科研進展正在改變著這項曾經的利基技術的麵貌。

一個(ge) 金屬平台從(cong) 一片液態樹脂中升起來，隨之出現了一個(ge) 精致的白色模型——就像一個(ge) 光滑的生物從(cong) 一片瀉湖中逐漸現身。

這是世界上最快的樹脂3D打印機，它可以在幾小時內(nei) 打印出與(yu) 人體(ti) 尺寸相當的結構。這台高速樹脂3D打印機由美國西北大學的化學家Chad Mirkin及其同事研發，並在去年十月報到了這一研究成果[1]，這是3D打印領域的重大突破，拓寬了這一原本隻能製造小型低精度原型零件的技術的應用範圍。3D打印技術不僅(jin) 變得更快、打印尺寸更大，同時科學家們(men) 還提出一係列創造性的技術改進手段，研發出強度更高的材料，甚至在單一產(chan) 品上混合了多種材料進行打印。

Chad MirKin位於(yu) 美國西北大學的實驗室中有一台樹脂打印機，它可以在幾小時內(nei) 製造出與(yu) 人體(ti) 尺寸相當的結構。圖片來源：西北大學。

運動服裝廠、航空航天製造商和醫療器械公司都十分渴望有效利用3D打印的優(you) 勢。哈佛大學的材料科學家Jennifer Lewis說：“雖然短期內(nei) 我們(men) 還不能在家裏快速打印出修理汽車所需的零件，但這一技術已被主流製造公司采用。”

這項最新技術也有望給研究人員帶來經濟收益，像 Lewis 和 Mirkin一樣，他們(men) 中的很多人已經開始對自己的成果進行商業(ye) 化的嚐試。英國謝菲爾德大學的冶金學家Iain Todd表示：“3D打印技術的進步可以讓我們(men) 通過超乎想象的方式來利用這些材料，這讓材料科學家們(men) 十分興(xing) 奮，也將讓人們(men) 逐漸習(xi) 慣於(yu) 3D打印的全新事物。”

從(cong) 零件到產(chan) 品

3D打印技術也被稱為(wei) 增材製造，與(yu) 從(cong) 整塊的原料切削和磨削製造或從(cong) 利用熔融金屬和模具進行鑄造的傳(chuan) 統工藝流程不同，3D打印是一種自底向上的製造過程。它具有較低的材料消耗和高度的定製化能力，能夠製造像網格這樣傳(chuan) 統方法難以製造的複雜結構。

業(ye) 餘(yu) 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後的噴嘴中，隨後噴嘴將融化後的塑料不斷擠出，一層接一層地向上構建設計的結構，這也被稱為(wei) 熔融沉積成型工藝（fused deposition modelling，FDM）。但3D打印所涵蓋的技術遠遠不止於(yu) 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麵固化，這一概念可以追溯到1984年Chars Hu[2]的專(zhuan) 利，他同時也是美國南卡羅來納州3D Systems公司的創始人。

最新的3D打印技術，包括Mirkin的技術在內(nei) ，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領導的團隊在2015年報告出改進方法後[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，並且容易產(chan) 生分層、有瑕疵的脆弱結構。這種打印技術隻能有限地應用於(yu) 快速原型設計，為(wei) 基於(yu) 傳(chuan) 統方法的正式生產(chan) 製造塑料模型。作為(wei) 研究領域來說，這種打印技術還無法令研究人員滿意，澳大利亞(ya) 墨爾本莫納什大學的高分子科學家Timothy Scott表示：“用這種方法隻能製造一些小零件和小玩意兒(er) ，那對於(yu) 一個(ge) 高分子化學家來說十分無趣。”

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。圖片來源：Carbon 3D Inc

DeSimone隨後發現了一種可以將光敏樹脂打印速度相較於(yu) 傳(chuan) 統打印機提升100倍的新途徑[3]。這種方法將工作台浸沒於(yu) 樹脂容器中，隨後用投影儀(yi) 將預先編程過的圖像通過容器底部的透明窗口照射到工作台上。

這種方法可以讓光一次性固化整層樹脂。該方法的優(you) 勢在於(yu) 底部的窗口可以透過氧氣，這會(hui) 阻止固化反應並在窗口上方產(chan) 生一層很薄的緩衝(chong) 層（也稱為(wei) 死區），讓每次打印出的樹脂層不會(hui) 粘附在容器底部。隨著工作台不斷地上升，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，但DeSimone的方法令人印象深刻的一點在於(yu) ，它可以在打印後利用熱處理來實現第二種反應，增加成品的強度。Lewis說：“這為(wei) 3D打印打開了更廣闊的材料空間。”

