3D打印：一場制造革命

文/方明赫

3D打印

汽車、美食、服裝、房子……你能想象得到這些東西都是打印出來嗎？越來越多的事實顯示，3D打印機已再也不是設計師和專家的專屬設備，它正逐步從實驗室和工廠走出來，對普通人的生活產(chǎn)生越來越大的影響。

▲3D打印的各樣物體

什么是3D打印

3D打印亦被叫作為“增材制造”，是一種以數(shù)據(jù)設計文件為基本，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，將材料逐層沉積或黏合來構導致三維物體的成型技術。

3D打印與傳統(tǒng)制造業(yè)的重點區(qū)別在于制品成型的過程上。傳統(tǒng)的制造業(yè)的全部制造流程一般需要經(jīng)過開模、鑄造、切割、組裝等過程，而3D打印則能實現(xiàn)一次成型，免去了繁雜的加工過程。另一，3D打印制造繁雜物體而不增多成本。針對傳統(tǒng)制造，物體形狀越繁雜，制導致本越高；而對3D打印而言，制造形狀繁雜的物品成本不增多，制造一個華麗的形狀繁雜的物品并不比打印一個簡單的方塊消耗更加多的時間或成本。因而，3D打印能夠實現(xiàn)有些傳統(tǒng)制造沒法達成的設計，制作出更繁雜的結構。3D打印技術能夠幫忙人們加強對個性化制品的生產(chǎn)能力，同期為工程師和設計師供給了一條嶄新的設計制造途徑。

▲3D打印的水泥制品，運用傳統(tǒng)的水泥澆灌技術不可能造出內部的中空管道

日前，3D打印技術正在與信息、材料、生物、掌控等技術融合滲透，這將對將來制造業(yè)生產(chǎn)模式與人類生活方式產(chǎn)生重要影響。

3D打印技術的發(fā)展

3D打印思想起源于19世紀末的美國。19世紀末，美國科研出了的照相雕塑和地貌成形技術，隨后產(chǎn)生了打印技術的3D打印核心制造思想。

現(xiàn)代道理上的3D打印技術誕生于上世紀80年代。雖然初期已有關聯(lián)專利發(fā)布，但并未實現(xiàn)商場化。1986年，Charles Hull開發(fā)的3D打印技術得到專利，命名為立體光刻技術，隨即成立了3D Systems機構，研發(fā)出第1臺商用3D打印機。

以3D Systems和DTM機構為表率的一批美國中小科技機構在20世紀80年代末至90年代初相繼開發(fā)出立體光固成型（SLA）、選取性激光燒結（SLS）和熔融沉積成型（FDM）等主流技術路線。

▲得克薩斯大學的Carl Deckard和Joe Beaman發(fā)明第1臺選取性激光燒結打印機的關聯(lián)報告

經(jīng)過20數(shù)年的沉淀和持續(xù)完善，各樣3D打印技術日臻成熟，3D打印機的價格逐步下降，其應用范圍亦逐步擴大。

3D打印技術原理

3D打印機的工作原理重點有兩大類，第1類是經(jīng)過沉積原材料層制造物體，第二類是經(jīng)過黏合原材料制造物體，分別叫作為選取性沉積打印和選取性黏合打印。

選取性沉積打印機所用原材料可以是遇到打印臺就會變硬的軟塑料、原始的餅干面團或是特殊醫(yī)療凝膠里的活細胞。在打印頭正式工作前，3D打印過程其實已然起始了。3D打印的第1步是定位軟件設計文件。用戶需要事先將設計文件保留為能被3D打印機的內置軟件讀取并運用的特殊格式，該文件能夠通知3D打印機的內置軟件需要打印什么。打印機固件讀取設計文件的同期，它將計算出打印頭的機械路徑和動作。例如，打印頭在什么位置沉積出外形的輪廓，以及在區(qū)別位置噴射多少材料等。隨后，理學打印過程就起始了。打印頭一般沿著一系列的水平、垂直軌道（工程師們叫作作“桁架”）移動。沉積第1層時，打印頭先勾勒出要打印物體的輪廓，而后打印頭來回掃描以填充輪廓。第1層打印完成后，打印頭會略微抬起，而后回落并起始第二層打印。3D打印機連續(xù)重復該過程，直至打印出設計文件所描繪物體的每一個橫截面，這一過程可能連續(xù)幾小時乃至數(shù)天。

▲熔融沉積3D打印，打印頭將塑料融化成半液態(tài)，擠出后固化

初期的商場打印機大多運用選取性黏合打印工藝，該辦法中的立體光刻和激光燒結應用較為廣泛。

立體光刻是最早商用的3D打印辦法之一。一個裝有液體光敏聚合物的小桶安置于打印機內部，這種聚合物暴露于UV激光下會硬化。打印機在聚合物表面掃出激光，激光掃描循著所打印形狀的輪廓和橫截面逐層進行。每次激光掃描后，可移動的臺面會將已打印的部分下沉必定距離。打印好的部分下沉到液體中，新的光敏聚合物覆蓋其頂部。有些打印機以相反的方式工作，激光向上瞄準聚合物，而后抬起打印的物體使其底部被鮮嫩液體浸沒。物體經(jīng)過該辦法3D打印出來后，還有需要進行后處理。多余的材料要洗掉，有些物體表面還需手工打磨，有時還要按照需要將物體進一步固化。

