3D打印技術(shù)的最新應(yīng)用

海川

3D打印技術(shù)是基于離散—堆積的成形原理，以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用線材、光敏樹脂、陶瓷、粉末狀金屬、生物活性等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)，也稱為“增材制造”。

近幾年，全球3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭十分迅猛。2009年以來，其年增長率達到20%以上；2017年，全球3D打印市場已超過70億美元；預(yù)計2025年，將達到500億美元。中國從2012年起大力發(fā)展3D打印產(chǎn)業(yè)，2017年市場規(guī)模已達12.6億美元，年復(fù)合增長率達到70%，預(yù)計2025年有望突破150億美元。

目前與3D打印相關(guān)的中國企業(yè)有500多家，分布于3D打印設(shè)備、材料、制造應(yīng)用、服務(wù)平臺、關(guān)鍵核心零部件等整個產(chǎn)業(yè)鏈。3D打印產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展將主要影響航空航天、國防軍工、生物醫(yī)療、工業(yè)制造、工程建筑、日用消費品、文化創(chuàng)意等領(lǐng)域，對中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級和經(jīng)濟邁向高質(zhì)量發(fā)展階段具有重大而深遠的作用。

從全球競爭格局的變化來看，3D打印正處于從野蠻生長走向成熟發(fā)展的階段。隨著材料、效率這兩大瓶頸的逐漸突破，3D打印將不再是未來制造業(yè)、服務(wù)業(yè)和消費領(lǐng)域的配角，甚至可能像智能手機一樣，成為不可或缺的標配。

業(yè)內(nèi)專家表示，中國3D打印市場規(guī)模廣、應(yīng)用潛力大，有望成為3D打印大國甚至是強國。未來的智能制造模式將是：人工智能+物聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)+3D打印。

航天軍工領(lǐng)域

3D打印產(chǎn)品首次在嫦娥四號中繼星實現(xiàn)在軌應(yīng)用。2018年7月，我國探月工程中承擔著對地對月測控、數(shù)傳中繼的重要衛(wèi)星——嫦娥四號中繼星成功抵達地月L2點的Halo使命軌道。據(jù)悉，該衛(wèi)星上搭載的產(chǎn)品中包含中國航天科技集團有限公司五院529廠采用3D打印技術(shù)研制的多個復(fù)雜形狀鋁合金結(jié)構(gòu)件，標志著其實現(xiàn)了首次在軌應(yīng)用，開啟了該廠3D打印技術(shù)在型號工程化應(yīng)用的新紀元。

作為先進制造技術(shù)的重要發(fā)展方向之一，3D打印技術(shù)一直備受航天科技關(guān)注。4年間，529廠先后完成了鋁合金、鈦合金等材料激光選區(qū)熔化成型的工藝鑒定，突破了多項關(guān)鍵技術(shù)，獲得了激光選區(qū)熔化成型技術(shù)的上星許可。本次星上搭載的3D打印產(chǎn)品全部采用拓撲優(yōu)化構(gòu)型，通過與輕量化設(shè)計技術(shù)的結(jié)合，零件重量大幅降低，承載比有效提升，3D打印的技術(shù)優(yōu)勢得到了充分發(fā)揮。

目前，529廠的3D打印技術(shù)已在載人航天、深空探測、遙感、通信等多個領(lǐng)域的正樣、初樣產(chǎn)品研制中得到廣泛應(yīng)用。529廠還通過與地方政府部門合作，先后建立了重慶永川和山西武鄉(xiāng)宇航智造技術(shù)研究院，著力打造基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的3D打印智能制造平臺。

美國科學家3D打印硅化鈾核燃料。據(jù)鳳凰網(wǎng)報道，來自美國愛達荷國家實驗室（INL）的科學家將3D打印和傳統(tǒng)工藝二者結(jié)合，并且已經(jīng)成功地制造出了硅化鈾（U3Si2）核燃料。

當前大多數(shù)核電廠使用的核燃料是UO2（二氧化鈾）。但與之相比，U3Si2的密度更大，導熱性更好，能提高核反應(yīng)堆的安全性和效率。所以，INL的主要研究方向都放在U3Si2上面。

INL的這項研究名為AMAFT，是由Isabella Van Rooyen博士、Clemente Parga博士，以及電廠建設(shè)公司Ed Lahoda of Westinghouse聯(lián)合發(fā)起的，采用研磨（傳統(tǒng)的鈾礦石處理方法）和“激光塑形”3D打印這兩種工藝。而在實驗中，INL已經(jīng)用這種方法制造出了質(zhì)密的U3Si2小球，具體步驟是首先通過激光創(chuàng)建一個熔融池，然后混合U3Si2和其它原材料粉末。

