2016年已過半，你應當關注的12個3D列印技術創新

知識 08-19

近期，各大3D列印巨頭紛紛曬出自己的業績，幾家歡喜幾家愁，今年上半年3D列印也持續出現了一些具有突破性進展，作為階段性的節點，今天《3D列印世界》為讀者總結了今年上半年全球值得關注的前12大3D列印新技術。

德國研究所

3D列印實現金屬零部件高精度絲網印刷

3月，德國著名的Fraunhofer研究所展示了一種新的3D列印製造技術，這種技術可以實現金屬零部件的高精度絲網印刷(screen printing)，其製造的金屬零部件的一些細節是用SLM或者粉末床粘合技術不能製造的。

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其列印出來的部件直徑低至0.1毫米，其高度從幾毫米到幾厘米不等(該技術不太適於列印很高的部件)。其壁厚可以很容易地低至50微米(其最大值為1000微米)。

光固化3D列印陶瓷可耐1400度高溫

波音下屬的HRL實驗室開發出一種新技術，使用這種技術3D列印的超強陶瓷材料能夠承受超過1400攝氏度高溫。該公司認為該技術將很快用於航空航天公司。

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「我們發明了一種可兼容與光固化/3D列印的樹脂配方，這種樹脂在3D列印後經過過火可以生成緻密的陶瓷部件。」HRL公司的一名工程師Zak Eckel解釋說：「這是一個驚人的突破，因為它使我們能夠製造出任意形狀的陶瓷部件，這種部件強度非常高，而且能抗高溫。通過這種技術，我們就能夠充分利用3D列印帶來的好處，使用一種非常有用的工程材料創造出複雜的3D部件。」

CSM 3D列印技術

快速列印多種纖維材料 90英寸/分鐘

來自美國愛達荷州Alene的Continuous Composites正在開發一種顛覆性的3D列印設備，這個設備能夠使用多達16種不同材料的擠出頭，目前已經測試的材料包括碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維、光學纖維和連續的銅導線等。這款設備能夠同時列印多種纖維材料並製造出成品部件，而且列印速度可達讓人驚訝的一分鐘90英寸。Continuous Composites公司將該技術稱為連續規模化製造（CSM，Continuous Scaled Manufacturing）。

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據稱，Continuous Composites的工藝可以將幾乎任何東西列印成纖維條或管狀結構。由於不需要在製造之後再跟其他部件進行組裝，，它還能能在製造一個完整部件的時候節省時間。

新型3D列印技術

可快速原型和測試聚合物膜

6月，美國賓夕法尼亞州立大學（PennState）的研究人員開發出了一種新型3D列印技術，該技術能夠在世界上首次快速原型和測試聚合物膜，並將其列印成各種圖案以提高性能。

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團隊開發出了一種可光固化的離子聚合物混合物，並將該混合物暴露在一台光投影儀之下硬化其基層，隨後將設計好的圖案投射並選擇性地固化在其表面上。據稱，這種表面圖案能夠增加膜的電導率多達1—3個數量級（factor）。未來該研究團隊將繼續優化他們3D列印離子膜的幾何和化學特性，以及了解如何列印新的材料，即在聚合物膜之外迄今從未被列印過的材料。

NASA「氣溶膠噴射列印」

直接製造電子元件

「氣溶膠噴射列印」（又名直寫製造）這種3D列印技術是馬里蘭州格林貝爾特的NASA戈達德太空飛行中心的技術專家正在研究的項目，非常適合製造高性能電子元件，並可為NASA研究人員提供更高密集度的電子件。

氣溶膠噴射技術與常見的FDM印表機略有不同，雖然也是層層堆疊構建組件，但是整個過程使用載氣和列印頭，共同將金屬顆粒的氣溶膠沉積到列印床表面。氣溶膠噴射列印兼容少數幾種金屬材料，包括銀、金、鉑和鋁，甚至可以沉積聚合物和其它絕緣體。這種獨特的3D列印技術可以成為太空和地球上許多應用場景的解決方案，尤其適於製造NASA的探測器組件，不僅體積更小巧，而且布局更密集。

