3D打印概念成為主流已近40年,倡導者稱贊這項技術是“制造業的未來”(future of manufacturing),F在, 3D打印的打印速度和規模得到極大提高,生物醫學應用范圍也逐步擴大。近年來,這些進步均證明了3D打印技術正越來越靠近人們對它的預設。本期內容刊登自中國工程院院刊《Engineering》,作者為高級技術作家Chris Palmer。

當今最常見的3D打印種類,即增材制造,使用光線將液態塑料樹脂逐層固化為固體。這個過程通常比較慢,制造手持設備常常需要幾個小時。此外,各層之間的接口往往比較脆弱,成品結構易碎。因此,3D打印并沒有取代傳統的制造過程,而是和一些非常特殊的用途聯系起來。美國伊利諾伊州埃文斯頓西北大學工程學教授Chad Mirkin表示:“在很大程度上,3D打印主要局限于原型設計,因為它速度慢、產量低、產品結構不穩定。”

大約5年前,美國北卡羅來納大學的工程師發明了一種新型的3D打印技術,即“連續液體界面制造”(CLIP),與同類技術相比,這種技術的生產速度提高了100倍。這項技術獲得極大的進步,位于美國加利福尼亞州的Carbon公司獲取了該項技術,其采用一種半滲透窗,可以將氧氣注入液體樹脂,從而形成一種能防止固化的薄的“死區”(dead zone)。在該區域上方,光線將樹脂固化成固體。機械臂緩慢地將不斷增長的固體從樹脂中拉出,使其他材料得以固化和黏附,這種技術無需一系列層合界面,因此產品更加堅固。

CLIP的速度提高備受關注——Carbon公司已與福特汽車公司、阿迪達斯體育用品公司和里德爾體育公司達成協議,分別為它們生產汽車零件、運動鞋底和橄欖球頭盔——但其固化過程會釋放出大量熱量,這可能導致打印的零件翹曲和破裂。為了散熱,打印的成品尺寸實際上被限制為25cm×25cm×41cm。

Mirkin說:“Carbon公司證實了3D打印可被用于制造業,而且他們在許多行業做得都非常好,但是他們還沒有找到快速打印大型物體的方法。”

在2019年年末,Mirkin的團隊宣稱其開發了一項名為“高面積快速打印”(HARP)的新技術,該技術使液體冷卻劑在一桶液態樹脂下面循環。冷卻劑是一種氟化油,在打印時會直接從正在打印的物體上吸走熱量,從而使它們在短短幾個小時內就可以達到成年人的尺寸。Mirkin將使用多臺投影儀發出的光進行打印的方法稱為“平鋪”(tiling)工藝,其打印尺寸可以達到約1m×1m×4m。將來,其他投影儀可使HARP 能夠制造更大的物品。“從理論上講,平鋪工藝消除了尺寸限制,” Mirkin說。

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為了使HARP商業化,Mirkin和同事成立了Azul 3D公司(位于美國伊利諾伊州斯科基市),該公司預計在2021年年底前開始銷售打印機。Mirkin希望HARP能改變3D打印的商業模式。“幾乎所有的3D打印公司都必須從他們的硬件上獲得可觀的收入,因為他們根本沒有使用足夠的樹脂來使此項技術具有良好的商業模式。”他表示,“借助HARP,該公司不需要僅依靠銷售硬件來獲得收入,因為他們還可以通過銷售生產大量零件所需的樹脂來賺錢。這樣,由于初始硬件成本幾乎變得無關緊要,所以HARP降低了進入門檻。”

在另一個快速發展的領域,3D打印技術正顯示出其在處理微小物體方面的潛在價值。將傳統3D打印機中使用的“墨水”(塑料、聚合物和金屬合金)換成嵌入生物介質中的活細胞,這項技術將成為生物醫學應用的一個有趣工具,未來有可能被用于制造替代組織。3D生物打印已被用于制造簡單的組織,如皮膚、軟骨和部分心肌。隨著技術的進步,3D生物打印可能會被用于制造更復雜的器官,如視網膜、腎臟和肺。主要的挑戰包括組成器官的各種各樣的細胞類型,以及需要提高足夠的分辨率來打印輸送氧氣和清除廢物的微小血管。

“我不知道我們能否達成這個目標——有各種不同的細胞類型和維持它們存活所需的血管系統,器官實在是太復雜了。”美國明尼蘇達州明尼蘇達大學機械工程學教授Michael McAlpine說,“我們一直以來的錯誤在于試圖完全復制生物學。也許通過聚合物和電子技術,你可以制造出一個能像肝臟一樣工作的設備,但實際上該設備比大自然創造出來的要好得多。”

