3D打印技術是製造業(ye) 的未來，發展至今打印速度和規模得到了極大提高，在生物醫學領域的應用範圍也逐步擴大。近年來，3D打印技術發展如何？在哪些領域取得了突破性進展？

中國工程院院刊《Engineering》刊發《3D打印技術在多個(ge) 領域取得進展》一文，在分析3D打印技術發展現狀的基礎上，概述了連續液體(ti) 界麵生產(chan) 技術、高麵積快速打印技術等3D打印新技術。文章指出，3D打印技術正不斷擴展應用領域並取得顯著發展，如汽車零部件、體(ti) 育器材、生物醫學、房屋建造、火箭製造等領域。最後，文章提到，3D打印在技術、政策及體(ti) 製方麵麵臨(lin) 著諸多挑戰，仍需進一步發展，實現更多技術進步。

3D打印概念成為(wei) 主流已近40年，倡導者稱讚這項技術是“製造業(ye) 的未來”（future of manufacturing）。現在， 3D打印的打印速度和規模得到極大提高，生物醫學應用範圍也逐步擴大。近年來，這些進步均證明了3D打印技術正越來越靠近人們(men) 對它的預設。

當今最常見的3D打印種類，即增材製造，使用光線將液態塑料樹脂逐層固化為(wei) 固體(ti) 。這個(ge) 過程通常比較慢，製造手持設備常常需要大半個(ge) 下午。此外，各層之間的接口往往比較脆弱，成品結構易碎。因此，3D打印並沒有取代傳(chuan) 統的製造過程，而是和一些非常特殊的用途聯係起來。美國伊利諾伊州埃文斯頓西北大學工程學教授Chad Mirkin表示：“在很大程度上，3D打印主要局限於(yu) 原型設計，因為(wei) 它速度慢、產(chan) 量低、產(chan) 品結構不穩定。”

大約5年前，美國北卡羅來納大學的工程師發明了一種新型的3D打印技術，即“連續液體(ti) 界麵生產(chan) ”（CLIP），與(yu) 同類技術相比，這種技術的生產(chan) 速度提高了100倍。這項技術獲得極大的進步。位於(yu) 美國加利福尼亞(ya) 州雷德伍德市的一家名為(wei) Carbon公司獲取了該項技術，該公司采用了一種半滲透窗，可以將氧氣注入液體(ti) 樹脂，從(cong) 而形成一種能防止固化的薄的“死區”（dead zone）。在該區域上方，光線將樹脂固化成固體(ti) 。機械臂緩慢地將不斷增長的固體(ti) 從(cong) 樹脂中拉出，使其他材料得以固化和黏附，這種技術無需一係列層合界麵，因此產(chan) 品更加堅固。

盡管CLIP的速度提高備受關(guan) 注——Carbon公司已與(yu) 福特汽車公司、阿迪達斯體(ti) 育用品公司和裏德爾體(ti) 育公司達成協議，分別為(wei) 它們(men) 生產(chan) 汽車零件、運動鞋底和橄欖球頭盔，但其固化過程會(hui) 釋放出大量熱量，這可能導致打印的零件翹曲和破裂。為(wei) 了散熱，打印的成品尺寸實際上被限製為(wei) 25cm×25cm×41cm。

Mirkin說：“Carbon公司證實了3D打印可被用於(yu) 製造業(ye) ，而且他們(men) 在許多行業(ye) 做得都非常好，但是他們(men) 還沒有找到快速打印大型物體(ti) 的方法。”

■圖1：一種名為(wei) HARP的新型3D打印技術，該技術使一層液態冷卻劑在一大桶液態樹脂下麵循環，從(cong) 而消除物體(ti) 打印時隨著體(ti) 積不斷擴大而產(chan) 生的熱量，使它們(men) 在短短幾個(ge) 小時內(nei) 就可以達到成年人的尺寸。這款HARP打印機高約4 m，帶有0.76 m×0.76 m的打印床，可以打印一個(ge) 大型的連續結構或許多不同的小型結構。來源：美國伊利諾伊州埃文斯頓西北大學（新聞稿）

