3D打?。阂粓?chǎng)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(shí)顯示，3D打印機(jī)已再也不是設(shè)計(jì)師和專家的專屬設(shè)備，它正逐步從實(shí)驗(yàn)室和工廠走出來，對(duì)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(shè)計(jì)文件為基本，運(yùn)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(gòu)導(dǎo)致三維物體的成型技術(shù)。

3D打印與傳統(tǒng)制造業(yè)的重點(diǎn)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(shí)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(duì)傳統(tǒng)制造，物體形狀越繁雜，制導(dǎo)致本越高；而對(duì)3D打印而言，制造形狀繁雜的物品成本不增多，制造一個(gè)華麗的形狀繁雜的物品并不比打印一個(gè)簡(jiǎn)單的方塊消耗更加多的時(shí)間或成本。因而，3D打印能夠實(shí)現(xiàn)有些傳統(tǒng)制造沒法達(dá)成的設(shè)計(jì)，制作出更繁雜的結(jié)構(gòu)。3D打印技術(shù)能夠幫忙人們加強(qiáng)對(duì)個(gè)性化制品的生產(chǎn)能力，同期為工程師和設(shè)計(jì)師供給了一條嶄新的設(shè)計(jì)制造途徑。

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

日前，3D打印技術(shù)正在與信息、材料、生物、掌控等技術(shù)融合滲透，這將對(duì)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(shù)的發(fā)展

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

現(xiàn)代道理上的3D打印技術(shù)誕生于上世紀(jì)80年代。雖然初期已有關(guān)聯(lián)專利發(fā)布，但并未實(shí)現(xiàn)商場(chǎng)化。1986年，Charles Hull開發(fā)的3D打印技術(shù)得到專利，命名為立體光刻技術(shù)，隨即成立了3D Systems機(jī)構(gòu)，研發(fā)出第1臺(tái)商用3D打印機(jī)。

以3D Systems和DTM機(jī)構(gòu)為表率的一批美國(guó)中小科技機(jī)構(gòu)在20世紀(jì)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(jié)（SLS）和熔融沉積成型（FDM）等主流技術(shù)路線。

▲得克薩斯大學(xué)的Carl Deckard和Joe Beaman發(fā)明第1臺(tái)選取性激光燒結(jié)打印機(jī)的關(guān)聯(lián)報(bào)告

經(jīng)過20數(shù)年的沉淀和持續(xù)完善，各樣3D打印技術(shù)日臻成熟，3D打印機(jī)的價(jià)格逐步下降，其應(yīng)用范圍亦逐步擴(kuò)大。

3D打印技術(shù)原理

3D打印機(jī)的工作原理重點(diǎn)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(jī)所用原材料可以是遇到打印臺(tái)就會(huì)變硬的軟塑料、原始的餅干面團(tuán)或是特殊醫(yī)療凝膠里的活細(xì)胞。在打印頭正式工作前，3D打印過程其實(shí)已然起始了。3D打印的第1步是定位軟件設(shè)計(jì)文件。用戶需要事先將設(shè)計(jì)文件保留為能被3D打印機(jī)的內(nèi)置軟件讀取并運(yùn)用的特殊格式，該文件能夠通知3D打印機(jī)的內(nèi)置軟件需要打印什么。打印機(jī)固件讀取設(shè)計(jì)文件的同期，它將計(jì)算出打印頭的機(jī)械路徑和動(dòng)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(xué)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(dòng)。沉積第1層時(shí)，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(huì)略微抬起，而后回落并起始第二層打印。3D打印機(jī)連續(xù)重復(fù)該過程，直至打印出設(shè)計(jì)文件所描繪物體的每一個(gè)橫截面，這一過程可能連續(xù)幾小時(shí)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(chǎng)打印機(jī)大多運(yùn)用選取性黏合打印工藝，該辦法中的立體光刻和激光燒結(jié)應(yīng)用較為廣泛。

立體光刻是最早商用的3D打印辦法之一。一個(gè)裝有液體光敏聚合物的小桶安置于打印機(jī)內(nèi)部，這種聚合物暴露于UV激光下會(huì)硬化。打印機(jī)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(jìn)行。每次激光掃描后，可移動(dòng)的臺(tái)面會(huì)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(jī)以相反的方式工作，激光向上瞄準(zhǔn)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(jìn)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(shí)還要按照需要將物體進(jìn)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(diǎn)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(yùn)用的熱塑性塑料那樣結(jié)實(shí)耐用。

