3D打印技術在多個領域取得進展

Chris Palmer

Senior Technology Writer

3D打印概念成為主流已近40年，倡導者稱贊這項技術是“制造業(yè)的未來”（future of manufacturing）。現(xiàn)在，3D打印的打印速度和規(guī)模得到極大提高，生物醫(yī)學應用范圍也逐步擴大。近年來，這些進步均證明了3D打印技術正越來越靠近人們對它的預設。

當今最常見的3D打印種類，即增材制造，使用光線將液態(tài)塑料樹脂逐層固化為固體。這個過程通常比較慢，制造手持設備常常需要大半個下午。此外，各層之間的接口往往比較脆弱，成品結(jié)構(gòu)易碎。因此，3D打印并沒有取代傳統(tǒng)的制造過程，而是和一些非常特殊的用途聯(lián)系起來。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打印主要局限于原型設計，因為它速度慢、產(chǎn)量低、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定?！?/p>

大約5年前，美國北卡羅來納大學的工程師發(fā)明了一種新型的3D打印技術，即“連續(xù)液體界面生產(chǎn)”（CLIP），與同類技術相比，這種技術的生產(chǎn)速度提高了100倍[1]。這項技術獲得極大的進步。位于美國加利福尼亞州雷德伍德市的一家名為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樹脂，從而形成一種能防止固化的薄的“死區(qū)”（dead zone）。在該區(qū)域上方，光線將樹脂固化成固體。機械臂緩慢地將不斷增長的固體從樹脂中拉出，使其他材料得以固化和黏附，這種技術無需一系列層合界面，因此產(chǎn)品更加堅固。

盡管CLIP的速度提高備受關注——Carbon公司已與福特汽車公司、阿迪達斯體育用品公司和里德爾體育公司達成協(xié)議，分別為它們生產(chǎn)汽車零件、運動鞋底和橄欖球頭盔[2]——但其固化過程會釋放出大量熱量，這可能導致打印的零件翹曲和破裂。為了散熱，打印的成品尺寸實際上被限制為25 cm×25 cm×41 cm。

Mirkin說：“Carbon公司證實了3D打印可被用于制造業(yè)，而且他們在許多行業(yè)做得都非常好，但是他們還沒有找到快速打印大型物體的方法?！?/p>

在2019年年末，Mirkin的團隊宣稱其開發(fā)了一項名為“高面積快速打印”（HARP）的新技術，該技術使液體冷卻劑在一桶液態(tài)樹脂下面循環(huán)[3]。冷卻劑是一種氟化油，在打印時會直接從正在打印的物體上吸走熱量，從而使它們在短短幾個小時內(nèi)就可以達到成年人的尺寸（圖1）。Mirkin將使用多臺投影儀發(fā)出的光進行打印的方法稱為“平鋪”（tiling）工藝，其打印尺寸可以達到約1 m×1 m×4 m。將來，其他投影儀可使HARP能夠制造更大的物品?！皬睦碚撋现v，平鋪工藝消除了尺寸限制”， Mirkin說。

為了使HARP商業(yè)化，Mirkin和同事成立了Azul 3 D公司（位于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(yè)模式?！皫缀跛械?D打印公司都必須從他們的硬件上獲得可觀的收入，因為他們根本沒有使用足夠的樹脂來使此項技術具有良好的商業(yè)模式?！彼硎?，“借助HARP，該公司不需要僅依靠銷售硬件來獲得收入，因為他們還可以通過銷售生產(chǎn)大量零件所需的樹脂來賺錢。這樣，由于初始硬件成本幾乎變得無關緊要，所以HARP降低了進入門檻?！?/p>

圖1. 一種名為HARP的新型3D打印技術，該技術使一層液態(tài)冷卻劑在一大桶液態(tài)樹脂下面循環(huán)，從而消除物體打印時隨著體積不斷擴大而產(chǎn)生的熱量，使它們在短短幾個小時內(nèi)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，可以打印一個大型的連續(xù)結(jié)構(gòu)或許多不同的小型結(jié)構(gòu)。來源：美國伊利諾伊州埃文斯頓西北大學（新聞稿）。

在另一個快速發(fā)展的領域，3D打印技術正顯示出其在處理微小物體方面的潛在價值。將傳統(tǒng)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(zhì)中的活細胞，這項技術將成為生物醫(yī)學應用的一個有趣工具，未來有可能被用于制造替代組織。3D生物打印已被用于制造簡單的組織，如皮膚、軟骨和部分心肌。隨著技術的進步，3D生物打印可能會被用于制造更復雜的器官，如視網(wǎng)膜、腎臟和肺[3]。主要的挑戰(zhàn)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。

“我不知道我們能否達成這個目標——有各種不同的細胞類型和維持它們存活所需的血管系統(tǒng)，器官實在是太復雜了?！泵绹髂崽K達州明尼蘇達大學機械工程學教授Michael McAlpine說，“我們一直以來的錯誤在于試圖完全復制生物學。也許通過聚合物和電子技術，你可以制造出一個能像肝臟一樣工作的設備，但實際上該設備比大自然創(chuàng)造出來的要好得多?！?/p>

