伊利諾斯州西北大學 Chad Mirkin 實驗室的一臺樹脂印表機可以在數小時內列印出一個人那麼大的結構(圖像序列加速)。 圖片來源: 西北大學
當一個金屬平臺從裝滿液體樹脂的大桶中升起時，它從液體中拉出一個複雜的白色形狀，就像一個蠟質的生物從瀉湖中出現。 這臺機器是世界上最快的基於樹脂的3 d 印表機，它可以在幾個小時內列印出和人一樣大的塑料結構，埃文斯頓西北大學的化學家 Chad Mirkin 說。 米爾金和他的同事在去年10月1日報導了這臺機器，它是3D 列印技術的一系列研究進展之一，正在拓寬這項曾被視為主要用於製造小型低質量原型零件的技術的前景。 3 d 列印不僅變得更快，生產更大的產品，而且科學家們正在想出創新的方法來列印和創造更強大的材料，有時在同一產品中混合多種材料。
運動服裝公司、航空和航天製造商以及醫療設備公司都渴望從中獲利。 麻薩諸塞州劍橋市哈佛大學(Harvard University)材料科學家詹妮弗劉易斯(Jennifer Lewis)表示: 「你不會坐在家裡，很快就能列印出你想要修理的汽車，但大型製造企業確實在採用這種技術。」。
最新的技術對研究人員來說可能是有利可圖的，其中許多人——劉易斯和米爾金就是其中之一——已經在把他們的研究成果商業化。 謝菲爾德大學的冶金學家 Iain Todd 說: 從根本上來說，它們也是令人興奮的。 「我們可以從這些我們認為無法獲得的材料中獲得性能。 這對於一個材料科學家來說是非常令人興奮的。 這讓人們習慣了新的怪異。」
從飾品到產品
3 d 列印技術也被稱為三維列印列印技術，因為它不是從一個較大的石塊中切割或銑削出一個形狀，也不是在模具中澆鑄融化的材料，而是從下往上建造物體。 它的優點包括減少浪費和列印定製設計的能力，如複雜的格子結構，否則很難創建。 低成本的業餘機器通過從加熱的噴嘴中擠出細塑料絲來列印，一層一層地形成一種結構---- 這種方法被稱為熔融沉積成型。 但是3 d 列印這個術語包含了更廣泛的技術。 其中最古老的一種使用紫外線雷射掃描和固化(或「固化」)光敏樹脂，層層。 這個概念可以追溯到1984年，查爾斯 · 胡爾2在一份專利文件中描述過，他是南卡羅來納州巖石山一家名為3 d 系統的公司的創始人。
包括 Mirkin 在內的最新技術仍然使用光敏樹脂，但速度更快，規模更大。2015年，位於 Chapel Hill3的北卡羅來納大學教堂山分校的化學家和材料科學家 Joseph DeSimone 領導的團隊報告了這方面的改進。 早期的印表機速度慢，規模小，容易產生分層，不完善和薄弱的結構。 這些公司在快速成型找到了自己的生存空間，用傳統方法製作塑料模型零件作為後期生產的模型。 作為一個研究領域，這種印刷並不令人興奮，澳大利亞墨爾本蒙納士大學的聚合物科學家 Timothy Scott 說: 「基本上是製作小飾品和小玩意兒。 對於一個聚合物化學家來說，這實在是太無聊了。」
2015年，北卡羅來納大學教堂山分校的 Joseph DeSimone 公布了一項加速3 d 列印的技術。 圖片來源: Carbon 3D inc. 。
隨後，DeSimone 公布了一種列印光敏樹脂的方法，其列印速度比傳統印表機快100倍。 它使用了一個浸泡在樹脂缸中的舞臺。 數字投影機通過大缸地板上的一個透明窗戶將一個預先編程的圖像向上照射。 這種光一下子就能固化整個樹脂層。 德西蒙的進步是使窗戶透氧。 這樣可以阻止固化反應，並在窗戶表面上方形成一層薄薄的緩衝層，或者說是「死區」 ，這樣每次列印時，樹脂就不會粘附在大桶底部。 工作檯不斷上升，當底部增加新的層時，將完成的部分通過液體向上拉。
劉易斯說，當時其他實驗室也在研究類似的概念。 但也許最令人印象深刻的是，DeSimone 的樹脂可以在印刷後的熱處理中進行二次反應，以增強成品的強度。 「它開闢了一個更廣泛的材料陣列，」劉易斯說。