此後很多研究團隊和公司都在此基礎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。同時這層油還起到了冷卻劑的作用，將帶走打印過程中產(chan) 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(jin) 僅(jin) 可以打印厭氧的樹脂。

Mirkin表示，他的打印機比DeSimone的設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製反應，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來實現[4]。通過調節兩(liang) 種光強的比例，研究人員可以控製光抑製區域的厚度，使得更為(wei) 複雜的模式打印成為(wei) 可能，例如帶有圖印或者標誌的表麵結構。

3D打印領域的創新具有迅速商業(ye) 化的潛力，一些研究人員在發表論文之前就開始著手建立公司了。例如在發表論文當日，DeSimone在溫哥華發表TED演講時就宣布在加州雷德伍德城建立一家名為(wei) Carbon 3D的初創公司。實際上他在兩(liang) 年前就已經悄悄注冊(ce) 了這家公司，如今它已經成為(wei) 3D打印領域最大的初創公司之一，目前已募集了6.8億(yi) 美元，估值達到了24億(yi) 美元。它與(yu) Adidas高調簽訂合約，為(wei) 運動鞋生產(chan) 類似橡膠的鞋底夾層，同時與(yu) 運動裝備公司Riddell簽訂了為(wei) 美式足球運動員生產(chan) 頭盔襯裏的合同。

Carbon 3D的技術被用於(yu) 打印Adidas的鞋底（左側(ce) ）和美式橄欖球頭盔的襯裏（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立了一家名為(wei) “Azul 3D”的初創公司，將他們(men) 的高區域快速打印（high-area rapid printing，HARP）技術商業(ye) 化。Scott 和 Burns也在為(wei) 他們(men) 位於(yu) 安娜堡的初創公司Diplodocal準備商業(ye) 化原型打印機，值得一提的是，他們(men) 公司的名字Diplodocal來源於(yu) “雙光束”的希臘語。

新的樹脂打印技術還在湧現，其中一種技術將液態樹脂裝入了旋轉的玻璃管中，隨著玻璃管的旋轉，投影儀(yi) 將一段視頻投射到玻璃管中，而視頻則對應著目標形狀的2D切片，隻用幾秒鍾的時間，需要打印的物體(ti) 就會(hui) 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的啟發，它們(men) 通過橫截麵來為(wei) 物體(ti) 成像。而這種打印方法則反過來將橫截麵圖像反投影回去，以形成3D目標。

一架投影儀(yi) 將視頻循環投射入液態樹脂中，使得整個(ge) 物體(ti) 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

即使在這一飛速發展的領域，這項引人注目的技術也被Lewis稱為(wei) 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，並且目標物體(ti) 不能太大，否則光線無法穿過樹脂，無法固化。但這種技術顯示出了潛在的優(you) 勢，它可以處理非常粘稠的樹脂，因為(wei) 其他樹脂打印機在狹窄的“死區”中難以進行抽取。這意味著這種方法可以構建強度更高，精度更高的結構。

勞倫(lun) 斯·利弗莫爾國家實驗室的材料和製造工程師Christopher Spadaccini表示，這種方法已經吸引了工業(ye) 界的廣泛興(xing) 趣。Spadaccini也是去年一月發表了這項技術的團隊的一員[5]。而瑞士洛桑聯邦理工學院也獨立地提出了類似的概念，並提前幾個(ge) 月將成果發布在了預印本服務器上[6]。Spadaccini認為(wei) 這一技術具有巨大的商業(ye) 價(jia) 值，因為(wei) 其硬件要求十分簡單，“最終，你隻需要一台一般的投影儀(yi) 和一個(ge) 轉台就可以了。”

規模變大

當化學家們(men) 致力於(yu) 研究更為(wei) 智能的3D方法來打印複雜的樹脂構件，工程師們(men) 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築過程。

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(ya) 先進建築研究所的研究人員設計建造，並於(yu) 2016年安裝在了馬德裏附近阿爾科文達斯的一座公園裏。這座橋長12m，外形呈現出網格狀結構，這是由算法優(you) 化後以最大化強度和最小化金屬用量的處理結果。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(lan) 公司的團隊也建造了3D打印的樣板房。

