如果3D打印在體素級(jí)別實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制，一切會(huì)怎樣？

南極熊導(dǎo)讀：當(dāng)我們提及大規(guī)模定制和 3D 打印時(shí)，通常會(huì)想到個(gè)性化定制物品的形狀。然而，形狀本身并不能經(jīng)常成為一個(gè)好的商業(yè)案例。事實(shí)上，增材制造 (AM) 的應(yīng)用成本依舊太高，這也導(dǎo)致制造商往往會(huì)使用更便宜的替代技術(shù)，包括 CNC、激光切割和水射流切割。

如果所需的復(fù)雜幾何構(gòu)件只能通過增材制造完成，或者是物品足夠小，那么選擇 3D 打印可能是有意義的。對(duì)于助聽器、牙橋和牙冠來說都是如此，定制對(duì)象的小質(zhì)量是使 3D 打印具有吸引力的因素之一。實(shí)現(xiàn)某些物理特性的能力是 3D 打印具有決定性優(yōu)勢(shì)的另一個(gè)領(lǐng)域。例如，獨(dú)特的紋理和內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)有助于骨整合和減少骨科植入物中的應(yīng)力剪切。然而，3D 打印的終極夢(mèng)想遠(yuǎn)不止于此。

體素級(jí)制造

如果想要 3D 打印單個(gè)體素，且每個(gè)體素具有不同的屬性，那又該如何做到這一點(diǎn)呢？首先，需要確定3D 像素的大小（即體素），這些像素具有不同的屬性集，可以以不同的比例混合。然后，打印系統(tǒng)在正確的位置準(zhǔn)確地噴射（或燒結(jié)或擠出）正確的體素，從而實(shí)現(xiàn)梯度部分。我們可以讓物品在某些區(qū)域更柔軟，而在其他地方更堅(jiān)硬。在整個(gè)結(jié)構(gòu)的不同位置，某些東西可能或多或少是剛性的。然后我們可以構(gòu)建完整的設(shè)備、電子產(chǎn)品、磁鐵和一切（Neil Gershenfeld多年來一直以各種形式致力于此）。顯而易見的是，大多數(shù)物體的完整組裝可以達(dá)到體素的壁厚，而不是只制造某些1毫米薄的物品和有限的幾何形狀。

△Neil Gershenfeld。圖片：維基百科

“工具工廠”方法

nScrypt公司推出的 "工具工廠（Factory in a Tool）"方法是目前少數(shù)幾個(gè)能夠在一臺(tái)打印機(jī)中集成擠壓、拾取和放置、銑削等優(yōu)勢(shì)的方法之一。他們的機(jī)器現(xiàn)在被用來在一臺(tái)打印機(jī)內(nèi)制造幾乎整個(gè)納米衛(wèi)星。不難看出，任何3D打印設(shè)備都可以結(jié)合氣溶膠噴射、數(shù)控、擠壓和其他許多不同的工具來制造非常復(fù)雜的物體。

現(xiàn)在，增材制造行業(yè)的成員都在他們的技術(shù)孤島中思考。然而，一個(gè)更開放的方法將看到更多的人關(guān)注在一臺(tái)機(jī)器內(nèi)混合許多工具。然后，這個(gè)設(shè)備本身也可以是一個(gè)無塵室，并負(fù)責(zé)到從包裝到產(chǎn)品的每一個(gè)步驟。當(dāng)然，F(xiàn)actory in a Tool并不是唯一一個(gè)可實(shí)現(xiàn)體素級(jí)制造的方法。

顆�；旌蠑D出系統(tǒng)

想象一個(gè)材料擠出系統(tǒng)，它可以智能地動(dòng)態(tài)組合不同比例的顆粒。然后，它可以將這些顆粒打印成不同的細(xì)胞狀填充物結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)的壁、形狀和整體變化將根據(jù)部件的特性動(dòng)態(tài)地進(jìn)行編程。一些單元將充滿空氣，而另一些單元將完全被材料填滿。填充模式不僅僅是在不同的層上不同，而是在整個(gè)過程中不同，從而使結(jié)構(gòu)在特定的位置具有編程的硬度、柔軟度和其他特性。無論是通過填充設(shè)計(jì)還是顆粒，混合不同的屬性可以分配給不同的體素，提供高度的可變性。