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技術專家貝絲?帕克特展示3×3英寸的陶瓷板，內置四個耐輻射數模轉換晶元，與3D列印銀墨相連。

華科大教授張海鷗

全球首批3D列印鍛件

華中科大數字裝備與技術國家重點實驗室教授張海鷗團隊研製的微鑄鍛同步複合設備創造性地將已有千年歷史的人類金屬鑄造、鍛壓技術合二為一，實現了首超西方的微型邊鑄邊鍛的顛覆性原始創新，大幅提高了製件強度和韌性，提高了構件的疲勞壽命和可靠性。不僅能3D列印薄壁金屬零件，而且能列印出大壁厚差的金屬零件，省去了傳統巨型鍛壓機的成本，可通過計算機直接控制成形路徑，大大降低了設備投資和原材料成本。

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目前，由「智能微鑄鍛」列印出的高性能金屬鍛件，已達到2.2米長約260公斤。現有設備已列印飛機用鈦合金、海洋深潛器、核電用鋼等八種金屬材料。

經由這種微鑄鍛生產的零部件，各項技術指標和性能均穩定超過傳統鑄件。同時，該技術以金屬絲材為原料，材料利用率達到80%以上，絲材料價格成本為目前普遍使用的激光撲粉粉材的1/10左右。由於這一技術能同時控制零件的形狀尺寸和組織性能，大大縮小了產品周期：製造一個兩噸重的大型金屬鑄件，過去需要三個月以上，現在僅需十天左右。

「選擇性分離燒結（SSS）」

可在月球3D列印建築

南加州大學的教授兼工程師Behrokh Khoshnevis博士開發的「選擇性分離燒結（SSS）」3D列印技術，可以製造出各種不同規格的聚合材料、金屬材料、陶瓷材料以及複合材料部件。

SSS技術利用模擬月球和火星上的材料設計出來的砂石土構建出更小的物體，像磚塊、連鎖磚以及一系列的功能性金屬元部件，可以列印出一些強度足以承受航空著陸器的高溫高壓壞境的瓦片。

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Behrokh Khoshnevis博士因此獲得了NASA舉辦的社區比賽第一名。

根據Khoshnevis博士，進一步探索太空的唯一途徑是在火星和月球上建造出公路、機庫、防爆牆、輻射屏蔽和著陸墊，結合他發明的「輪廓成型工藝」和SSS技術則有可能在外太空製造出建造基地用的大型和小型的元件。

中科院3D列印技術獲突破

速度達600mm/小時

中國科學院福建物構所3D列印工程技術研發中心林文雄課題組在國內首次突破了可連續列印的三維物體快速成型關鍵技術，並開發出了一款連續列印的數字投影（DLP） 3D印表機。該3D印表機可在6分鐘內，從樹脂槽中「拉」出一個高度為60mm的三維物體，即達到了每分鐘長高1厘米的速度，而同樣物體採用傳統的立體光固化成型工藝(SLA)來列印則需要約10個小時，速度提高了100倍。

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傳統的SLA技術採用逐層固化、層層累積的方式來構造三維物體，層與層之間需中斷光照射，然後在已固化區域表面重新覆蓋或填充精確、均勻的光敏樹脂，再進行光照射形成新的固化層，這種方式系統複雜且耗時。

該所提出了一種特殊的半滲透性透明元件，作為樹脂槽內底面的一部分，固定於列印光源的照射路徑上，該類型半滲透性透明元件對氧氣的透過率比一般高分子聚合物高，最高可達到5—10倍，因此氧氣或空氣均可作為固化抑制劑使用，從而在列印過程中實現全程固化的高速連續性，獲得最大列印速度超過600mm/h，比美國Carbon3D公司發布的連續3D列印設備速度快約20%。

