前沿科技诠释丨3D打印：一场制造革命

 

3D打印：一场制造革命

文/方明赫

3D打印

汽车、美食、服装、房子……你能想象得到这些东西都是打印出来吗？越来越多的事实显示，3D打印机已再也不是设计师和专家的专属设备，它正逐步从实验室和工厂走出来，对普通人的生活产生越来越大的影响。

▲3D打印的各样物体

什么是3D打印

3D打印亦被叫作为“增材制造”，是一种以数据设计文件为基本，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，将材料逐层沉积或黏合来构导致三维物体的成型技术。

3D打印与传统制造业的重点区别在于制品成型的过程上。传统的制造业的全部制造流程一般需要经过开模、铸造、切割、组装等过程，而3D打印则能实现一次成型，免去了繁杂的加工过程。另一，3D打印制造繁杂物体而不增多成本。针对传统制造，物体形状越繁杂，制导致本越高；而对3D打印而言，制造形状繁杂的物品成本不增多，制造一个华丽的形状繁杂的物品并不比打印一个简单的方块消耗更加多的时间或成本。因而，3D打印能够实现有些传统制造没法达成的设计，制作出更繁杂的结构。3D打印技术能够帮忙人们加强对个性化制品的生产能力，同期为工程师和设计师供给了一条崭新的设计制造途径。

▲3D打印的水泥制品，运用传统的水泥浇灌技术不可能造出内部的中空管道

日前，3D打印技术正在与信息、材料、生物、掌控等技术融合渗透，这将对将来制造业生产模式与人类生活方式产生重要影响。

3D打印技术的发展

3D打印思想起源于19世纪末的美国。19世纪末，美国科研出了的照相雕塑和地貌成形技术，随后产生了打印技术的3D打印核心制造思想。

现代道理上的3D打印技术诞生于上世纪80年代。虽然初期已有关联专利发布，但并未实现商场化。1986年，Charles Hull开发的3D打印技术得到专利，命名为立体光刻技术，随即成立了3D Systems机构，研发出第1台商用3D打印机。

以3D Systems和DTM机构为表率的一批美国中小科技机构在20世纪80年代末至90年代初相继开发出立体光固成型（SLA）、选取性激光烧结（SLS）和熔融沉积成型（FDM）等主流技术路线。

▲得克萨斯大学的Carl Deckard和Joe Beaman发明第1台选取性激光烧结打印机的关联报告

经过20数年的沉淀和持续完善，各样3D打印技术日臻成熟，3D打印机的价格逐步下降，其应用范围亦逐步扩大。

3D打印技术原理

3D打印机的工作原理重点有两大类，第1类是经过沉积原材料层制造物体，第二类是经过黏合原材料制造物体，分别叫作为选取性沉积打印和选取性黏合打印。

选取性沉积打印机所用原材料可以是遇到打印台就会变硬的软塑料、原始的饼干面团或是特殊医疗凝胶里的活细胞。在打印头正式工作前，3D打印过程其实已然起始了。3D打印的第1步是定位软件设计文件。用户需要事先将设计文件保留为能被3D打印机的内置软件读取并运用的特殊格式，该文件能够通知3D打印机的内置软件需要打印什么。打印机固件读取设计文件的同期，它将计算出打印头的机械路径和动作。例如，打印头在什么位置沉积出外形的轮廓，以及在区别位置喷射多少材料等。随后，理学打印过程就起始了。打印头一般沿着一系列的水平、垂直轨道（工程师们叫作作“桁架”）移动。沉积第1层时，打印头先勾勒出要打印物体的轮廓，而后打印头来回扫描以填充轮廓。第1层打印完成后，打印头会略微抬起，而后回落并起始第二层打印。3D打印机连续重复该过程，直至打印出设计文件所描绘物体的每一个横截面，这一过程可能连续几小时乃至数天。

▲熔融沉积3D打印，打印头将塑料融化成半液态，挤出后固化

初期的商场打印机大多运用选取性黏合打印工艺，该办法中的立体光刻和激光烧结应用较为广泛。

立体光刻是最早商用的3D打印办法之一。一个装有液体光敏聚合物的小桶安置于打印机内部，这种聚合物暴露于UV激光下会硬化。打印机在聚合物表面扫出激光，激光扫描循着所打印形状的轮廓和横截面逐层进行。每次激光扫描后，可移动的台面会将已打印的部分下沉必定距离。打印好的部分下沉到液体中，新的光敏聚合物覆盖其顶部。有些打印机以相反的方式工作，激光向上瞄准聚合物，而后抬起打印的物体使其底部被鲜嫩液体浸没。物体经过该办法3D打印出来后，还有需要进行后处理。多余的材料要洗掉，有些物体表面还需手工打磨，有时还要按照需要将物体进一步固化。