然而這些建築並不是由一個(ge) 整體(ti) 的打印件構成，而是通過多個(ge) 打印好的部件拚接而成。通過更為(wei) 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(hui) 鼓勵工程師建造更多。

並不隻有混凝土才能打印大型構件，來自阿姆斯特丹的MX3D公司就利用不鏽鋼打印了一座橋，它於(yu) 2018年首次公開展示，目前安裝了一係列傳(chuan) 感器進行測試，之後計劃安裝到阿姆斯特丹的一條運河上。

洛杉磯的初創公司Relativity Space正在建造幾乎全部由3D打印製造的火箭，其目標是將1250千克的物資送入低地軌道，計劃於(yu) 2021年進行首次發射測試。Relativity Space的CEO Tim Ellis表示，打印的金屬可能並不總是具有傳(chuan) 統方法所製金屬構件的散熱性能，但3D打印可以增加一係列傳(chuan) 統製造方法無法生產(chan) 的幾何構型的製冷通道。同時，火箭幾乎是一次性或者隻用幾次的用品，所以長期來看，火箭的結構無需像飛機的合金一樣堅固、耐受數萬(wan) 次的壓力循環。

這些大規模的金屬打印項目利用機械臂將金屬絲(si) 送入到激光熔融區域來構建物體(ti) 。

像波音、勞斯萊斯、普拉特·惠特尼等航空公司開始使用3D打印來製造噴氣式發動機的金屬部件，這種方法比銑削更便宜並使得複雜構件更為(wei) 輕巧。

但3D打印的金屬具有一係列會(hui) 降低產(chan) 品強度的結構缺陷。Spadaccini等人正嚐試利用傳(chuan) 感器陣列和高速相機來觀察結構中的非規則性，包括應變積累點和溫度熱點，並作出實時調整。

很多科學家還致力於(yu) 改進打印金屬構件的內(nei) 在強度，例如通過控製材料的微結構來實現。2017年10月，一個(ge) 美國團隊報告稱，利用高溫和急冷的方法處理3D打印的不鏽鋼材料，可以改變金屬的微結構，並實現了超過鑄造工藝的產(chan) 品強度[7]。兩(liang) 個(ge) 月前，美國和澳大利亞(ya) 的研究團隊報告了具有相似的強度優(you) 勢的鈦銅合金[8]。先前的3D打印方法會(hui) 使得鈦合金在固化時形成圓柱狀的結構晶粒，而銅則可以加速固化過程，使得晶粒更小並向各個(ge) 方向發展，從(cong) 而增強了目標整體(ti) 的結構強度。

Mark Easton是澳大利亞(ya) 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。他已經與(yu) 對這種材料的應用前景感興(xing) 趣的航空航天企業(ye) 展開對話，他表示這種材料同樣可以用於(yu) 像人工關(guan) 節之類的醫療植入物中。

很多適用於(yu) 金屬的打印技術也同樣可以用於(yu) 陶瓷，潛在應用包括製造牙冠和骨科植入物。它們(men) 的模具目前已經開始利用3D打印製造，而後利用傳(chuan) 統的鑄造手段來製造。但利用3D打印整個(ge) 產(chan) 品，可以大大節省看牙和看外科的時間。

倫(lun) 敦帝國理工學院的材料與(yu) 陶瓷科學家Eduardo Saiz表示，目前還較難控製3D打印陶瓷中的微結構，幾乎所有的陶瓷打印技術都涉及大量的燒結後處理，這會(hui) 造成部件的變形或翹曲，“依我看，陶瓷的實際應用將落後於(yu) 聚合物與(yu) 金屬。”他說。

不斷發展的打印技術

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

2018年5月，蘇黎世聯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，當被置於(yu) 溫水中時，它可以利用向後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後重置槳葉。澳大利亞(ya) 伍倫(lun) 貢大學的材料工程師Geoff Spinks認為(wei) ，可以利用電池驅動槳葉重置，但這會(hui) 使得機器人的效率甚至低於(yu) 傳(chuan) 統的驅動方式，“4D打印仍然存在一係列重大的挑戰。”他說。

另一類4D打印方法引入了變化的外部磁場來觸發動作。美國的研究人員構建了一種內(nei) 部填充液體(ti) 且液體(ti) 可隨磁場變硬的3D打印柵格狀結構[10]，這種技術也許能在未來被應用於(yu) 汽車座椅，使其在受到撞擊時變硬。

