顯微鏡下的這只船，30微米長(zhǎng)，僅比細(xì)菌細(xì)胞大6倍。開放的船艙、筆直的煙囪、精致的小舷窗清晰可見，尤其令人印象深刻的是，整個(gè)船只模型的厚度只有人類頭發(fā)絲直徑的三分之一，堪稱世界上最小的船。

這只近日出自荷蘭萊頓大學(xué)物理學(xué)家之手的船，利用的正是近年來(lái)迅猛發(fā)展的3D打印技術(shù)。在幾立方微米的微觀空間內(nèi)創(chuàng)造一件物品，科學(xué)家是如何實(shí)現(xiàn)的？從正式誕生到走進(jìn)微觀世界，3D打印技術(shù)突飛猛進(jìn)的背后是怎樣的技術(shù)變革？

傳統(tǒng)的減材制造工藝是指利用已有的幾何模型工件，用工具將材料逐步切削、打磨、雕刻，最終成為所需的零件。而3D打印，又稱增材制造，是借助于3D打印設(shè)備，對(duì)數(shù)字三維模型進(jìn)行分層處理，將金屬粉末、熱塑性材料、樹脂等特殊材料一層一層地不斷堆積黏結(jié)，最終疊加形成一個(gè)三維整體。

技術(shù)的不斷進(jìn)步使得如今3D打印零件的精度越來(lái)越高?！跋裥〈@類微觀事物的打印，首先需要克服的就是打印精度的問(wèn)題。”南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授劉婷婷介紹，隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，通過(guò)改變能量源，現(xiàn)在人們已經(jīng)能夠?qū)?D打印的制造精度逐漸由微米級(jí)別提高到納米級(jí)別。

“目前，3D打印技術(shù)已經(jīng)成功在航空航天、醫(yī)療器械、汽車工業(yè)、珠寶行業(yè)以及建筑行業(yè)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用?！眲㈡面帽硎荆c傳統(tǒng)制造方法相比，3D打印具有零件設(shè)計(jì)復(fù)雜度高、柔性制造水平高、產(chǎn)生設(shè)計(jì)-制造周期短等優(yōu)勢(shì)，日漸受到青睞，應(yīng)用前景廣泛。“微觀事物打印的成功，意味著3D打印技術(shù)將會(huì)對(duì)治療診斷以及藥物定向輸送起到非常重要的作用?！?/p>

隨著3D打印的精度的顯著提高，3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域給了人們更多新的靈感。如生物3D打印技術(shù)，特別是細(xì)胞、組織以及器官等活體的打印在醫(yī)學(xué)、生物與工程各界引起廣泛關(guān)注。

生物3D打印也是基于“增材制造”的原理，以特制生物“打印機(jī)”為手段，以加工活性材料包括細(xì)胞、生長(zhǎng)因子、生物材料等為主要內(nèi)容，以重建人體組織和器官為目標(biāo)的再生醫(yī)學(xué)工程技術(shù)。它代表了目前3D打印技術(shù)的最高水平之一。

在生物3D打印技術(shù)中，研究人員經(jīng)常使用的是噴墨打印技術(shù)，能夠快速地把細(xì)小的墨滴精確地打印到相應(yīng)的位置。此外，噴墨打印機(jī)還可以打出不同的細(xì)胞。例如打印一個(gè)類似血管的結(jié)構(gòu)，可以把內(nèi)皮細(xì)胞打印到管壁內(nèi)層，平滑肌細(xì)胞打印到管壁外層，這樣逐層打印，就能得到一個(gè)和正常結(jié)構(gòu)類似的產(chǎn)品。

各有千秋，3D打印技術(shù)種類繁多

事實(shí)上，世界上第一臺(tái)3D打印機(jī)早在1983年就誕生了。這項(xiàng)起源于20世紀(jì)80年代的技術(shù)，近年來(lái)發(fā)展迅猛，被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志之一”。

“傳統(tǒng)的3D打印技術(shù)包括熔融堆積技術(shù)（FDM）、光固化技術(shù)（SLA），激光熔化沉積（LMD）以及激光粉末床熔融技術(shù)（LPBF）等?！眲㈡面媒榻B。而這些傳統(tǒng)的3D打印技術(shù)也各有千秋。