許多研究小組和公司已經在這項工作的基礎上進行了改進。 米爾金的印表機將一層透明的油泵過容器底部，以抑制聚合物的反應。 這也起到冷卻劑的作用，消除可能使印刷零件變形的熱量ーー這意味著這種設備不僅限於使用被氧氣抑制的樹脂印刷。 他說，這種印表機生產材料的速度是德西蒙的十倍。 去年一月，Scott 和他在安阿伯密西根大學的同事 Mark Burns 報導了一種印表機，這種印表機通過在樹脂中混入一種化學物質來抑制反應，這種化學物質可以被另一盞發出不同波長光的燈激活。 通過改變兩個光源強度的比例，研究人員可以控制光抑制區的厚度，從而創造出更複雜的圖案，比如印有印章或標誌的表面。
3 d 列印領域的發明往往具有快速的商業潛力: 一些研究人員在公布他們的進展之前就開始組建公司。 例如，在 DeSimone 的論文發表的同一天，他在加拿大溫哥華的一個 TED 演講上展示了這篇論文，並在雷德伍德城正式創辦了他的初創公司 Carbon 3D，儘管兩年前他已經悄悄註冊了這家公司。 該公司現在是3D 列印領域最大的創業公司之一; 它已經在公開披露的融資回合中籌集了6.8億美元，據報導估值為24億美元。 該公司與阿迪達斯籤訂了高調合同，為運動鞋生產橡膠中底，並與體育用品公司 Riddell 籤訂合同，為美式橄欖球運動員定製頭盔襯墊。
碳3D 技術用於印刷阿迪達斯的鞋子(左)和美式橄欖球頭盔的填充物(右)。 圖片來源: Carbon 3D inc. 。
米爾金和他的同事詹姆斯 · 赫德裡克和大衛 · 沃克也在埃文斯頓啟動了一個名為 Azul 3 d 的初創公司，將他們的技術商業化，他們稱之為 HARP (高區域快速印刷)。 斯科特和伯恩斯正在準備一個商業原型印表機與他們的安阿伯市的初創企業梁多卡爾，這個名字來自希臘語的「雙光束」。
新的樹脂印刷技術仍在出現。 一個開始與一個小紡紗玻璃保持液體樹脂。 當玻璃旋轉時，一臺投影儀將一個與所需物體的2D 切片相對應的視頻循環放映到玻璃上。 幾秒鐘之內，最終物體在液體樹脂內凝固，沒有必要的層數。 這種方法的靈感來自於 x 射線和計算機斷層掃描，計算機斷層掃描成像一個固體物體的橫截面。 這是相反的: 反向投影截面形成一個3D 對象。
一個放映機將一個視頻循環放到液體樹脂上，這樣一個完整的物體就可以一次性創建出來，而不是一層一層地創建。 圖片來源: 加州大學伯克利分校
即使在這個快速發展的領域，這項技術也讓劉易斯稱之為「驚人因素」的東西大為改觀。 它有明顯的局限性: 使用的樹脂必須是透明的，印刷物必須足夠小，以便光線穿過它來固化它。 但它也有一個潛在的優勢: 它可以處理高粘性樹脂，其他樹脂基印表機努力通過狹窄的死區吸。 這意味著它可以製造更堅固的材料和更精確的照片。
這種方法已經引起了工業界的極大興趣，Christopher Spadaccini 說，他是加利福尼亞州勞倫斯利福摩爾國家實驗室的材料和製造工程師。 斯帕達奇尼是去年一月發表這項研究成果的團隊成員之一。 洛桑聯邦理工學院的一個研究小組獨立開發了同樣的概念，並且報告了它的演示。 斯帕達奇尼認為，這項技術具有巨大的商業潛力，因為它的硬體需求不高。 「最後，你真正需要的是一個半像樣的投影儀和一個旋轉舞臺，」他說。
變大
雖然化學家們正在研究更聰明的方法來列印複雜的樹脂，但工程師們正在推動混凝土3D 列印的邊界ーー利用計算機和機器人精確地自動化澆注過程。
一座3d 列印的混凝土人行天橋，由清華大學開發。 圖片來源: imaginechina / shutterstock
世界上第一座3d 列印混凝土人行天橋是由西班牙巴塞隆納加泰隆尼亞高級建築研究所的研究人員製造的，2016年安裝在阿爾科文達斯的一個公園裡，靠近馬德裡。 橋長十二米，採用網格結構設計，算法最大化強度，減少材料需求量。 其他研究小組也製造了類似的結構，包括中國上海的一座26米長的橋梁，由北京清華大學大學的工程師製造。 中國和荷蘭的團隊和公司也有3 d 列印的演示房。