和傳統(tǒng)方法相比，這種新方法大大減少了將生鈾轉(zhuǎn)化為可用材料的速度，所以速度更快，成本也更低。另外，它還有一個優(yōu)點，就是通用性強，即能處理任意的鈾原料。也就是說它可以被用于很多方面，使用起來有很強的靈活性，允許他們使用多種原材料。

該項目已經(jīng)得到了美國能源部（DOE）的支持，AMAFT已經(jīng)順利地邁上了商業(yè)化的道路。相信要不了多久，它將被正式投入到實際使用當中。

汽車制造領(lǐng)域

全球首個3D打印電動汽車。2010年11月，世界第一輛由3D打印機打印而成的汽車Urbee問世。最近，意大利電動車制造商XEV公司宣布將與中國3D打印機材料企業(yè)Polymake公司合作生產(chǎn)3D打印電動車LSEV，這將是世界上第一款量產(chǎn)的3D打印電動汽車，這輛車的制造周期大約為3天，車子最高時速達到43英里/小時，單次充電可累計行駛93英里，一輛完整車子的重量僅有450公斤。

日本本田最近也制造了一款單座式電動車，其車身幾乎是由3D打印鑲板構(gòu)成的，現(xiàn)在主要用于送餅干，但本田表示，該車型適合量產(chǎn)。

雖然現(xiàn)在還沒有3D打印電動汽車的具體配置數(shù)據(jù)，尤其是安全性的數(shù)據(jù)，但對于這種先進技術(shù)甚至有可能顛覆制造業(yè)的技術(shù)，我們應(yīng)該抱有一顆開放的心來接納它。從目前知道的幾款3D打印電動車來看，他們都集中在小型化、低速化領(lǐng)域，相信在未來1—2年內(nèi)肯定會有3D打印電動汽車的相關(guān)數(shù)據(jù)，比如車輛的安全性、操作性、舒適性等。

3D打印電動汽車現(xiàn)在還處在起步階段，對于后續(xù)車輛的安全試驗、乘坐體驗都會有所規(guī)定和報道，讓消費者信任的車輛才會有市場，所以從長遠來看3D打印電動汽車會越來越規(guī)范。

寶馬批量應(yīng)用金屬3D打印車頂支架。2018年8月14日，德國汽車公司寶馬集團（BMW Group）因其3D打印金屬敞篷車頂支架，獲得2018年Altair Enlighten獎。

該獎項在密歇根州的汽車管理簡報研討會上頒發(fā)，旨在表彰輕量級技術(shù)的巨大進步。據(jù)稱該3D打印金屬敞篷車頂支架是生產(chǎn)系列車輛中使用的第一個3D打印金屬部件，使用在BMWi8敞篷車中。一方面拓撲優(yōu)化后支架減重44%；另一方面設(shè)計的結(jié)構(gòu)在打印過程中無需支撐，而且目前已經(jīng)批量生產(chǎn)，可以一次打印超過600個支架。

在實施3D打印技術(shù)之前，寶馬集團金屬增材制造主管Maximilian Meixlsperger花了十年時間開發(fā)車頂支架設(shè)計。采用選擇性激光熔化（SLM）技術(shù)（3D打印技術(shù)的一種）后，金屬車頂支架在三個月內(nèi)為BMWi8Roadster生產(chǎn)。

此外，法國高性能汽車制造商布加迪（Bugatti）也不甘示弱，為其最新的超級跑車布加迪威龍（BugattiChiron）打造了3D金屬制動鉗。這種鈦組件使用SLM500機器進行3D打印，工作持續(xù)45小時。

房屋建筑領(lǐng)域

3D打印60平米住房，用時僅1天。在建筑領(lǐng)域，3D打印的低成本建造方式將有助于降低房屋造價。據(jù)《財富》報道，今年3月份，一家名為ICON的美國德克薩斯州創(chuàng)業(yè)公司在SXSW大會上公布了利用3D打印技術(shù)建造一幢650平方英尺（60.4平方米）房屋的計劃。

The Verge刊文稱，ICON的3D打印房屋材質(zhì)為水泥，利用大型3D機器人“打印”，只需1天即可完成。最重要的是，這幢房屋的造價僅為1萬美元（約合6.3萬元人民幣），合每平米約1000元。ICON希望最終能把造價降低至4000美元。

ICON致力于為全球約12億沒有適當住房的人群提供物美價廉的房屋。它將首先在位于中美洲地區(qū)的薩爾瓦多建設(shè)這種房屋，計劃在2019年建造100幢。ICON希望未來將其3D打印房屋技術(shù)普及到更多國家。

