交匯點訊 顯微鏡下的這隻船，30微米長，僅比細菌細胞大6倍。開放的船艙、筆直的煙囪、精緻的小舷窗清晰可見，尤其令人印象深刻的是，整個船隻模型的厚度只有人類頭髮絲直徑的三分之一，堪稱世界上最小的船。
這隻近日出自荷蘭萊頓大學物理學家之手的船，利用的正是近年來迅猛發展的3D列印技術。在幾立方微米的微觀空間內創造一件物品，科學家是如何實現的？從正式誕生到走進微觀世界，3D列印技術突飛猛進的背後是怎樣的技術變革？
3D列印的精度已縮小到納米級
傳統的減材製造工藝是指利用已有的幾何模型工件，用工具將材料逐步切削、打磨、雕刻，最終成為所需的零件。而3D列印，又稱增材製造，是藉助於3D列印設備，對數字三維模型進行分層處理，將金屬粉末、熱塑性材料、樹脂等特殊材料一層一層地不斷堆積黏結，最終疊加形成一個三維整體。
技術的不斷進步使得如今3D列印零件的精度越來越高。「像小船這類微觀事物的列印，首先需要克服的就是列印精度的問題。」南京理工大學機械工程學院教授劉婷婷介紹，隨著3D列印技術的發展與進步，通過改變能量源，現在人們已經能夠將3D列印的製造精度逐漸由微米級別提高到納米級別。
「目前，3D列印技術已經成功在航空航天、醫療器械、汽車工業、珠寶行業以及建築行業實現應用。」劉婷婷表示，與傳統製造方法相比，3D列印具有零件設計複雜度高、柔性製造水平高、產生設計-製造周期短等優勢，日漸受到青睞，應用前景廣泛。「微觀事物列印的成功，意味著3D列印技術將會對治療診斷以及藥物定向輸送起到非常重要的作用。」
隨著3D列印的精度的顯著提高，3D列印技術在醫療領域給了人們更多新的靈感。如生物3D列印技術，特別是細胞、組織以及器官等活體的列印在醫學、生物與工程各界引起廣泛關注。
生物3D列印也是基於「增材製造」的原理，以特製生物「印表機」為手段，以加工活性材料包括細胞、生長因子、生物材料等為主要內容，以重建人體組織和器官為目標的再生醫學工程技術。它代表了目前3D列印技術的最高水平之一。
在生物3D列印技術中，研究人員經常使用的是噴墨列印技術，能夠快速地把細小的墨滴精確地列印到相應的位置。此外，噴墨印表機還可以打出不同的細胞。例如列印一個類似血管的結構，可以把內皮細胞列印到管壁內層，平滑肌細胞列印到管壁外層，這樣逐層列印，就能得到一個和正常結構類似的產品。
各有千秋，3D列印技術種類繁多
事實上，世界上第一臺3D印表機早在1983年就誕生了。這項起源於20世紀80年代的技術，近年來發展迅猛，被譽為「第三次工業革命的重要標誌之一」。
「傳統的3D列印技術包括熔融堆積技術（FDM）、光固化技術（SLA），雷射熔化沉積（LMD）以及雷射粉末床熔融技術（LPBF）等。」劉婷婷介紹。而這些傳統的3D列印技術也各有千秋。
熔融堆積技術（FDM）和光固化技術（SLA），是目前最常見、最成熟的兩種3D列印技術。熔融堆積3D列印又叫熔絲沉積3D列印，在3D列印技術中，熔融堆積技術的機械結構最簡單，設計也最容易，製造成本、維護成本和材料成本也最低，因此也是在家用的桌面級3D印表機中使用得最多的技術。它是將絲狀的熱熔性材料加熱融化，同時三維噴頭在計算機的控制下，根據截面輪廓信息，將材料選擇性地塗敷在工作檯上，快速冷卻後形成一層截面。一層成型完成後，機器工作檯下降一個高度（即分層厚度）再成型下一層，直至形成整個實體造型。
而光固化3D列印技術是將液態光敏高分子材料累加為固態成形件，成形精度較高，是可以滿足商業化需求的共性技術。該項技術通過數控裝置控制的掃描器，將雷射光束按設計的掃描路徑照射到液態光敏樹脂表面，使表面特定區域內的一層樹脂固化， 當一層加工完畢後，就生成了零件的一個截面；然後升降臺下降一定距離，固化層上覆蓋另一層液態樹脂，再進行第二層掃描，第二固化層牢固地黏結在前一固化層上，這樣一層層疊加便形成了三維工件原型。
熔融堆積3D列印可使用的原料種類繁多，能夠根據不同需求改變列印設置和硬體附件，更有利於定製化生產，能夠適應更多特殊化場景的使用需求。而光固化3D列印可以實現0.1毫米的解析度，並且可以實現平滑、細緻的表面處理，這是熔融堆積3D列印無法比擬的。
提升精度和速率，新技術給予人們更多靈感
劉婷婷介紹，近幾年，具有更高精度以及更高效率的雙光子3D列印技術（TPP）、飛秒投影雙光子光刻3D列印（FP-TPL）技術以及聚焦電子束誘導沉積技術（FEBID）相繼出現。而新技術的出現使得列印的精度以及列印的速率不斷提升。
「2019年，香港中文大學工程學院機械與自動化工程學系副教授陳世祈及其團隊研發了『飛秒投影雙光子光刻3D列印』（FP-TPL）技術，將原有列印速度提升了數千至一萬倍。」據了解，這種技術可以在與雷射束垂直的平面上形成可編程的飛秒光片，用於平行寫入。這相當於同時投射數百萬個雷射焦點，以取代傳統的聚焦方法。換句話說，飛秒投影雙光子光刻3D列印技術可以在雙光子3D列印技術製造一個點的時間內製造出整個平面，將製造時間由幾天縮短到幾分鐘。
「此外，3D列印技術精度的不斷提升，將為納米製造引入新的可能性。」劉婷婷表示。
在材料兼容性和形狀靈活性等方面，納米3D列印技術表現出色，這使其可以在各種醫療和微流體應用中使用。在最近的研究中，科學家們開始評估通過外部刺激修改3D列印結構的可能性，開始採用一種新的納米加工方法。
法國格勒諾布爾大學的研究人員近日開發出了一種具有可變形磁場的3D列印微觀結構的新方法。這項新技術涉及將磁性微珠添加到標準的雙光子聚合（2PP）3D列印對象中。通過精確地調整這些微型材料的特性以及微珠的方向，科學家們能夠製造出僅需外部磁場即可操作的複雜納米鑷子。
利用他們的新工藝，研究人員認為，這項技術也有可能開發出增強的微致動器，甚至是用於藥物輸送應用的磁極水凝膠。
交匯點記者 王甜