaccini認為這一技術(shù)具有巨大的商業(yè)價值，因為其硬件要求十分簡單，“最終，你只需要一臺一般的投影儀和一個轉(zhuǎn)臺就可以了。”

規(guī)模變大

當化學家們致力于研究更為智能的3D方法來打印復雜的樹脂構(gòu)件，工程師們則不斷拓展著3D混凝土打印的邊界——利用計算機和機器人來精確地自動化澆筑過程。

世界上第一座3D打印的混凝土行人橋梁，由西班牙巴塞羅那的加泰羅尼亞先進建筑研究所的研究人員設(shè)計建造，并于2016年安裝在了馬德里附近阿爾科文達斯的一座公園里。這座橋長12m，外形呈現(xiàn)出網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)，這是由算法優(yōu)化后以最大化強度和最小化金屬用量的處理結(jié)果。清華大學的工程師在上海也建造了一座類似的26m長的橋梁。另外，來自中國和荷蘭公司的團隊也建造了3D打印的樣板房。

然而這些建筑并不是由一個整體的打印件構(gòu)成，而是通過多個打印好的部件拼接而成。通過更為便宜和高效的方式建造橋梁和房屋，3D打印可以減少混凝土的碳排放，但是也會鼓勵工程師建造更多。

并不只有混凝土才能打印大型構(gòu)件，來自阿姆斯特丹的MX3D公司就利用不銹鋼打印了一座橋，它于2018年首次公開展示，目前安裝了一系列傳感器進行測試，之后計劃安裝到阿姆斯特丹的一條運河上。

洛杉磯的初創(chuàng)公司Relativity Space正在建造幾乎全部由3D打印制造的火箭，其目標是將1250千克的物資送入低地軌道，計劃于2021年進行首次發(fā)射測試。Relativity Space的CEO Tim Ellis表示，打印的金屬可能并不總是具有傳統(tǒng)方法所制金屬構(gòu)件的散熱性能，但3D打印可以增加一系列傳統(tǒng)制造方法無法生產(chǎn)的幾何構(gòu)型的制冷通道。同時，火箭幾乎是一次性或者只用幾次的用品，所以長期來看，火箭的結(jié)構(gòu)無需像飛機的合金一樣堅固、耐受數(shù)萬次的壓力循環(huán)。

這些大規(guī)模的金屬打印項目利用機械臂將金屬絲送入到激光熔融區(qū)域來構(gòu)建物體。

像波音、勞斯萊斯、普拉特·惠特尼等航空公司開始使用3D打印來制造噴氣式發(fā)動機的金屬部件，這種方法比銑削更便宜并使得復雜構(gòu)件更為輕巧。

但3D打印的金屬具有一系列會降低產(chǎn)品強度的結(jié)構(gòu)缺陷。Spadaccini等人正嘗試利用傳感器陣列和高速相機來觀察結(jié)構(gòu)中的非規(guī)則性，包括應(yīng)變積累點和溫度熱點，并作出實時調(diào)整。

很多科學家還致力于改進打印金屬構(gòu)件的內(nèi)在強度，例如通過控制材料的微結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。2017年10月，一個美國團隊報告稱，利用高溫和急冷的方法處理3D打印的不銹鋼材料，可以改變金屬的微結(jié)構(gòu)，并實現(xiàn)了超過鑄造工藝的產(chǎn)品強度[7]。兩個月前，美國和澳大利亞的研究團隊報告了具有相似的強度優(yōu)勢的鈦銅合金[8]。先前的3D打印方法會使得鈦合金在固化時形成圓柱狀的結(jié)構(gòu)晶粒，而銅則可以加速固化過程，使得晶粒更小并向各個方向發(fā)展，從而增強了目標整體的結(jié)構(gòu)強度。

Mark Easton是澳大利亞皇家墨爾本理工大學的一名材料工程師，也是上述合金項目的負責人之一。他已經(jīng)與對這種材料的應(yīng)用前景感興趣的航空航天企業(yè)展開對話，他表示這種材料同樣可以用于像人工關(guān)節(jié)之類的醫(yī)療植入物中。

很多適用于金屬的打印技術(shù)也同樣可以用于陶瓷，潛在應(yīng)用包括制造牙冠和骨科植入物。它們的模具目前已經(jīng)開始利用3D打印制造，而后利用傳統(tǒng)的鑄造手段來制造。但利用3D打印整個產(chǎn)品，可以大大節(jié)省看牙和看外科的時間。

倫敦帝國理工學院的材料與陶瓷科學家Eduardo Saiz表示，目前還較難控制3D打印陶瓷中的微結(jié)構(gòu)，幾乎所有的陶瓷打印技術(shù)都涉及大量的燒結(jié)后處理，這會造成部件的變形或翹曲，“依我看，陶瓷的實際應(yīng)用將落后于聚合物與金屬?！彼f。

不斷發(fā)展的打印技術(shù)

這一領(lǐng)域的未來方向被稱為“4D打印”，其中3D打印的物體會具有一定的機械運動能力——類似人造肌肉。這種技術(shù)通常會結(jié)合形狀記憶聚合物，這些材料會在環(huán)境溫度和濕度改變的情況下作出反應(yīng)。