其他變體技術(shù)

當(dāng)然，通過材料噴射，我們可以在同一時(shí)間有選擇地沉積不同性質(zhì)的材料。這可以讓人們快速而精確地沉積具有不同特性的數(shù)十億個(gè)液滴。梯度特性和具有許多不同材料和質(zhì)量的部件可以從這個(gè)過程中產(chǎn)生。

Rize的技術(shù)將材料擠壓和噴墨結(jié)合起來，也是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的另一種方式。類似于Aerosint的工藝也可以發(fā)揮作用。結(jié)合擠壓和真空成型的選擇性金屬化工藝也可以使用，早稻田的多材料DLP方法或加州理工學(xué)院的碳化水凝膠灌注技術(shù)也可以使用。超精確的按需滴注可能是另一條噴墨路徑，也可能是電紡的一個(gè)變種。在納米層面，像UpNano、BMF和Femtoprint這樣的公司也在進(jìn)行令人興奮的前沿工作。Atlant3D的逐個(gè)原子制造很可能是這方面的最終技術(shù)。因此，以上的例子只是說明了有幾種技術(shù)路線都可以實(shí)現(xiàn)精確的體素級(jí)制造。

△傳統(tǒng)的3D打印塑料結(jié)構(gòu)的金屬化方法與新興的在3D打印塑料結(jié)構(gòu)的選定區(qū)域沉積金屬的方法對(duì)比。圖片來源：早稻田大學(xué)

體素級(jí)制造的前沿領(lǐng)域

顯然，如果能夠?qū)⑵渲幸粋�(gè)流程真正應(yīng)用到我們的工業(yè)環(huán)境中，那將會(huì)打開新的應(yīng)用市場。然而，擔(dān)心體素級(jí)制造技術(shù)將來會(huì)像電影中演繹的那樣，擁有自主復(fù)制意識(shí)并占領(lǐng)我們?nèi)祟愂澜鐒t是完全沒有必要了。畢竟該技術(shù)仍需要很多年的時(shí)間去驗(yàn)證它的可行性，最終才能面向工業(yè)化。然而，即使你在這方面取得了部分進(jìn)展，你也可以擁有一個(gè)非常有市場的技術(shù)。

想象一下，通過混合一些聚合物和晶格結(jié)構(gòu)，對(duì)網(wǎng)球拍柄進(jìn)行體素級(jí)定制，以減少振動(dòng)、應(yīng)變和傷害，同時(shí)讓球員用更舒適的球拍打出更多的球。這可能會(huì)徹底改變網(wǎng)球、高爾夫以及其他任何球拍或俱樂部運(yùn)動(dòng)。想象一下，只要有一個(gè)舒適度更高的、吸水的床墊、手套或方向盤的表面就可以了。有許多表面和產(chǎn)品，我們可以通過一個(gè)半功能的體素級(jí)系統(tǒng)大大改善。

3D打印公司正在制造材料。該行業(yè)只需要一種 "發(fā)泡膠 "類型的產(chǎn)品就會(huì)非常成功。然而，該行業(yè)可以開發(fā)出許多發(fā)泡劑，都具有不同的特性。許多產(chǎn)品正在從使用金屬轉(zhuǎn)向使用聚合物。只要讓這些商品更加舒適，就會(huì)是一個(gè)巨大的機(jī)會(huì)。同時(shí)，像工業(yè)過濾器、膜和表面這樣的物品是可以改進(jìn)的。因此，即使有部分工作解決方案，該行業(yè)也可以獲得巨大的收入，可以推動(dòng)其發(fā)展。

真正的大規(guī)模定制？

目前而言，體素級(jí)制造技術(shù)也已經(jīng)有一部分走進(jìn)了日常生活，例如我們可以選擇使用trinckle和Twikit來大規(guī)模定制真正適合客戶的東西。人們可以在每一個(gè)體素上購買一個(gè)適合他們行走、需求和腳的獨(dú)特的鞋墊。3D打印可以制造出功能最強(qiáng)、最舒適的一切物品，而這將是在通往“全能制造”的集成制造的道路上邁出的重要一步。