但是，為了3D打印房屋，ICON需要繪制相關(guān)圖紙，然后將圖紙輸入計算機，由計算機“指揮”其巨無霸打印機建造房屋。據(jù)The Verge稱，ICON的3D打印機能建造面積至多為800平方英尺（74.3平方米）的房屋，首個戶型有一間客廳、一間臥室和一個盥洗室。房屋還帶有走廊。

許多業(yè)界專家稱，3D打印技術(shù)正在引發(fā)產(chǎn)品生產(chǎn)方式的革命，未來將繼續(xù)推動產(chǎn)品生產(chǎn)方式的變化。3D打印機能使用諸多材料包括食材、水泥等來生產(chǎn)3D結(jié)構(gòu)。

生物醫(yī)療領(lǐng)域

全球首例3D打印人類眼角膜問世。2018年5月30日，英國紐卡斯爾大學研究人員在《實驗性眼研究》雜志上報告，他們混合健康人士所捐贈的眼角膜干細胞、藻酸鹽和膠原蛋白，制造出能用于3D打印的“生物墨水”，利用3D打印技術(shù)在不到10分鐘的時間里成功打印出人工眼角膜，且打印出的眼角膜里，其干細胞擁有繼續(xù)發(fā)育的功能。

根據(jù)世界衛(wèi)生組織相關(guān)數(shù)據(jù)，世界上有超過1000萬人的眼盲是由角膜病引起，為導致眼盲的第二大原因，僅次于白內(nèi)障，而其中80%可以通過角膜移植手術(shù)脫盲。我國角膜病致盲患者約400萬人。由于我國角膜供體資源匱乏，角膜移植總量少，每年僅有約5000名患者得到有效治療。

機構(gòu)預(yù)測，角膜修復(fù)材料剛需患者每年新增7萬人左右，存量患者約為200萬左右，角膜值片價格約為1.5萬元，剛需市場空間至少為10億元，再疊加部分存量患者人群的滲透，整體市場空間可達百億元。

3D打印定制鏡片配角膜。角膜“變形”患者未來可能戴上3D打印的定制眼鏡。北京同仁醫(yī)院視光中心副主任宋紅欣博士正嘗試利用3D打印技術(shù)制作“自由曲面”的定制鏡片。

普通鏡片表面是圓滑的凸起，“自由曲面”意味著突破這種規(guī)則光滑面，呈現(xiàn)出不規(guī)則的鏡面形狀，根據(jù)每個人的角膜形狀，做到精準折射光線、矯正視力。3D打印鏡片能精確吻合角膜形狀，起到“量身定制”的效果。

這一靈感源自美國NASA自適應(yīng)光學系統(tǒng)。星星會“眨眼”是常見的光學現(xiàn)象。由于大氣湍流不斷變化，星星發(fā)出的光芒在穿過大氣層時受到影響會時隱時現(xiàn)，影響天文觀測。為抹平“噪點”，NASA將自適應(yīng)光學系統(tǒng)用于天文望遠鏡——由可自由活動的多個小鏡片組成一塊大的變形鏡，變形鏡接收到系統(tǒng)發(fā)送的像差信號后會自行調(diào)整鏡面、矯正像差，讓星星不“眨眼”。

3D打印眼鏡，相當于一個縮小的“變形鏡”。其設(shè)計圖來源于每名患者各自的角膜形狀，打印機根據(jù)“地圖”，通過噴射液體的方式，一層層地將完全吻合個體角膜形狀的鏡片打印出來。目前，宋紅欣博士已初步實現(xiàn)自由曲面鏡片的高精度制造。

宋紅欣表示，傳統(tǒng)制鏡工藝未必不能做到這一點，但在個性化需求面前市場化變得不現(xiàn)實。每位患者角膜形狀不同，鏡片的曲面也不同，意味著每一片鏡片都要單獨模型、單獨流水線制作，產(chǎn)品將是天價。3D打印的優(yōu)勢，正在無需額外成本就能實現(xiàn)精細制作。但由于經(jīng)驗不足，材料上的難點仍待突破，他們現(xiàn)在使用的光敏材料在固化中會發(fā)生形變，影響折射效果。

3D打印神經(jīng)支架可以幫助治療脊髓損傷。明尼蘇達大學的研究人員花費兩年多時間開發(fā)出一種3D打印導向裝置，可以幫助長期脊髓損傷的患者恢復(fù)身體的部分功能。明尼蘇達大學的研究人員開發(fā)了這種帶有活細胞的3D打印設(shè)備原型，可以幫助脊髓病患者恢復(fù)某些功能。設(shè)備的尺寸可以定制印刷以適合每個患者的脊髓。患者自己的細胞將印在支架上，以避免身體排斥。