熔融堆積技術(shù)（FDM）和光固化技術(shù)（SLA），是目前最常見、最成熟的兩種3D打印技術(shù)。熔融堆積3D打印又叫熔絲沉積3D打印，在3D打印技術(shù)中，熔融堆積技術(shù)的機(jī)械結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)也最容易，制造成本、維護(hù)成本和材料成本也最低，因此也是在家用的桌面級(jí)3D打印機(jī)中使用得最多的技術(shù)。它是將絲狀的熱熔性材料加熱融化，同時(shí)三維噴頭在計(jì)算機(jī)的控制下，根據(jù)截面輪廓信息，將材料選擇性地涂敷在工作臺(tái)上，快速冷卻后形成一層截面。一層成型完成后，機(jī)器工作臺(tái)下降一個(gè)高度（即分層厚度）再成型下一層，直至形成整個(gè)實(shí)體造型。

而光固化3D打印技術(shù)是將液態(tài)光敏高分子材料累加為固態(tài)成形件，成形精度較高，是可以滿足商業(yè)化需求的共性技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)通過(guò)數(shù)控裝置控制的掃描器，將激光光束按設(shè)計(jì)的掃描路徑照射到液態(tài)光敏樹脂表面，使表面特定區(qū)域內(nèi)的一層樹脂固化， 當(dāng)一層加工完畢后，就生成了零件的一個(gè)截面；然后升降臺(tái)下降一定距離，固化層上覆蓋另一層液態(tài)樹脂，再進(jìn)行第二層掃描，第二固化層牢固地黏結(jié)在前一固化層上，這樣一層層疊加便形成了三維工件原型。

熔融堆積3D打印可使用的原料種類繁多，能夠根據(jù)不同需求改變打印設(shè)置和硬件附件，更有利于定制化生產(chǎn)，能夠適應(yīng)更多特殊化場(chǎng)景的使用需求。而光固化3D打印可以實(shí)現(xiàn)0.1毫米的分辨率，并且可以實(shí)現(xiàn)平滑、細(xì)致的表面處理，這是熔融堆積3D打印無(wú)法比擬的。

提升精度和速率，新技術(shù)給予人們更多靈感

劉婷婷介紹，近幾年，具有更高精度以及更高效率的雙光子3D打印技術(shù)（TPP）、飛秒投影雙光子光刻3D打?。‵P-TPL）技術(shù)以及聚焦電子束誘導(dǎo)沉積技術(shù)（FEBID）相繼出現(xiàn)。而新技術(shù)的出現(xiàn)使得打印的精度以及打印的速率不斷提升。

“2019年，香港中文大學(xué)工程學(xué)院機(jī)械與自動(dòng)化工程學(xué)系副教授陳世祈及其團(tuán)隊(duì)研發(fā)了‘飛秒投影雙光子光刻3D打印’（FP-TPL）技術(shù)，將原有打印速度提升了數(shù)千至一萬(wàn)倍?！睋?jù)了解，這種技術(shù)可以在與激光束垂直的平面上形成可編程的飛秒光片，用于平行寫入。這相當(dāng)于同時(shí)投射數(shù)百萬(wàn)個(gè)激光焦點(diǎn)，以取代傳統(tǒng)的聚焦方法。換句話說(shuō)，飛秒投影雙光子光刻3D打印技術(shù)可以在雙光子3D打印技術(shù)制造一個(gè)點(diǎn)的時(shí)間內(nèi)制造出整個(gè)平面，將制造時(shí)間由幾天縮短到幾分鐘。

“此外，3D打印技術(shù)精度的不斷提升，將為納米制造引入新的可能性?！眲㈡面帽硎尽?/p>

在材料兼容性和形狀靈活性等方面，納米3D打印技術(shù)表現(xiàn)出色，這使其可以在各種醫(yī)療和微流體應(yīng)用中使用。在最近的研究中，科學(xué)家們開始評(píng)估通過(guò)外部刺激修改3D打印結(jié)構(gòu)的可能性，開始采用一種新的納米加工方法。

法國(guó)格勒諾布爾大學(xué)的研究人員近日開發(fā)出了一種具有可變形磁場(chǎng)的3D打印微觀結(jié)構(gòu)的新方法。這項(xiàng)新技術(shù)涉及將磁性微珠添加到標(biāo)準(zhǔn)的雙光子聚合（2PP）3D打印對(duì)象中。通過(guò)精確地調(diào)整這些微型材料的特性以及微珠的方向，科學(xué)家們能夠制造出僅需外部磁場(chǎng)即可操作的復(fù)雜納米鑷子。

利用他們的新工藝，研究人員認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)也有可能開發(fā)出增強(qiáng)的微致動(dòng)器，甚至是用于藥物輸送應(yīng)用的磁極水凝膠。