2018年5月，蘇黎世聯(lián)邦理工學院和加州理工學院的研究人員打印出了一種水下裝置，當被置于溫水中時，它可以利用向后彈起的槳來推動自身向前運動[9]。這有望催生出一種能夠自主探測海洋的微型機器人，但目前需要在每次劃水后重置槳葉。澳大利亞伍倫貢大學的材料工程師Geoff Spinks認為，可以利用電池驅(qū)動槳葉重置，但這會使得機器人的效率甚至低于傳統(tǒng)的驅(qū)動方式，“4D打印仍然存在一系列重大的挑戰(zhàn)。”他說。

另一類4D打印方法引入了變化的外部磁場來觸發(fā)動作。美國的研究人員構(gòu)建了一種內(nèi)部填充液體且液體可隨磁場變硬的3D打印柵格狀結(jié)構(gòu)[10]，這種技術(shù)也許能在未來被應(yīng)用于汽車座椅，使其在受到撞擊時變硬。

一種響應(yīng)磁場變硬的液體被注入到中空結(jié)構(gòu)和3D打印的柵格狀結(jié)構(gòu)中，這種材料可以實現(xiàn)剛性和柔性的轉(zhuǎn)換。圖像來源：Julie Mancini/LLNL

此外，4D打印更為被動的潛在應(yīng)用還包括血管支架，它可以被壓縮植入到血管中，當?shù)竭_目標位置時將拓展展開結(jié)構(gòu)。去年七月，來自瑞士和意大利的研究人員研究了一種寬度僅為50微米的4D打印支架[11]。這種比傳統(tǒng)支架小很多的結(jié)構(gòu)，有望在未來被用于治療類似于尿道狹窄等有可能危及胎兒生命的疾病。

也許關(guān)于4D打印最為雄心勃勃的例子，要數(shù)那些不但會動而且確確實實有生命的應(yīng)用了。目前，類似于可以進行皮膚一類組織打印的生物打印技術(shù)已經(jīng)適用于實驗室研究，同時也可以為已成功植入大鼠的肝臟和其他器官進行組織修補。研究人員夢想有一天可以打印出完整功能的器官，從而減少器官移植的等待時間?！暗@一技術(shù)還遠未達到可以應(yīng)用于人體的水平，至少還需要十幾年的時間?！盠ewis說。

集大成者

Scott表示，很多關(guān)于打印材料的創(chuàng)新性想法依賴于多種材料的同時打印，“那絕對是3D打印領(lǐng)域的前沿方向。”

去年十一月，Lewis及其實驗室描述了一種可以迅速切換或混合不同高分子打印材料的打印機[12]，這意味著它可以打印出既具有剛性部分又具有柔性部分的物體。Lewis依靠先前在多材料打印機方面的工作，在馬塞諸塞州的薩默維爾創(chuàng)立了一家名為Voxel8的公司。她說這種多材料打印機可以有效改善目前Voxel8的運動裝置開發(fā)。可穿戴設(shè)備需要在關(guān)節(jié)附近保持靈活，但同時也需要具備容納電子設(shè)備的剛性部分。Saiz稱贊這種打印機是一項“美麗的作品”，還若有所指地補充了一句：“它和打印陶瓷或金屬的設(shè)備截然不同?！?/p>

佐治亞理工學院的材料工程師Jerry Qi帶領(lǐng)一支團隊，在2018年三月推出了四合一的3D打印機：一個噴嘴可以擠出熔融聚合物，一個可以打印光敏樹脂，輸出的光敏樹脂可以通過紫外燈或者激光進行固化；另外兩個則可以利用微小金屬點打印導線和電路[13]。通過打印頭之間的協(xié)同工作，可以將電路嵌入到剛性基板或柔性高分子外殼內(nèi)，集成制造出所需的設(shè)備。Qi表示團隊目前正在與電子行業(yè)的公司合作，他們對于這種比傳統(tǒng)方法更加快速的電路板原型打印技術(shù)十分感興趣。

這不是簡單地將四種不同的打印機整合在一起，研究人員還需要開發(fā)出能夠使得打印頭互相通信并追蹤打印過程的軟件系統(tǒng)。

這一領(lǐng)域目前還遠未實現(xiàn)將制造帶入千家萬戶的早期愿景。就目前而言，復雜精密的打印機價格高昂，阻礙了非專業(yè)人士的購買和使用，但3D打印在過去的20年里已經(jīng)走過了很長的發(fā)展道路。Todd還記得在2000年前后人們參觀他的實驗室，看到將金屬粉末融合制成零部件的技術(shù)時的情景。與隔壁的銑刀機床和切割系統(tǒng)相比，他的3D打印機器深深地吸引了參觀者。他回憶道：“參觀者們看到這項技術(shù)時，就像看到了狗狗在酒吧中彈鋼琴一樣驚訝！”但現(xiàn)在這項技術(shù)已經(jīng)成了很多工廠的標配了。

參考文獻：

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13. Roach, J. D.et al. Add. Manuf.29, 100819 (2019).

原文以3D printing gets bigger, faster and stronger為標題發(fā)表在2020年2月5日的《自然》新聞特寫版塊