然而,3D生物打印已得到了更直接的應用,其中包括藥物發現和消費品測試。在McAlpine的許多項目中,有一個可用于脊髓再生的3D打印設備和嵌入有可監測患者生理和生化標志物的傳感器的電子紋身。

雖然3D生物打印主要集中在很小的領域,但是美國得克薩斯州的創新者正在使用超大規模的3D打印來建造房屋。位于得克薩斯州奧斯汀市的建筑技術公司Icon開發了一臺名為Vulcan II的3D打印機,該打印機可以在大約24h內打印37m2 的兩居室房屋的墻壁。Vulcan II是專門為偏遠農村的房屋建造而設計的,由于有限的資源、無法預測的天氣以及不穩定的電源,使用傳統的建筑方式幾乎是不可能完成房屋建造的。這臺高3.5m、重1725kg的機器連續堆積了一層高2.5cm、寬5cm的被稱為“lavacrete”的可延展型混凝土基線材料,并將其硬化成墻。

Icon公司目前正在51英畝(注:1acre=4046.873m2 )土地上為美國奧斯汀東北部地區的無家可歸者打印數十套房屋,并為墨西哥塔巴斯科小鎮約50個家庭提供房屋。雖然Vulcan II減少了建造房屋的工作量,但建造過程并非一步到位,工人仍然需要打下地基并安裝屋頂。3D打印房屋除了能節省時間外,與其他低成本住房相比,它還能夠打印平滑曲線和傾斜墻壁以實現其更自由的設計。

在另一項大規模應用中,總部位于美國加利福尼亞州洛杉磯市的Relativity Space公司開發了一種名為“Stargate”的3D打印機,用于建造幾乎不以地面為基礎的物體,即30m高的火箭飛船。Relativity Space公司計劃用3D打印技術打印第一枚火箭的整個生產線,即Terran-1,但不包括電子設備、電纜和少量活動部件。相比之下,SpaceX、Blue Origin和其他公司也使用3D 打印技術,但僅用于生產部分零件。Relativity Space公司與許多衛星運營商簽訂了發射有效載荷的合同,并同意他們使用美國國家航空航天局位于密西西比州漢考克縣的John C.斯坦尼斯航天中心的兩個測試設施。該公司還獲得了從美國佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地的“Launch Complex-16”發射“Terran1”火箭的權利,其中第一枚火箭有望在2021年發射。


Relativity Space公司(總部位于美國加利福尼亞州洛杉磯市)的 Stargate 3D打印機使用定向能量沉積制造巨大的金屬物體,如火箭的燃料箱和發動機。打印機高9 m,且具有3個龐大的機械臂。一只機械臂使用強大的激光來熔化金屬絲,金屬絲會逐層沉積以形成火箭的零件。另外兩只機械臂用于固定工具以完成打印的部件。來源:Relativity Space公司,維基共享資源(CC BY-SA4.0)。

盡管火箭通常由數千個單獨的零件組成,但Relativity Space公司設計的零件卻合并了一些部件,這些部件通常是被分開制造然后組裝的。所以,他們的火箭零件數量將是同類火箭的零件數量的1/100。更少的零件意味著更少的接口和更少的出錯機會。此外,盡管大多數制造商必須重新配置其設備以制造額外的硬件,但Relativity Space公司只需要在打印機軟件中運行一個新程序即可創建下一個零件。而且與傳統的火箭制造相比,該公司的3D打印機進行設計更改也更容易且成本更低。

“一般,航天工業要規避風險,相較于創新,更希望有更多的信心實現成功發射。”安全世界基金會私營部門項目主任Ian Christensen說,該基金會總部位于美國科羅拉多州布魯姆菲爾德市,其致力于促進和平可持續的外層空間的利用。“像3D打印火箭這樣完全新穎的東西,市場將如何反應,這是一個懸而未決的問題。”

僅僅因為現實中3D打印已經開始滿足人們對它的期望,但人們仍有更多雄心勃勃的目標。Relativity Space公司不僅不滿足于通過制造火箭將衛星送入軌道,還著眼于將打印機運送到火星,以便在火星上打印火箭,從而將土壤樣本送回地球。“這種采樣返回的概念在理論上是有趣的,但幾乎可以肯定,它需要與政府的太空探索和行星科學項目相結合,而這些項目進展緩慢。”Christensen說,“像在技術方面的挑戰一樣,這一概念在政策及體制方面也面臨著挑戰。” 

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