然而，3D生物打印已得到了更直接的應用，其中包括藥物發(fā)現(xiàn)和消費品測試[4]。在McAlpine的許多項目中，有一個可用于脊髓再生的3D打印設備[5]和嵌入有可監(jiān)測患者生理和生化標志物的傳感器的電子紋身 [6]。

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(chuàng)新者正在使用超大規(guī)模的3D打印來建造房屋（圖2）。位于得克薩斯州奧斯汀市的建筑技術公司Icon開發(fā)了一臺名為Vulcan II的3D打印機，該打印機可以在大約24 h內(nèi)打印37 m2的兩居室房屋的墻壁。Vulcan II是專門為偏遠農(nóng)村的房屋建造而設計的，由于有限的資源、無法預測的天氣以及不穩(wěn)定的電源，使用傳統(tǒng)的建筑方式幾乎是不可能完成房屋建造的。這臺高3.5 m、重1725 kg的機器連續(xù)堆積了一層高2.5 cm、寬5 cm的被稱為“l(fā)avacrete”的可延展型混凝土基線材料，并將其硬化成墻（圖3）[7]。

Icon公司目前正在51 acre（注：1 acre = 4046.873 m2）土地上為美國奧斯汀東北部地區(qū)的無家可歸者打印數(shù)十套房屋，并為墨西哥塔巴斯科小鎮(zhèn)約50個家庭提供房屋[7]。雖然Vulcan II減少了建造房屋的工作量，但建造過程并非一步到位，工人仍然需要打下地基并安裝屋頂。3D打印房屋除了能節(jié)省時間外，與其他低成本住房相比，它還能夠打印平滑曲線和傾斜墻壁以實現(xiàn)其更自由的設計。

圖2. Icon公司（位于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2.5 cm×5 cm的名為“l(fā)avacrete”的混凝土基線材料，建造了如圖所示的37 m2房屋的墻壁，花費了約24 h。來源：Icon公司（新聞稿）。

圖3. Icon公司的Vulcan II 3D打印機位于三個結(jié)構(gòu)的最末端，該打印機在美國得克薩斯州奧斯汀市的一個地基上創(chuàng)建了三座37 m2房屋的墻壁，這些房屋的平面圖各不相同。來源：Icon公司，已獲許可。

在另一項大規(guī)模應用中，總部位于美國加利福尼亞州洛杉磯市的Relativity Space公司開發(fā)了一種名為“Stargate”的3D打印機（圖4），用于建造幾乎不以地面為基礎的物體，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生產(chǎn)線，即Terran-1，但不包括電子設備、電纜和少量活動部件[8]。相比之下，SpaceX、Blue Origin和其他公司也使用3D打印技術，但僅用于生產(chǎn)部分零件[8]。Relativity Space公司與許多衛(wèi)星運營商簽訂了發(fā)射有效載荷的合同，并同意他們使用美國國家航空航天局位于密西西比州漢考克縣的John C.斯坦尼斯航天中心的兩個測試設施。該公司還獲得了從美國佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地的“Launch Complex-16”發(fā)射“Terran1”火箭的權利，其中第一枚火箭有望在2021年發(fā)射[9]。

盡管火箭通常由數(shù)千個單獨的零件組成，但Relativity Space公司設計的零件卻合并了一些部件，這些部件通常是被分開制造然后組裝的。所以，他們的火箭零件數(shù)量將是同類火箭的零件數(shù)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。此外，盡管大多數(shù)制造商必須重新配置其設備以制造額外的硬件，但Relativity Space公司只需要在打印機軟件中運行一個新程序即可創(chuàng)建下一個零件。而且與傳統(tǒng)的火箭制造相比，該公司的3D打印機進行設計更改也更容易且成本更低[10]。

圖4. Relativity Space公司（總部位于美國加利福尼亞州洛杉磯市）的Stargate 3D打印機使用定向能量沉積制造巨大的金屬物體，如火箭的燃料箱和發(fā)動機。打印機高9 m，且具有3個龐大的機械臂。一只機械臂使用強大的激光來熔化金屬絲，金屬絲會逐層沉積以形成火箭的零件。另外兩只機械臂用于固定工具以完成打印的部件。來源：Relativity Space公司，維基共享資源（CC BY-SA4.0）。

“一般，航天工業(yè)要規(guī)避風險，相較于創(chuàng)新，更希望有更多的信心實現(xiàn)成功發(fā)射?！卑踩澜缁饡綘I部門項目主任Ian Christensen說，該基金會總部位于美國科羅拉多州布魯姆菲爾德市，其致力于促進和平可持續(xù)的外層空間的利用。“像3D打印火箭這樣完全新穎的東西，市場將如何反應，這是一個懸而未決的問題?！?/p>

僅僅因為現(xiàn)實中3D打印已經(jīng)開始滿足人們對它的期望，但人們?nèi)杂懈嘈坌牟哪繕?。Relativity Space公司不僅不滿足于通過制造火箭將衛(wèi)星送入軌道，還著眼于將打印機運送到火星，以便在火星上打印火箭，從而將土壤樣本送回地球[10]。“這種采樣返回的概念在理論上是有趣的，但幾乎可以肯定，它需要與政府的太空探索和行星科學項目相結(jié)合，而這些項目進展緩慢?！盋hristensen說，“像在技術方面的挑戰(zhàn)一樣，這一概念在政策及體制方面也面臨著挑戰(zhàn)?！?/p>