一種響應磁場變硬的液體(ti) 被注入到中空結構和3D打印的柵格狀結構中，這種材料可以實現剛性和柔性的轉換。圖像來源：Julie Mancini/LLNL

此外，4D打印更為(wei) 被動的潛在應用還包括血管支架，它可以被壓縮植入到血管中，當到達目標位置時將拓展展開結構。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(jin) 為(wei) 50微米的4D打印支架[11]。這種比傳(chuan) 統支架小很多的結構，有望在未來被用於(yu) 治療類似於(yu) 尿道狹窄等有可能危及胎兒(er) 生命的疾病。

也許關(guan) 於(yu) 4D打印最為(wei) 雄心勃勃的例子，要數那些不但會(hui) 動而且確確實實有生命的應用了。目前，類似於(yu) 可以進行皮膚一類組織打印的生物打印技術已經適用於(yu) 實驗室研究，同時也可以為(wei) 已成功植入大鼠的肝髒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(cong) 而減少器官移植的等待時間。“但這一技術還遠未達到可以應用於(yu) 人體(ti) 的水平，至少還需要十幾年的時間。”Lewis說。

集大成者

Scott表示，很多關(guan) 於(yu) 打印材料的創新性想法依賴於(yu) 多種材料的同時打印，“那絕對是3D打印領域的前沿方向。”

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(ti) 。Lewis依靠先前在多材料打印機方麵的工作，在馬塞諸塞州的薩默維爾創立了一家名為(wei) 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。可穿戴設備需要在關(guan) 節附近保持靈活，但同時也需要具備容納電子設備的剛性部分。Saiz稱讚這種打印機是一項“美麗(li) 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備截然不同。”

佐治亞(ya) 理工學院的材料工程師Jerry Qi帶領一支團隊，在2018年三月推出了四合一的3D打印機：一個(ge) 噴嘴可以擠出熔融聚合物，一個(ge) 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(liang) 個(ge) 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同工作，可以將電路嵌入到剛性基板或柔性高分子外殼內(nei) ，集成製造出所需的設備。Qi表示團隊目前正在與(yu) 電子行業(ye) 的公司合作，他們(men) 對於(yu) 這種比傳(chuan) 統方法更加快速的電路板原型打印技術十分感興(xing) 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出能夠使得打印頭互相通信並追蹤打印過程的軟件係統。

這一領域目前還遠未實現將製造帶入千家萬(wan) 戶的早期願景。就目前而言，複雜精密的打印機價(jia) 格高昂，阻礙了非專(zhuan) 業(ye) 人士的購買(mai) 和使用，但3D打印在過去的20年裏已經走過了很長的發展道路。Todd還記得在2000年前後人們(men) 參觀他的實驗室，看到將金屬粉末融合製成零部件的技術時的情景。與(yu) 隔壁的銑刀機床和切割係統相比，他的3D打印機器深深地吸引了參觀者。他回憶道：“參觀者們(men) 看到這項技術時，就像看到了狗狗在酒吧中彈鋼琴一樣驚訝！”但現在這項技術已經成了很多工廠的標配了。

參考文獻：

1. Walker, D. A., Hedrick, J. L. & Mirkin, C. A.Science366, 360–364 (2019).

2. Hull, C. W. Apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography. US patent 4575330A (1984).

3. Tumbleston, J. R.et al. Science347, 1349–1352 (2015).

4. de Beer, M. P.et al. Sci. Adv.5, eaau8723 (2019).

5. Kelly, B. E.et al. Science363, 1075–1079 (2019).

6. Loterie, D., Deirot, P. & Moser, C. Preprint at ResearchGate

https://doi.org/10.13140/RG.2.2.20027.46889 (2018).

7. Wang, Y. M.et al. Nature Mater.17, 63–71 (2018).

8. Zhang, D.et al. Nature576, 91–95 (2019).

9. Chen, T., Bilal, O. R., Shea, K. & Daraio, C. Proc.Natl Acad.

Sci. USA115, 5698–5702 (2018).

10. Jackson, J. A.et al. Sci. Adv.4, eaau6419 (2018).

11.deMarco,C.etal.Adv.Mater.Technol.4,1900332(2019).

12. Skylar-Scott,M.A.,Mueller,J.,Visser,C.W.&Lewis,J.A.

Nature575, 330–335 (2019).

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

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