▲UV激光循著連續(xù)的橫截面形狀掃描，被固化的部分從液體聚合物中抬起

立體光刻的優(yōu)良在于激光作業(yè)快速、精確。多束激光可并行工作，其分辨率比擠壓式3D打印頭更高。缺點是光敏聚合物粉塵一般有毒，況且光敏聚合物并不像工業(yè)運用的熱塑性塑料那樣結實耐用。

選取性激光燒結采用的技術與立體光刻類似，但運用的不是液態(tài)光敏聚合物，而是粉末。這種打印機以高功率激光束在粉床表面掃描，激光照射到的粉末融化，隨后打印機內部的滾筒在粉床頂部刷上一層新的粉末并將打印臺降低。因為大部分原材料都可制成粉末形式，因此呢其應用范圍更廣。該工藝的缺點是制造的物身體部常常存在孔隙、表面不足光滑。因為某些粉末處理欠妥會誘發(fā)爆炸，因此選取性激光燒結打印機必須運用氮氣填充密封腔。

日前面臨的限制

3D打印技術的特點使其在制造繁雜結構方面擁有巨大優(yōu)良，但相針對傳統(tǒng)制造過程，日前存在的有些不足限制了3D打印的大規(guī)模應用。

材料限制：能夠用來3D打印的材料有限，日前運用最廣泛的是熱塑性塑料。雖然金屬、陶瓷等材料亦可實現(xiàn)3D打印，然而在都數(shù)狀況下，強度和精度上還遠遠達不到需求?？?span style="color: green;">選擇材料的范圍是制約3D打印技術發(fā)展的一個重要原因。另一一個材料上的制約原因是，日前的3D打印機大多只能打印單一材料。針對制造由多種成份構成的復合材料，3D打印的能力還顯著不足。從更長遠的方向看，3D打印技術的核心是具備多元材料同期打印的能力。

生產(chǎn)效率：3D打印采用逐層制造的方式，在生產(chǎn)中效率低下。針對一樣尺寸的制品，傳統(tǒng)的注塑機僅需幾秒鐘，而3D打印常常需要耗費數(shù)小時乃至幾天。3D打印的優(yōu)良是不需要模具，因而在極小批量生產(chǎn)上，能夠顯著縮短制造時間。然而，針對大批量制造，日前的3D打印還不具備競爭力。

制導致本：日前大都數(shù)工業(yè)制品都有現(xiàn)成的加工流程和產(chǎn)業(yè)鏈，各部分成本均已得到優(yōu)化，而3D打印的產(chǎn)業(yè)鏈尚不完整。雖然3D打印的耗材用量雖然少，但用于3D打印的原材料需要較高的制造工藝，因此呢其材料成本反而增多。另一，較低的成品率以及打印件后處理，一樣會將生產(chǎn)成本加強。

▲3D打印件的后處理，去除支撐結構與清理粉末

綜上所述，3D打印技術是革命性的，但不是顛覆性的。3D打印在短期內不可能取代已有的生產(chǎn)組織結構，但能夠極重加強現(xiàn)行工業(yè)體系的效率。

將來展望

1. 生物打印

3D打印擁有高度定制化的特點，這使其在將來的醫(yī)療行業(yè)持有巨大的發(fā)展潛能。3D生物打印的最后目的是整合醫(yī)學、工程學、生物學的關聯(lián)技術，來“打印”出一個跟人的組織或器官完全相同的替代品，用于組織修復和器官移植。

▲康奈爾大學科研團隊3D打印的心臟瓣膜

日前，以少許特定種類的活細胞為原材料的3D打印技術已然能夠實現(xiàn)。然而，并不是所有種類細胞都能夠在體外分離進行培養(yǎng)，亦不是所有細胞都能夠經(jīng)歷了3D生物打印的環(huán)境之后還能夠保持自己的生物活性。另一，絕大都數(shù)器官都不是由于單一細胞構成的，怎樣精確掌控生物材料、細胞、生長因子在整體3D結構中的位置和互相功效，使之與打印出的器官擁有相近的生理活性，都是短期內難以處理的問題。

2. 太空制造

因為地球與太空之間存在巨大的運輸成本，若宇航員能夠在軌制造所需的制品，則可大幅加強空間站實驗的靈活性，減少空間站備品備件的種類、數(shù)量和運營成本，降低空間站對地面補給的依賴性。而 3D 打印技術是太空生產(chǎn)的關鍵性技術，亦可能是太空產(chǎn)業(yè)化之路的關鍵所在。

2014年，第1臺太空3D打印機在國際空間站上安裝成功。2016年，中科院重慶綠色智能技術科研院與中科院空間應用中心歷經(jīng)兩年多的奮斗，成功研制出國內首臺空間在軌3D打印機，并完成拋物線失重飛行實驗。

▲由Made In Space機構開發(fā)的3D打印機在國際空間站中完成為了首次打印任務

將來進行太空研發(fā)，倘若能夠就地取材，運用3D打印技術利用小行星材料進行基地建設，將極重地加強人類對宇宙的探索能力。