據(jù)了解，3D打印的導軌由硅膠制成，可作為專用單元的平臺，然后在其上面進行3D打印。該導向器將通過外科手術(shù)植入脊髓受損區(qū)域，在那里它將作為受傷區(qū)域上方和下方的活神經(jīng)細胞之間的一種“橋梁”。該裝置的目標是幫助患者減輕疼痛并恢復(fù)一些功能，如控制肌肉、腸和膀胱。

目前，美國約有285，000人患有脊髓損傷，而且每年約有17，000例新的脊髓損傷?！斑@是第一次有人能夠在3D打印的支架上直接3D打印成人細胞衍生的神經(jīng)干細胞，并讓細胞在實驗室中分化成活躍的神經(jīng)細胞。”明尼蘇達大學副教授邁克爾麥卡爾平（音譯）說。“這是開發(fā)治療脊髓損傷患者的一個非常令人興奮的第一步?！泵髂崽K達大學醫(yī)學院助理教授安·帕爾說?！澳壳?，對于長期脊髓損傷患者，沒有任何良好、精確的治療方法?！?/p>

該團隊的流程允許研究人員從成人的任何細胞開始，如皮膚細胞或血細胞，利用新的生物工程技術(shù)，將細胞重新編程為神經(jīng)元干細胞。然后，工程師使用獨特的3D打印技術(shù)將這些單元打印到硅膠導軌上，使用相同的3D打印機打印導板和單元。該支架使細胞保持活力并允許它們變成神經(jīng)元。該團隊開發(fā)了一個原型支架，通過手術(shù)植入脊髓受損部位，幫助連接受傷兩側(cè)的活細胞。

這種顏色增強的圖像顯示了在3D打印過程中幸存下來的活細胞。來自成人體細胞的神經(jīng)元干細胞在支架上進行3D打印，并且細胞在實驗室中分化成活性神經(jīng)細胞。“我們能夠使用最近幾年開發(fā)的最新細胞生物工程技術(shù)，并將其與尖端的3D打印技術(shù)相結(jié)合?！盡cAlpine還描述了“精細”細胞的3D打印非常困難?！袄щy的部分是保持細胞的活力。我們在印刷過程中測試了幾種不同的配方，事實上，我們能夠在3D打印過程中保持約75%的細胞存活，然后讓它們變成健康的神經(jīng)元，這是非常了不起的?！?/p>

3D打印助力深海生物研究。從20世紀20年代開始，對海洋生物的捕撈和研究通常依賴于針對魚類和甲殼類的“結(jié)實”的網(wǎng)。但是這樣的網(wǎng)難以對海洋生物進行精準的分類，極易導致水母等無脊椎動物脆弱的身體結(jié)構(gòu)被這些堅硬的網(wǎng)破壞。

海蜇、章魚、?？?、海參，這些精靈般可愛的無脊椎動物靠著柔軟的身體完美適應(yīng)了深海的巨大壓力，但也因此讓科學家們的研究困難重重。由于對水母等被囊類軟體生物的捕獲難度過大，這類生物的研究已經(jīng)被“忽視”了很久，甚至因此被稱為“被遺忘的動物群”。那么到底如何才能在捕獲這些軟體動物的同時不傷害到他們?nèi)彳浀慕M織呢？

近日，受到傳統(tǒng)折紙技術(shù)的啟發(fā)，哈佛大學威斯學院的工程師和海洋生物學家結(jié)合3D打印技術(shù)設(shè)計了一個12面體捕獲裝置RAD，可以像折紙一樣輕松地把無防備的海洋生物包裹。這款機器的設(shè)計中存在著很多技術(shù)難點，各類小而重要的連接口；深海巨大的壓強；12個精細面板的協(xié)調(diào)等。3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展為這些技術(shù)問題的解決提供了可能，3D打印出的裝置主體和面板完美地勝任了這項工作。目前這個裝置已經(jīng)成功通過了測試，捕獲了700米深的小魷魚、水母等。

格魯伯說，在3D打印技術(shù)的幫助下設(shè)計的這款裝置，可以讓這些“被遺忘的生物”重新進入科學家的視野，幫助我們更好地了解他們在海洋生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮的重要作用。要知道，在全球范圍內(nèi)，無脊椎動物構(gòu)成了超過380億公斤碳的生物量，大約占世界總生物量的7%，或超過人類總生物量的100倍。