從“鞋子”到“火箭”！一文了解3D打印最新進(jìn)展�。ㄒ唬�

來(lái)源：河南省產(chǎn)學(xué)研人工智能研究院

3D打印正在如火如荼的發(fā)展！我們正在經(jīng)歷著“增材制造”給我們帶來(lái)的更多的變革�！禢ature》雜志“News Feature”欄目以“3D printing gets bigger, faster and stronger”為題，借此機(jī)會(huì)跟著小編再來(lái)回顧一下3D打印最新進(jìn)展。本文包含以下5個(gè)部分的內(nèi)容：

（一）3D打印高分子
（二）3D打印建筑
（三）3D打印金屬
（四）4D打印
（五）技術(shù)融合

（一）3D打印高分子——更快
01 世界上最快的樹(shù)脂3D打印機(jī)
2019年10月18日，西北大學(xué)的Chad Mirkin和George B. Rathmann教授開(kāi)發(fā)出HARP（high-area rapid printing）技術(shù)，這是世界上最快的樹(shù)脂3D打印機(jī)，得益于“液態(tài)特氟龍”（Teflon，聚四氟乙烯）在界面上循環(huán)冷卻降低界面的熱量，從而大大提高了打印速度。基于0.2平方米，高度為4米的打印機(jī)床，可以在一個(gè)小時(shí)內(nèi)打印約半米高的零件。這是3D打印領(lǐng)域的創(chuàng)造性技術(shù)革新。原本以為只能制造小型、低質(zhì)量原型零件，現(xiàn)在，3D打印的速度變得越來(lái)越快，打印產(chǎn)品的體積正在變得越來(lái)越大。與此同時(shí)，科學(xué)家們正在思考：一次打印多種材料，如何把打印出來(lái)的材料變得更加堅(jiān)固。

02 CLIP技術(shù)：比傳統(tǒng)的光固化技術(shù)快上100倍！
3D打印技術(shù)也被稱為“增材制造”，無(wú)需對(duì)塊狀材料切割或銑削，也不用熔融材料澆鑄到模具中，3D打印是從下至上構(gòu)建產(chǎn)品。它具有節(jié)約材料、打印定制或者個(gè)性化設(shè)計(jì)產(chǎn)品的能力。業(yè)余愛(ài)好者可以通過(guò)低成本、比較廉價(jià)的熔融沉積成型法（FDM）進(jìn)行打印，原理非常簡(jiǎn)單：加熱噴嘴，擠出塑料3D打印線材，逐層進(jìn)行打印。FDM有個(gè)缺點(diǎn)，打印完了之后需要去除基地，并進(jìn)行清洗。

事實(shí)上，“ 3D打印”涵蓋了范圍更廣的技術(shù)。早在1984年，3D Systems公司的創(chuàng)始人Charles Hull申請(qǐng)了專利，描述了使用紫外線逐層掃描并固化（光敏樹(shù)脂，這一概念。2015年，北卡羅來(lái)納大學(xué)教堂山分校Joseph DeSimone教授改進(jìn)了這一技術(shù)，提出“連續(xù)液界制造技術(shù)（CLIP技術(shù)），在固液之間形成含氧 “死區(qū)”（dead zone），由于氧阻聚的作用，靠近“死區(qū)”的光敏樹(shù)脂無(wú)法固化，死區(qū)之上的光敏樹(shù)脂固化，并脫離液面。通過(guò)工藝調(diào)控，CLIP技術(shù)比傳統(tǒng)的光固化技術(shù)快上100倍，實(shí)現(xiàn)了打印尺寸在幾十厘米級(jí)別，分辨率低于100μm，每小時(shí)打印數(shù)百毫米的速度。相關(guān)論文以“Continuous liquid interface production of 3D objects”為題，發(fā)表在《Science》上。這一技術(shù)有效解決了早期打印機(jī)速度慢、規(guī)模小、易分層、結(jié)構(gòu)不完美和脆弱等問(wèn)題。目前該技術(shù)主要用于制作模型，澳大利亞墨爾本莫納什大學(xué)Timothy Scott評(píng)價(jià)：如果只是用于打印一些小擺件，這并不讓人感到興奮，如果只是這樣，那就太無(wú)趣了。Lewis說(shuō)：其他實(shí)驗(yàn)室也有類似的成果，DeSimone教授的成果更讓人印象深刻，此外還可以進(jìn)行二次加熱，增強(qiáng)產(chǎn)品性能。