在2019年年末，Mirkin的團隊宣稱其開發了一項名為(wei) “高麵積快速打印”（HARP）的新技術，該技術使液體(ti) 冷卻劑在一桶液態樹脂下麵循環。冷卻劑是一種氟化油，在打印時會(hui) 直接從(cong) 正在打印的物體(ti) 上吸走熱量，從(cong) 而使它們(men) 在短短幾個(ge) 小時內(nei) 就可以達到成年人的尺寸（圖1）。Mirkin將使用多台投影儀(yi) 發出的光進行打印的方法稱為(wei) “平鋪”（tiling）工藝，其打印尺寸可以達到約1 m×1 m×4 m。將來，其他投影儀(yi) 可使HARP 能夠製造更大的物品。“從(cong) 理論上講，平鋪工藝消除了尺寸限製，”Mirkin說。

為(wei) 了使HARP商業(ye) 化，Mirkin和同事成立了Azul 3D公司（位於(yu) 美國伊利諾伊州斯科基市），該公司預計在2021年年底前開始銷售打印機。Mirkin希望HARP能改變3D打印的商業(ye) 模式。“幾乎所有的3D打印公司都必須從(cong) 他們(men) 的硬件上獲得可觀的收入，因為(wei) 他們(men) 根本沒有使用足夠的樹脂來使此項技術具有良好的商業(ye) 模式。”他表示，“借助HARP，該公司不需要僅(jin) 依靠銷售硬件來獲得收入，因為(wei) 他們(men) 還可以通過銷售生產(chan) 大量零件所需的樹脂來賺錢。這樣，由於(yu) 初始硬件成本幾乎變得無關(guan) 緊要，所以HARP降低了進入門檻。”

3D打印技術正顯示出其在處理微小物體(ti) 方麵的潛在價(jia) 值。將傳(chuan) 統3D打印機中使用的“墨水”（塑料、聚合物和金屬合金）換成嵌入生物介質中的活細胞，這項技術將成為(wei) 生物醫學應用的一個(ge) 有趣工具，未來有可能被用於(yu) 製造替代組織。3D生物打印已被用於(yu) 製造簡單的組織，如皮膚、軟骨和部分心肌。隨著技術的進步，3D生物打印可能會(hui) 被用於(yu) 製造更複雜的器官，如視網膜、腎髒和肺。主要的挑戰包括組成器官的各種各樣的細胞類型，以及需要提高足夠的分辨率來打印輸送氧氣和清除廢物的微小血管。

“我不知道我們(men) 能否達成這個(ge) 目標——有各種不同的細胞類型和維持它們(men) 存活所需的血管係統，器官實在是太複雜了。”美國明尼蘇達州明尼蘇達大學機械工程學教授Michael McAlpine說，“我們(men) 一直以來的錯誤在於(yu) 試圖完全複製生物學。也許通過聚合物和電子技術，你可以製造出一個(ge) 能像肝髒一樣工作的設備，但實際上該設備比大自然創造出來的要好得多。”

3D生物打印已得到了更直接的應用，其中包括藥物發現和消費品測試。在McAlpine的許多項目中，有一個(ge) 可用於(yu) 脊髓再生的3D打印設備和嵌入有可監測患者生理和生化標誌物的傳(chuan) 感器的電子紋身。

■圖2：Icon公司（位於(yu) 美國得克薩斯州奧斯汀市）的Vulcan II 3D打印機堆積了一層大約2.5cm×5cm的名為(wei) “lavacrete”的混凝土基線材料，建造了如圖所示的37m2房屋的牆壁，花費了約24h。（來源：Icon公司）

■圖3：Icon公司的Vulcan II 3D打印機位於(yu) 三個(ge) 結構的最末端，該打印機在美國得克薩斯州奧斯汀市的一個(ge) 地基上創建了三座37 m2  房屋的牆壁，這些房屋的平麵圖各不相同。（來源：Icon公司）

雖然3D生物打印主要集中在很小的領域，但是美國得克薩斯州的創新者正在使用超大規模的3D打印來建造房屋（圖2）。位於(yu) 得克薩斯州奧斯汀市的建築技術公司Icon開發了一台名為(wei) Vulcan II的3D打印機，該打印機可以在大約24 h內(nei) 打印37 m2 的兩(liang) 居室房屋的牆壁。Vulcan II是專(zhuan) 門為(wei) 偏遠農(nong) 村的房屋建造而設計的，由於(yu) 有限的資源、無法預測的天氣以及不穩定的電源，使用傳(chuan) 統的建築方式幾乎是不可能完成房屋建造的。這台高 3.5m、重1725kg的機器連續堆積了一層高2.5cm、寬5cm的被稱為(wei) “lavacrete”的可延展型混凝土基線材料，並將其硬化成牆（圖3）。

