據(jù)國外媒體報(bào)道，隨著3D打印技術(shù)的商業(yè)化，人們也在進(jìn)行不斷創(chuàng)新，其應(yīng)用的材料和3D打印尺寸不斷擴(kuò)大，打印的速度也更快，能夠造船、造橋、造房子、甚至于造火箭。

即便是制造一艘玻璃纖維的現(xiàn)代小船，也是一項(xiàng)漫長而繁瑣的工作。工人需要先制造出一個(gè)模具，并在模具內(nèi)部制作樹脂和玻璃纖維層。待結(jié)構(gòu)成型后再進(jìn)一步打磨完成。造這樣一艘船可能需要幾個(gè)月的時(shí)間。不過，美國緬因大學(xué)的研究人員目前只花了72個(gè)小時(shí)就造出一艘8米長的巡邏艇。他們的訣竅是巨大的3D打印機(jī)。

自從20世紀(jì)90年代3D打印機(jī)商業(yè)化以來，通常被工廠用來制造模型、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)組件和牙套等小物件?，F(xiàn)在，新一代的超大打印機(jī)即將問世，它們能夠制造出比以前更大的物體，并以更快的速度打印出來。

3D打印巡邏艇是美國陸軍項(xiàng)目的一部分。美國緬因大學(xué)的團(tuán)隊(duì)與位于田納西州的橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室(Oak Ridge National Laboratory)進(jìn)行合作，后者幫助開發(fā)打印流程，而位于伊利諾斯州的Ingersoll機(jī)床公司則制造出3D打印機(jī)。緬因大學(xué)認(rèn)為，對于造船這一緬因州常見的行業(yè)而言，大型3D打印機(jī)將大幅削減制造新船的成本和時(shí)間。

規(guī)模很重要

一般來說，3D打印機(jī)能打印出的最大物體是由打印機(jī)本身大小決定的，但市面上大多數(shù)3D打印機(jī)并不比家用冰箱大多少。多年來，工程師們想出了各種方法來擴(kuò)大規(guī)模，比如把打印裝置安裝在外部支架上。但結(jié)果往往是設(shè)備行動(dòng)緩慢且打印不精確，制造出的東西需要大量繁瑣的人工再加工。

美國緬因大學(xué)開發(fā)的打印機(jī)克服了規(guī)模問題，其將3D打印機(jī)的噴嘴懸掛起來，其中噴出的熔融熱塑性樹脂，含有碳纖維。在計(jì)算機(jī)的控制下，噴嘴水平移動(dòng)，一層一層地向上構(gòu)建所需對象。每一層完成后，噴嘴稍微升高，在其上沉積另一層，直到物體被打印完成。

緬因大學(xué)的打印機(jī)能夠以每小時(shí)70公斤的速度擠壓材料，目前可以制造30米長，7米寬，3米高的東西，而且可以通過建造一個(gè)更大的龍門吊來增加制造物體的尺寸。配置噴嘴的機(jī)械臂也可以安裝自動(dòng)銑削頭等加工設(shè)備，從而對打印出的物體表面進(jìn)行精細(xì)打磨。

緬因大學(xué)還正在試圖改變合成材料的性質(zhì)，使其生產(chǎn)過程更加環(huán)保。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人之一的哈比卜·達(dá)格（Habib Dagher）表示，他們的目標(biāo)是用一種含有50%木制品的材料來完成3D打印，這將產(chǎn)生一種強(qiáng)度和重量與鋁相當(dāng)?shù)膹?fù)合材料。隨著進(jìn)一步的研究，項(xiàng)目小組希望以每小時(shí)230公斤的速度打印材料。研究人員最近還使用纖維素纖維和一種由玉米制成的樹脂來打印用于建造船只屋頂?shù)哪＞?。為了使生產(chǎn)過程更加環(huán)保，這個(gè)模具可以回收，材料可以得到再次利用。

只需按下“打印”

橡樹嶺能源效率主管克雷格?布魯(Craig Blue)表示，制作模具和生產(chǎn)工具將是大尺寸3D打印技術(shù)的一項(xiàng)重要工作。模具制造之所以昂貴有兩個(gè)方面的原因。首先制造模具需要專業(yè)技能，而且生產(chǎn)的產(chǎn)品往往是一次性或者是小批量生產(chǎn)，所以沒有規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益。然而，對于3d打印機(jī)來說，制造一件或多件物品的成本大致相同。

3D打印還有其他優(yōu)勢。例如，承包商使用橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的系統(tǒng)來打印混凝土鑄件的特殊形狀模具。通常，這種模具是由熟練木匠用木頭制成，只能維持三到四次澆筑，所以建筑工人們需要很多這類模具。但是布魯表示，3D打印的模具由碳纖維增強(qiáng)塑料組成，能夠承受至少200次的澆筑。

橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室也在研究直接打印混凝土結(jié)構(gòu)的方法。建造大型3D打印平臺(tái)的可行性表明，打印摩天大樓和其他大型建筑最好不要一次性完成，而是逐步完成較小部分再進(jìn)行組裝。在工廠控制條件下打印預(yù)制混凝土構(gòu)件，然后現(xiàn)場組裝，更適合復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)。這也是中國清華大學(xué)的徐偉國和同事采取的方法。他們用一對機(jī)械手臂擠壓混合了聚乙烯纖維的混凝土，打印出預(yù)制構(gòu)件，然后組裝成橫跨上海一個(gè)工業(yè)園區(qū)池塘的26米人行橋。