　　CLIP工作原理示意圖

　　CLIP技術(shù)效果

03 再提速
在DeSimone工作的基礎(chǔ)上，Mirkin等用一層透明的油代替含氧 “死區(qū)”（dead zone），既可以抑制聚合，又可用于冷卻，消除反應(yīng)產(chǎn)生的熱致形變。同時(shí)這也意味著設(shè)備不局限于受氧氣阻聚樹(shù)脂的打印。這款打印機(jī)的打印速度比DeSimone快十倍。2019年1月11日，密歇根大學(xué)Mark A. Burns和Timothy F. Scott合作，他們采用了兩個(gè)光源（分別為波長(zhǎng)365納米的UV LED和波長(zhǎng)為458納米的Blue DLP光源），其中一個(gè)光源對(duì)樹(shù)脂進(jìn)行固化，而另外一個(gè)光源則負(fù)責(zé)抑制樹(shù)脂固化。打印速度超過(guò)了2米/小時(shí)。通過(guò)改變兩個(gè)光源的強(qiáng)度比例，研究人員可以控制光抑制區(qū)的厚度，從而創(chuàng)建更復(fù)雜的圖案，例如打印表面有印章或校徽等復(fù)雜圖案。該技術(shù)彌補(bǔ)了Carbon為代表的光固化技術(shù)的缺陷，實(shí)現(xiàn)百倍速打印實(shí)體模型結(jié)構(gòu)。

　　密歇根大學(xué)的百倍速光固化3D打印技術(shù)

圖片相關(guān)論文以“Rapid, continuous additive manufacturing by volumetric polymerization inhibition patternin”發(fā)表在《Science Advances》

04 顛覆性技術(shù)--光照幾十秒，完美雕像浮出水面
2019年3月8日加利福尼亞大學(xué)伯克利分校Hayden K. Taylor團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出高速“容積3D打印技術(shù)”，只要光照幾十秒，完美雕像浮出水面。相關(guān)論文以“Volumetric additive manufacturing via tomographic reconstruction”為題目發(fā)表在《Science》上。

原理：在CT機(jī)中，X射線管在患者周?chē)�旋轉(zhuǎn)，拍攝人體內(nèi)部器官的照片。然后，計(jì)算機(jī)再利用這些投影重構(gòu)出一幅3D畫(huà)面。容積3D打印技術(shù)工作原理就像反向計(jì)算機(jī)斷層（CT）掃描。

　　

工作原理就像反向計(jì)算機(jī)斷層（CT）掃描

研究人員從多個(gè)不同角度計(jì)算出物體的形狀，然后將由此產(chǎn)生的2D圖像輸入一臺(tái)普通的幻燈片投影儀。投影儀將圖像投射到一個(gè)裝著丙烯酸酯的圓柱形容器中。當(dāng)投影儀通過(guò)全方位覆蓋的圖像旋轉(zhuǎn)時(shí)，容器也以相應(yīng)的角度旋轉(zhuǎn)。當(dāng)樹(shù)脂吸收的光子超過(guò)一定閾值，丙烯酸酯就會(huì)聚合成固體。

優(yōu)點(diǎn)：(a)幾十秒后，杯子中便3D打印出來(lái)一個(gè)人像。比Carbon的CLIP連續(xù)液面打印技術(shù)，還要快很多;(b)可以處理高粘度樹(shù)脂，可以穿過(guò)打印盲區(qū)，這意味著它可以制造出更堅(jiān)固、更準(zhǔn)確的3D打印制品。

缺點(diǎn)：所需的樹(shù)脂必須是透明的，打印的物體必須足夠小，才能使光線透過(guò)使其固化。因此打印尺寸目前在1立方厘米。

容積3D打印技術(shù)

勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）的材料制造工程師Christopher Spadaccini說(shuō)，這種方法已經(jīng)引起了業(yè)界的極大興趣。究竟誰(shuí)是第一個(gè)報(bào)道這項(xiàng)工作的？存在爭(zhēng)議。Spadaccini在2019年1月5日發(fā)表了這一工作，在此之前，洛桑瑞士聯(lián)邦理工（EPFL）預(yù)印本中報(bào)道了該概念。拋開(kāi)爭(zhēng)議，Spadaccini認(rèn)為該技術(shù)具有巨大的商業(yè)潛力，因?yàn)樗鼘?duì)硬件的要求不高，實(shí)際上，您需要一臺(tái)像樣的投影儀和一個(gè)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)。

商業(yè)化進(jìn)展
早在論文發(fā)表的兩年前，DeSimone在加利福尼亞州紅木城正式成立了他的初創(chuàng)公司Carbon 3D，現(xiàn)已成為3D打印領(lǐng)域最大的初創(chuàng)企業(yè)之一。該公司已經(jīng)在各輪融資中籌集了6.8億美元，據(jù)報(bào)道，其估值為24億美元。它與阿迪達(dá)斯（Adidas）簽訂了高調(diào)的合同，以制造運(yùn)動(dòng)鞋用的橡膠中底，并與運(yùn)動(dòng)裝備公司Riddell共同為美國(guó)足球運(yùn)動(dòng)員生產(chǎn)定制的頭盔墊。

Mirkin和他的同事James Hedrick和David Walker還在伊利諾伊州埃文斯頓推出了一家初創(chuàng)公司Azul 3D，促使HARP技術(shù)（高區(qū)域快速打�。┥虡I(yè)化，Scott和伯恩斯Burns正在準(zhǔn)備開(kāi)發(fā)商業(yè)原型打印機(jī)，并成立名為“Diplodocal”的初創(chuàng)企業(yè)，該名字源于希臘語(yǔ)，意為“雙光束”。