Icon公司目前正在51英畝(mu) （注：1 acre=4046.873m2）土地上為(wei) 美國奧斯汀東(dong) 北部地區的無家可歸者打印數十套房屋，並為(wei) 墨西哥塔巴斯科小鎮約50個(ge) 家庭提供房屋。雖然Vulcan II減少了建造房屋的工作量，但建造過程並非一步到位，工人仍然需要打下地基並安裝屋頂。3D打印房屋除了能節省時間外，與(yu) 其他低成本住房相比，它還能夠打印平滑曲線和傾(qing) 斜牆壁以實現其更自由的設計。

■圖4：Relativity Space公司（總部位於(yu) 美國加利福尼亞(ya) 州洛杉磯市）的 Stargate 3D打印機使用定向能量沉積製造巨大的金屬物體(ti) ，如火箭的燃料箱和發動機。打印機高9 m，且具有3個(ge) 龐大的機械臂。一隻機械臂使用強大的激光來熔化金屬絲(si) ，金屬絲(si) 會(hui) 逐層沉積以形成火箭的零件。另外兩(liang) 隻機械臂用於(yu) 固定工具以完成打印的部件（來源：Relativity Space公司）

在另一項大規模應用中，總部位於(yu) 美國加利福尼亞(ya) 州洛杉磯市的Relativity Space公司開發了一種名為(wei) “Stargate”的3D打印機（圖4），用於(yu) 建造幾乎不以地麵為(wei) 基礎的物體(ti) ，即30 m高的火箭飛船。Relativity Space公司計劃用3D打印技術打印第一枚火箭的整個(ge) 生產(chan) 線，即 Terran-1，但不包括電子設備、電纜和少量活動部件。相比之下，SpaceX、Blue Origin和其他公司也使用3D 打印技術，但僅(jin) 用於(yu) 生產(chan) 部分零件。Relativity Space 公司與(yu) 許多衛星運營商簽訂了發射有效載荷的合同，並同意他們(men) 使用美國國家航空航天局位於(yu) 密西西比州漢考克縣的John C.斯坦尼斯航天中心的兩(liang) 個(ge) 測試設施。該公司還獲得了從(cong) 美國佛羅裏達州卡納維拉爾角空軍(jun) 基地的“Launch Complex-16”發射“Terran1”火箭的權利，其中第一枚火箭有望在2021年發射。

盡管火箭通常由數千個(ge) 單獨的零件組成，但Relativity Space公司設計的零件卻合並了一些部件，這些部件通常是被分開製造然後組裝的。所以，他們(men) 的火箭零件數量將是同類火箭的零件數量的1/100。更少的零件意味著更少的接口和更少的出錯機會(hui) 。此外，盡管大多數製造商必須重新配置其設備以製造額外的硬件，但Relativity Space公司隻需要在打印機軟件中運行一個(ge) 新程序即可創建下一個(ge) 零件。而且與(yu) 傳(chuan) 統的火箭製造相比，該公司的3D打印機進行設計更改也更容易且成本更低。

“一般，航天工業(ye) 要規避風險，相較於(yu) 創新，更希望有更多的信心實現成功發射。”安全世界基金會(hui) 私營部門項目主任Ian Christensen說，該基金會(hui) 總部位於(yu) 美國科羅拉多州布魯姆菲爾德市，其致力於(yu) 促進和平可持續的外層空間的利用。“像3D打印火箭這樣完全新穎的東(dong) 西，市場將如何反應，這是一個(ge) 懸而未決(jue) 的問題。”

僅(jin) 僅(jin) 因為(wei) 現實中3D打印已經開始滿足人們(men) 對它的期望，但人們(men) 仍有更多雄心勃勃的目標。Relativity Space公司不僅(jin) 不滿足於(yu) 通過製造火箭將衛星送入軌道，還著眼於(yu) 將打印機運送到火星，以便在火星上打印火箭，從(cong) 而將土壤樣本送回地球。“這種采樣返回的概念在理論上是有趣的，但幾乎可以肯定，它需要與(yu) 政府的太空探索和行星科學項目相結合，而這些項目進展緩慢。”Christensen說，“像在技術方麵的挑戰一樣，這一概念在政策及體(ti) 製方麵也麵臨(lin) 著挑戰。”