▲UV激光循着连续的横截面形状扫描，被固化的部分从液体聚合物中抬起

立体光刻的优良在于激光作业快速、精确。多束激光可并行工作，其分辨率比挤压式3D打印头更高。缺点是光敏聚合物粉尘一般有毒，况且光敏聚合物并不像工业运用的热塑性塑料那样结实耐用。

选取性激光烧结采用的技术与立体光刻类似，但运用的不是液态光敏聚合物，而是粉末。这种打印机以高功率激光束在粉床表面扫描，激光照射到的粉末融化，随后打印机内部的滚筒在粉床顶部刷上一层新的粉末并将打印台降低。因为大部分原材料都可制成粉末形式，因此呢其应用范围更广。该工艺的缺点是制造的物身体部常常存在孔隙、表面不足光滑。因为某些粉末处理欠妥会诱发爆炸，因此选取性激光烧结打印机必须运用氮气填充密封腔。

日前面临的限制

3D打印技术的特点使其在制造繁杂结构方面拥有巨大优良，但相针对传统制造过程，日前存在的有些不足限制了3D打印的大规模应用。

材料限制：能够用来3D打印的材料有限，日前运用最广泛的是热塑性塑料。虽然金属、陶瓷等材料亦可实现3D打印，然而在都数状况下，强度和精度上还远远达不到需求。可选择材料的范围是制约3D打印技术发展的一个重要原因。另一一个材料上的制约原因是，日前的3D打印机大多只能打印单一材料。针对制造由多种成份构成的复合材料，3D打印的能力还显著不足。从更长远的方向看，3D打印技术的核心是具备多元材料同期打印的能力。

生产效率：3D打印采用逐层制造的方式，在生产中效率低下。针对一样尺寸的制品，传统的注塑机仅需几秒钟，而3D打印常常需要耗费数小时乃至几天。3D打印的优良是不需要模具，因而在极小批量生产上，能够显著缩短制造时间。然而，针对大批量制造，日前的3D打印还不具备竞争力。

制导致本：日前大都数工业制品都有现成的加工流程和产业链，各部分成本均已得到优化，而3D打印的产业链尚不完整。虽然3D打印的耗材用量虽然少，但用于3D打印的原材料需要较高的制造工艺，因此呢其材料成本反而增多。另一，较低的成品率以及打印件后处理，一样会将生产成本加强。

▲3D打印件的后处理，去除支撑结构与清理粉末

综上所述，3D打印技术是革命性的，但不是颠覆性的。3D打印在短期内不可能取代已有的生产组织结构，但能够极重加强现行工业体系的效率。

将来展望

1. 生物打印

3D打印拥有高度定制化的特点，这使其在将来的医疗行业持有巨大的发展潜能。3D生物打印的最后目的是整合医学、工程学、生物学的关联技术，来“打印”出一个跟人的组织或器官完全相同的替代品，用于组织修复和器官移植。

▲康奈尔大学科研团队3D打印的心脏瓣膜

日前，以少许特定种类的活细胞为原材料的3D打印技术已然能够实现。然而，并不是所有种类细胞都能够在体外分离进行培养，亦不是所有细胞都能够经历了3D生物打印的环境之后还能够保持自己的生物活性。另一，绝大都数器官都不是由于单一细胞构成的，怎样精确掌控生物材料、细胞、生长因子在整体3D结构中的位置和互相功效，使之与打印出的器官拥有相近的生理活性，都是短期内难以处理的问题。

2. 太空制造

因为地球与太空之间存在巨大的运输成本，若宇航员能够在轨制造所需的制品，则可大幅加强空间站实验的灵活性，减少空间站备品备件的种类、数量和运营成本，降低空间站对地面补给的依赖性。而 3D 打印技术是太空生产的关键性技术，亦可能是太空产业化之路的关键所在。

2014年，第1台太空3D打印机在国际空间站上安装成功。2016年，中科院重庆绿色智能技术科研院与中科院空间应用中心历经两年多的奋斗，成功研制出国内首台空间在轨3D打印机，并完成抛物线失重飞行实验。

▲由Made In Space机构开发的3D打印机在国际空间站中完成为了首次打印任务

将来进行太空研发，倘若能够就地取材，运用3D打印技术利用小行星材料进行基地建设，将极重地加强人类对宇宙的探索能力。