科研進(jìn)展正在改變著這項(xiàng)曾經(jīng)的利基技術(shù)的面貌。

一個(gè)金屬平臺(tái)從一片液態(tài)樹(shù)脂中升起來(lái)，隨之出現(xiàn)了一個(gè)精致的白色模型——就像一個(gè)光滑的物體從一片瀉湖中逐漸現(xiàn)身。

這是世界上最快的樹(shù)脂3D打印服務(wù)，它可以在幾小時(shí)內(nèi)打印出與人體尺寸相當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)。這臺(tái)高速樹(shù)脂3D立體打印機(jī)由美國(guó)西北大學(xué)的化學(xué)家Chad Mirkin及其同事研發(fā)，并在去年十月報(bào)到了這一研究成果[1]，這是3D打印領(lǐng)域的重大突破，拓寬了這一原本只能制造小型低精度原型零件的技術(shù)的應(yīng)用范圍。3D打印技術(shù)不僅變得更快、打印尺寸更大，同時(shí)科學(xué)家們還提出一系列創(chuàng)造性的技術(shù)改進(jìn)手段，研發(fā)出強(qiáng)度更高的材料，甚至在單一產(chǎn)品上混合了多種材料進(jìn)行打印。

Chad MirKin位于美國(guó)西北大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室中有一臺(tái)樹(shù)脂打印機(jī)，它可以在幾小時(shí)內(nèi)制造出與人體尺寸相當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)。圖片來(lái)源：西北大學(xué)。

運(yùn)動(dòng)服裝廠(chǎng)、航空航天制造商和醫(yī)療器械公司都十分渴望有效利用3D打印的優(yōu)勢(shì)。哈佛大學(xué)的材料科學(xué)家Jennifer Lewis說(shuō)：“雖然短期內(nèi)我們還不能在家里快速打印出修理汽車(chē)所需的零件，但這一技術(shù)已被主流制造公司采用。”

這項(xiàng)最新技術(shù)也有望給研究人員帶來(lái)經(jīng)濟(jì)收益，像 Lewis 和 Mirkin一樣，他們中的很多人已經(jīng)開(kāi)始對(duì)自己的成果進(jìn)行商業(yè)化的嘗試。英國(guó)謝菲爾德大學(xué)的冶金學(xué)家Iain Todd表示：“3D打印技術(shù)的進(jìn)步可以讓我們通過(guò)超乎想象的方式來(lái)利用這些材料，這讓材料科學(xué)家們十分興奮，也將讓人們逐漸習(xí)慣于3D打印的全新事物。”

從零件到產(chǎn)品

三維打印也被稱(chēng)為增材制造，與從整塊的原料切削和磨削制造或從利用熔融金屬和模具進(jìn)行鑄造的傳統(tǒng)工藝流程不同，3D打印是一種自底向上的制造過(guò)程。它具有較低的材料消耗和高度的定制化能力，能夠制造像網(wǎng)格這樣傳統(tǒng)方法難以制造的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

業(yè)余愛(ài)好者使用的低成本機(jī)器通過(guò)將塑料成份的原料線(xiàn)源源不斷送入加熱后的噴嘴中，隨后噴嘴將融化后的塑料不斷擠出，一層接一層地向上構(gòu)建設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，這也被稱(chēng)為熔融沉積成型工藝（fused deposition modelling，F(xiàn)DM）。但3D打印所涵蓋的技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止于此，最早的方法之一就是利用紫外激光對(duì)光敏樹(shù)脂進(jìn)行逐層掃面固化，這一概念可以追溯到1984年Chars Hu[2]的專(zhuān)利，他同時(shí)也是美國(guó)南卡羅來(lái)納州3D Systems公司的創(chuàng)始人。

最新的3D打印技術(shù)，包括Mirkin的技術(shù)在內(nèi)，仍然在使用光敏樹(shù)脂，但隨著北卡羅來(lái)納大學(xué)教堂山分校的化學(xué)家、材料科學(xué)家Joseph DeSimone領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在2015年報(bào)告出改進(jìn)方法后[3]，3D打印的速度和尺寸都有了大幅提升。早期的3D打印機(jī)速度較慢，打印的尺寸較小，并且容易產(chǎn)生分層、有瑕疵的脆弱結(jié)構(gòu)。這種打印技術(shù)只能有限地應(yīng)用于快速原型設(shè)計(jì)，為基于傳統(tǒng)方法的正式生產(chǎn)制造塑料模型。作為研究領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，這種打印技術(shù)還無(wú)法令研究人員滿(mǎn)意，澳大利亞墨爾本莫納什大學(xué)的高分子科學(xué)家Timothy Scott表示：“用這種方法只能制造一些小零件和小玩意兒，那對(duì)于一個(gè)高分子化學(xué)家來(lái)說(shuō)十分無(wú)趣。”