然而，這些結構並不是在一個列印作業中構建的: 單獨的片段先列印，然後連接。 3 d 列印技術可以降低橋梁和房屋的成本和效率，從而減少混凝土的碳足印，但也可以鼓勵工程師們建造更多的混凝土。
不僅僅是混凝土正在發展壯大: 阿姆斯特丹的 MX3D 公司已經用不鏽鋼列印出了一座橋。 該橋於2018年首次公開展示，目前正在測試中，傳感器已經提前安裝在阿姆斯特丹運河上。
圖為 MX3D 印表機在列印金屬橋過程中的情景。 圖片來源: Olivier de gruijter / mx3d
位於洛杉磯的加利福尼亞初創公司 Relativity Space 表示，該公司正在建造一枚幾乎完全3d 列印的火箭。 該火箭的設計是將1250公斤的物體送入低地球軌道，它的首次試射定於2021年。 相對論空間公司的執行長蒂姆 · 埃利斯說，印刷金屬並不總是具有與非印刷金屬相同的散熱性能，但是印刷過程可以在幾何體中增加冷卻通道，而這些通常是無法製造出來的。 因為火箭只用過一次或者可能只用過幾次，所以從長遠來看，它們不必像飛機部件中的合金那樣堅固，這些合金必須經過成千上萬次的壓力循環才能抵抗失效，埃利斯說。
初創公司 Relativity Space 的一臺金屬印表機，該公司的目標是在2021年測試一枚主要由3d 列印技術製造的火箭。 來源: 相對論空間
這些大規模的金屬印刷項目是用機器人手臂建造的，機器人手臂將一根細金屬絲送入雷射器，雷射器將材料焊接到位。 其他成熟的金屬印刷方法是使用雷射或電子束將一層層粉末熔化或熔化成成品層。 另一種技術是用液體膠水把一層粉末粘合在一起，然後在熔爐中燒結這種結構。 在過去幾年中設計的印表機通過噴嘴擠出熔化的金屬，與 FDM 的方式大致相同。
波音公司、勞斯萊斯公司和普惠公司等航空公司正在使用3 d 列印技術製造金屬部件，主要用於噴氣式發動機。 它可以比銑削金屬塊便宜，而且複雜的部件通常比傳統製造的重量要輕。
但是3d 列印的金屬容易出現缺陷，從而削弱最終產品的質量。 斯帕達奇尼和其他研究人員正在嘗試利用傳感器陣列和高速攝像機來監測熱點或應變等不規則現象，然後進行實時調整，他說。
許多科學家也希望通過控制材料的微結構來提高印刷金屬的內在強度。 例如，2017年10月，美國的一個研究小組報告說，3d 列印不鏽鋼使用的高溫和快速冷卻技術可以改變金屬的微觀結構，從而使產品比傳統的鑄造產品更加堅固。 兩個月前，澳大利亞和美國的研究人員報導了一種具有類似強度優勢的鈦銅合金。 當它們凝固的時候，先前的3d 列印的鈦合金傾向於形成以柱狀結構生長的晶粒。 銅有助於加快凝固過程，從而導致晶粒變小，並向各個方向發芽，強化了整體結構。
馬克 · 伊斯頓是墨爾本 RMIT 大學的材料工程師，也是這項合金研究的領導者之一，他已經與有興趣探索這種材料用途的航空航天公司進行了對話。 他說，它也可以用於醫療植入物，如關節置換。
許多金屬印刷技術也可以應用於陶瓷，具有潛在的應用，包括製造牙冠或整形植入物。 這些物體的模具已經通過3D 列印，與材料鑄造的傳統方式。 但是3d 列印整個物體可以節省在牙醫或外科醫生辦公室的時間。
然而，倫敦帝國理工學院(Imperial College London)的材料科學家、陶瓷學家愛德華多賽斯(Eduardo Saiz)表示，要控制3d 列印陶瓷的顯微結構比較困難。 而且幾乎所有實用的陶瓷印刷技術都涉及廣泛的後印刷燒結，可以翹曲或變形的部分。 「在我看來，就實際應用而言，陶瓷遠遠落後於聚合物和金屬，」他說。
隨著時間而改變