這座人行橋是根據(jù)建于公元600年左右的趙州橋建造的。復(fù)制橋的打印時(shí)間為450個(gè)小時(shí)，與緬因大學(xué)打印出船的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)大致相當(dāng)。但無論是與趙州橋的10年建造時(shí)間相比，還是與現(xiàn)代建筑工地的建設(shè)速度相比，都顯得非?？?。研究人員估計(jì)，3D打印橋梁生產(chǎn)成本大約是傳統(tǒng)混凝土澆筑橋梁的其三分之二。

其他形式的3D打印也變得越來越大、越來越快。美國伊利諾斯州西北大學(xué)的查德·米爾金（Chad Mirkin）和他的同事們提出了一種他們稱之為“高速大尺寸3D打印”（HARP）的技術(shù)。他們的原型機(jī)可以打印出四米高，橫截面接近一平方米的東西，主要是通過把固化物體從一個(gè)淺的液體聚合物池中拉起實(shí)現(xiàn)的。

這種3D打印機(jī)擴(kuò)展了現(xiàn)有的一種3D打印方法。在這種方法中，設(shè)備首先將液體聚合物裝在帶有透明底座的容器中，并將要打印物體的紫外線圖像投射到基座上層。接著打印機(jī)觸發(fā)的化學(xué)反應(yīng)會(huì)在基座正上方固化相應(yīng)的一層聚合物，使其凝固成投射光線的圖像。第一層附著在從上往下放入液體的工具上。當(dāng)工具被抬起時(shí)，它將打印的第一層從池中抬起，以允許從下面添加后續(xù)層。

HARP技術(shù)的創(chuàng)新之處在于有一層油膜流過透明基座。研究人員說，這種油就像“液體特氟隆”，可以防止聚合物層粘在基座上，還可以消除固化過程中產(chǎn)生的熱量。結(jié)果是3D打印機(jī)可以運(yùn)行得比以前快得多。米爾金說，它可以在幾小時(shí)內(nèi)打印出成人大小的物體。使用這種方法的傳統(tǒng)3d打印機(jī)則需要幾天時(shí)間。

HARP技術(shù)可以大規(guī)模打印各種材料，包括數(shù)百種軟硬不同的聚合物。它還可以印刷含有碳化硅等材料的樹脂，從而加工成耐磨耐熱陶瓷。由所有這些材料制成的部件可能用于從汽車、飛機(jī)到建筑物等各種產(chǎn)品。米爾金與人合作創(chuàng)辦了一家名為Azul 3D的公司，將這一過程商業(yè)化，預(yù)計(jì)第一臺(tái)HARP打印機(jī)將在18個(gè)月內(nèi)上市。

打印金屬

然而，3D打印面臨的最困難任務(wù)是打印大型金屬物體。其主要方法是用激光或電子束熔化金屬粉末并逐層構(gòu)造。為了防止金屬粉末氧化、被空氣中的雜質(zhì)污染，甚至于爆炸，這個(gè)過程需要在一個(gè)充滿惰性氣體的空間里進(jìn)行。擴(kuò)大其規(guī)模很棘手，而且會(huì)非常昂貴。

然而，3D金屬打印也在擺脫空間的局限性。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的方法之一是部署大型機(jī)器人，裝備各種型號的金屬惰性氣體焊機(jī)。這種焊機(jī)的工作方式是將金屬絲制成的犧牲電極通過焊槍的噴嘴。金屬絲的一端連接電源，另一端連接接地工件。當(dāng)焊槍靠近工件時(shí)，焊槍表面與金屬絲之間形成電弧。電弧產(chǎn)生的熱量使金屬絲和鄰近的金屬熔合在一起。在此過程中，焊槍將氬氣等惰性氣體吹過焊縫進(jìn)行保護(hù)。

要將焊槍變成3D打印機(jī)，機(jī)器人需要在同一區(qū)域連續(xù)焊接，形成一層又一層的金屬。荷蘭3D打印公司mx3d使用這種方法來制造各種金屬物品。現(xiàn)在問世的有一輛鋁制的輕型自行車和一座12米長的不銹鋼人行橋。

洛杉磯Relativity Space公司正在使用大型連續(xù)焊接機(jī)器人來制造太空火箭的部件。每個(gè)機(jī)器人的手臂上都有一根鋁合金線，連接到末端的打印噴嘴。打印噴嘴使用高溫等離子電弧熔化金屬絲，并在電弧周圍吹入惰性保護(hù)氣體，將金屬絲分層沉積。

Relativity Space公司表示，3D打印的火箭比傳統(tǒng)的火箭制造速度更快，零部件更少。這家公司期望第一批火箭將被用來發(fā)射衛(wèi)星，但它希望最終使用其生產(chǎn)系統(tǒng)Stargate在火星表面打印出一枚火箭。談到3D打印的能力，似乎連太空都不是極限。