「被馴服的玻璃」

六軸玻璃3D列印

儘管3D列印材料的名單一直在延長，但玻璃這種特殊的材料並沒有被納入其中。這項新工藝名為「6軸機械臂玻璃列印」，是由羅德島的玻璃藝術家Stefanie Pender和佛吉尼亞科技大學的助理教授Nathan King在2013年開始研發的。一直以來，他們都在嘗試將機器人技術融入到古老的手工玻璃製造工藝中。

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它採用的方式是將熔融態的玻璃置於上方的耐高溫坩堝中，任由其在重力作用下流出，然後通過演算法控制機械臂，令其以設定好的模式移動構建台，最後得到特定性狀的玻璃製品。研發者表示，他們開發這項技術的側重點並非商業化，而是藝術、設計和玻璃這種材料本身的結合。「這項研究證明了傳統的科技藝術非但不會被數字製造取代，反而會幫助推動和支持未來製造業的發展方向。」

金屬和低成本鐵鏽構成的3D列印油墨

美國西北大學的研究團隊近日開發出了一種全新的方法來實現金屬3D列印。據稱這種方法更便宜、更快，而且為全新的金屬材料和結構可能性敞開了大門。研究團隊發明一種由金屬或混合金屬粉末、溶劑和彈性體粘結劑製成的液體油墨。這種油墨可以在室溫下通過一個噴嘴迅速擠出，一旦擠出，這種液體油墨會瞬間凝固，可以迅速創建出比較大的對象。然後，將其放到一個簡單的窯爐里對已經形成的3D結構進行燒結。

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這種更加複雜的結構的創建得益於醫用高分子材料的使用，這種材料使得3D對象在其實際被加熱之前可以高度摺疊和彎曲——在這一階段，該3D對象被稱為綠體（green body），它們可以達到數百層厚而不會坍塌。這種新型的金屬3D列印工藝可以創建出比之前的金屬3D列印技術更加複雜的結構，並可以列印金屬氧化物比如鐵鏽等。

可直接在空中「繪製」金屬3D列印對象

哈佛大學下屬的Wyss生物工程研究所John A. Paulson工程和應用科學院（SEAS）的科學家們開發出了一種3D列印複雜金屬對象的新技術，這種技術能夠像3D列印筆那樣在空中直接「繪製」3D金屬對象。

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這項技術中使用的是一種含有納米銀粒子的墨水，這種墨水被送至列印噴嘴處，然後研究人員使用一種經過編程的激光在其剛剛擠出時對其進行退火，該激光的強度經過專門計算，剛剛能夠導致該墨水的固化。此外，其列印噴嘴沿X、Y和Z軸移動，結合旋轉的構建平台，可以實現任何曲率的自由曲面。通過這種方式，微型的半球、螺旋圖案、甚至由頭髮絲寬的銀質導線組成的一隻蝴蝶可以在幾秒鐘內被列印出來。這項技術為那些依賴於定製化的金屬結構的電子和生物醫學設備帶來了無限的可能。

瑞士微觀3D列印技術

可列印超細複雜金屬物體

與我們常見的其他3D列印技術相比，在微觀層面進行3D列印總是要面臨一些非常獨特的挑戰。從2009年以來，瑞士蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）的科學家們就一直使用一個他們稱之為FluidFM的技術系統在微觀尺度上進行3D列印。後來，他們又成立了一家名叫Cytosurge的附屬公司以將該工藝進一步擴展至不使用支撐結構製造微小、複雜的對象。

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據了解，開發出來的「列印頭」上面的小孔只有300納米（大約比人類頭髮直徑小500倍）。

那麼這麼小的3D列印是如何實現的呢？整個過程開始於一個微小的底板和微量吸管，由它們為硫酸銅溶液緩慢而持續的流動提供通道。然後該吸管會被精準移動至指定位置，一個電極會在吸管的下方製造電壓導致硫酸銅逐層沉積為固體銅。該公司CEO Pascal Behr認為這項技術在手錶、半導體、醫療設備部門的作用尤其突出。目前Cytosurge公司已經遞交了這項微觀3D列印技術的專利申請。

資料來源：網路

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