這個領域的未來還可能在於「4D 列印」ーー3d 列印的物體，這些物體也有能力執行一些類似於人造肌肉的機械動作。 通常，這些結合形狀記憶聚合物，材料可以反應的變化，在他們的環境，如熱或水分。
2018年5月，位於蘇黎世的瑞士聯邦理工學院(ETH)和帕薩迪納的加州理工學院的研究人員報告稱，他們列印了一艘潛水艇，這艘潛水艇在溫暖的海水中使用向後彈動的槳推動自己前進。 這項工作可能導致微型機器人能夠自主探索海洋。 但就目前而言，每次划水後必須重新設置槳板。 澳大利亞臥龍崗大學的材料工程師 Geoff Spinks 說，這樣的設備可以利用電池電量重置自身，但這使得這種設備的效率低於傳統製造的設備。 他表示: 「4D 列印仍面臨一些重大挑戰。」。
另一種4d 列印設備的方法是通過改變外部磁場來觸發這個動作。 美國研究人員發明了一種3d 列印的格子結構，其中填充了一種液體，這種液體可以隨著磁場的變化而改變剛度。磁場也許可以用來幫助汽車座椅在碰撞時變硬。
一種在磁場作用下會變硬的流體被注入到一個3d 列印格子的空心支柱和梁中。 這種材料可以做成硬的或有彈性的。 圖片來源: Julie mancini / llnl
其他，更多潛在的被動4 d 列印應用包括支架，它可以被壓縮植入，然後擴展到血管中支撐它打開的所需位置。 去年7月，瑞士和義大利的研究人員介紹了一種4d 列印支架，它只有50微米寬，比傳統支架小得多。 研究小組說，這種設備非常小，有朝一日可以用來治療胎兒的併發症，比如尿道狹窄，這有時是致命的。
也許4 d 列印最雄心勃勃的例子就是物質不僅會移動，而且是活的。 目前，這種生物列印技術可以列印出適合實驗室研究的組織，比如人體皮膚，以及已經成功植入大鼠體內的肝臟和其他器官的組織片。 但是這種技術還遠遠沒有準備好融入人體。 研究人員夢想列印出功能齊全的器官，這樣就可以減少器官捐獻者長長的等待名單。 劉易斯表示: 「我個人認為，我們距離這一目標還有十多年的時間，如果有可能的話。」。
現在一起來
關於移動或變化的印刷物質的許多創造性想法依賴於將多種材料一起印刷。 「這絕對是這個領域的發展方向，」斯科特說。
去年11月，劉易斯和她的實驗室描述了一種印表機，這種印表機可以在不同的聚合物墨水之間快速切換，或者在列印單一物體時將它們混合。 這意味著物體可以同時印刷柔性和剛性部分。 劉易斯將之前多材質印表機的工作剝離出來，成立了一家名為 Voxel8的公司，這是一家位於薩莫維爾的初創公司。 劉易斯說，她的多材料印表機可以幫助 Voxel8開發運動服裝。 可穿戴設備需要在關節周圍具有靈活性，同時還要有剛性部件來存放電子設備。 賽斯稱這臺印表機為「美麗的作品」 ，並充滿渴望地補充道: 「沒有任何東西能像它那樣用於製作陶瓷或金屬。」
2018年3月，由亞特蘭大喬治亞理工學院的材料工程師傑裡 · 齊(Jerry Qi)領導的團隊推出了一款四合一印表機。 這種噴嘴可以噴出熔融聚合物，噴出可以被紫外線燈或雷射固化的感光樹脂，還有兩種噴嘴可以用金屬小點列印電線和電路。 列印頭一起工作，使集成設備的電路嵌入在一個剛性板或內部的柔性聚合物外殼。 齊說，他的團隊現在正與電子公司合作，這些電子公司對印刷電路板原型的速度比傳統方法更快。
這並不像將四臺不同的印表機固定在一個平臺上那麼簡單: 研究人員還需要開發軟體，讓每個列印頭與其他列印頭進行溝通，並跟蹤進展情況。
該領域仍遠未實現將大規模製造業帶入人們家庭的早期願景。 就目前而言，複雜的印表機過於昂貴，難以吸引非專業人士。 但是在過去的20年裡，3 d 列印已經取得了長足的進步。 託德記得，在21世紀初期，人們參觀了他的實驗室，觀察他的技術，把金屬塵埃的斑點融合在一起，來生長部件。 與鄰近實驗室的傳統銑床和金屬切割系統相比，他的3d 印表機給參觀者留下了完全奇特的印象。 「我們就像一隻在酒吧裡彈鋼琴的狗，」他回憶道。 現在，對於許多公司來說，這是標準的做法。