選取性激光燒結(jié)采用的技術(shù)與立體光刻類似，但運(yùn)用的不是液態(tài)光敏聚合物，而是粉末。這種打印機(jī)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(jī)內(nèi)部的滾筒在粉床頂部刷上一層新的粉末并將打印臺(tái)降低。因?yàn)?/span>大部分原材料都可制成粉末形式，因此呢其應(yīng)用范圍更廣。該工藝的缺點(diǎn)是制造的物身體部常常存在孔隙、表面不足光滑。因?yàn)?/span>某些粉末處理欠妥會(huì)誘發(fā)爆炸，因此選取性激光燒結(jié)打印機(jī)必須運(yùn)用氮?dú)馓畛涿芊馇弧?/span>

日前面臨的限制

3D打印技術(shù)的特點(diǎn)使其在制造繁雜結(jié)構(gòu)方面擁有巨大優(yōu)良，但相針對(duì)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(yīng)用。

材料限制：能夠用來3D打印的材料有限，日前運(yùn)用最廣泛的是熱塑性塑料。雖然金屬、陶瓷等材料亦可實(shí)現(xiàn)3D打印，然而在都數(shù)狀況下，強(qiáng)度和精度上還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到需求?？?span style="color: green;">選擇材料的范圍是制約3D打印技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要原因。另一一個(gè)材料上的制約原因是，日前的3D打印機(jī)大多只能打印單一材料。針對(duì)制造由多種成份構(gòu)成的復(fù)合材料，3D打印的能力還顯著不足。從更長(zhǎng)遠(yuǎn)的方向看，3D打印技術(shù)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(duì)一樣尺寸的制品，傳統(tǒng)的注塑機(jī)僅需幾秒鐘，而3D打印常常需要耗費(fèi)數(shù)小時(shí)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(shí)間。然而，針對(duì)大批量制造，日前的3D打印還不具備競(jìng)爭(zhēng)力。

制導(dǎo)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(huì)將生產(chǎn)成本加強(qiáng)。

▲3D打印件的后處理，去除支撐結(jié)構(gòu)與清理粉末

綜上所述，3D打印技術(shù)是革命性的，但不是顛覆性的。3D打印在短期內(nèi)不可能取代已有的生產(chǎn)組織結(jié)構(gòu)，但能夠極重加強(qiáng)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(diǎn)，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(xué)、工程學(xué)、生物學(xué)的關(guān)聯(lián)技術(shù)，來“打印”出一個(gè)跟人的組織或器官完全相同的替代品，用于組織修復(fù)和器官移植。

▲康奈爾大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)3D打印的心臟瓣膜

日前，以少許特定種類的活細(xì)胞為原材料的3D打印技術(shù)已然能夠?qū)崿F(xiàn)。然而，并不是所有種類細(xì)胞都能夠在體外分離進(jìn)行培養(yǎng)，亦不是所有細(xì)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(xì)胞構(gòu)成的，怎樣精確掌控生物材料、細(xì)胞、生長(zhǎng)因子在整體3D結(jié)構(gòu)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(nèi)難以處理的問題。

2. 太空制造

因?yàn)?/span>地球與太空之間存在巨大的運(yùn)輸成本，若宇航員能夠在軌制造所需的制品，則可大幅加強(qiáng)空間站實(shí)驗(yàn)的靈活性，減少空間站備品備件的種類、數(shù)量和運(yùn)營(yíng)成本，降低空間站對(duì)地面補(bǔ)給的依賴性。而 3D 打印技術(shù)是太空生產(chǎn)的關(guān)鍵性技術(shù)，亦可能是太空產(chǎn)業(yè)化之路的關(guān)鍵所在。

2014年，第1臺(tái)太空3D打印機(jī)在國(guó)際空間站上安裝成功。2016年，中科院重慶綠色智能技術(shù)科研院與中科院空間應(yīng)用中心歷經(jīng)兩年多的奮斗，成功研制出國(guó)內(nèi)首臺(tái)空間在軌3D打印機(jī)，并完成拋物線失重飛行實(shí)驗(yàn)。

▲由Made In Space機(jī)構(gòu)開發(fā)的3D打印機(jī)在國(guó)際空間站中完成為了首次打印任務(wù)

將來進(jìn)行太空研發(fā)，倘若能夠就地取材，運(yùn)用3D打印技術(shù)利用小行星材料進(jìn)行基地建設(shè)，將極重地加強(qiáng)人類對(duì)宇宙的探索能力。