3D列印：一場製造革命

3D列印：一場製造革命

文/方明赫

3D列印

汽車、美食、服裝、房子……你能想像得到這些東西都是列印出來嗎？越來越多的事實表明，3D印表機已不再是設計師和科學家的專屬機器，它正逐步從實驗室和工廠走出來，對普通人的生活產生越來越大的影響。

3D列印的各種物體

什麼是3D列印

3D列印也被稱為「增材製造」，是一種以數據設計文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，將材料逐層沉積或黏合來構造成三維物體的成型技術。

3D列印與傳統製造業的主要區別在於產品成型的過程上。傳統的製造業的整個製造流程通常需要經過開模、鑄造、切割、組裝等過程，而3D列印則能實現一次成型，免去了複雜的加工過程。另外，3D列印製造複雜物體而不增加成本。對於傳統製造，物體形狀越複雜，製造成本越高；而對3D列印而言，製造形狀複雜的物品成本不增加，製造一個華麗的形狀複雜的物品並不比列印一個簡單的方塊消耗更多的時間或成本。因而，3D列印可以實現一些傳統製造無法達成的設計，製作出更複雜的結構。3D列印技術可以幫助人們提高對個性化產品的生產能力，同時為工程師和設計師提供了一條嶄新的設計製造途徑。

3D列印的水泥產品，使用傳統的水泥澆灌技術不可能造出內部的中空管道

目前，3D列印技術正在與信息、材料、生物、控制等技術融合滲透，這將對未來製造業生產模式與人類生活方式產生重要影響。

3D列印技術的發展

3D列印思想起源於19世紀末的美國。19世紀末，美國研究出了的照相雕塑和地貌成形技術，隨後產生了列印技術的3D列印核心製造思想。

現代意義上的3D列印技術誕生於上世紀80年代。雖然早期已有相關專利發布，但並未實現商業化。1986年，Charles Hull研發的3D列印技術獲得專利，命名為立體光刻技術，隨即成立了3D Systems公司，開發出第一台商用3D印表機。

以3D Systems和DTM公司為代表的一批美國中小科技公司在20世紀80年代末至90年代初相繼研發出立體光固成型（SLA）、選擇性激光燒結（SLS）和熔融沉積成型（FDM）等主流技術路線。

得克薩斯大學的Carl Deckard和Joe Beaman發明第一台選擇性激光燒結印表機的相關報道

經過20多年的沉澱和不斷完善，各種3D列印技術日臻成熟，3D印表機的價格逐漸下降，其應用範圍也逐漸擴大。

3D列印技術原理

3D印表機的工作原理主要有兩大類，第一類是通過沉積原材料層製造物體，第二類是通過黏合原材料製造物體，分別稱為選擇性沉積列印和選擇性黏合列印。

選擇性沉積印表機所用原材料可以是遇到列印台就會變硬的軟塑料、原始的餅乾麵糰或是特殊醫療凝膠里的活細胞。在列印頭正式工作前，3D列印過程其實已經開始了。3D列印的第一步是定位軟體設計文件。用戶需要事先將設計文件保存為能被3D印表機的內置軟體讀取並使用的特殊格式，該文件可以告知3D印表機的內置軟體需要列印什麼。印表機固件讀取設計文件的同時，它將計算出列印頭的機械路徑和動作。例如，列印頭在什麼位置沉積出外形的輪廓，以及在不同位置噴射多少材料等。隨後，物理列印過程就開始了。列印頭通常沿著一系列的水平、垂直軌道（工程師們稱作「桁架」）移動。沉積第一層時，列印頭先勾勒出要列印物體的輪廓，然後列印頭來回掃描以填充輪廓。第一層列印完成後，列印頭會略微抬起，然後回落並開始第二層列印。3D印表機持續重複該過程，直至列印出設計文件所描繪物體的每個橫截面，這一過程可能持續幾小時甚至數天。

熔融沉積3D列印，列印頭將塑料融化成半液態，擠出後固化

早期的商業印表機大多使用選擇性黏合列印工藝，該方法中的立體光刻和激光燒結應用較為廣泛。

立體光刻是最早商用的3D列印方法之一。一個裝有液體光敏聚合物的小桶放置於印表機內部，這種聚合物暴露於UV激光下會硬化。印表機在聚合物表面掃出激光，激光掃描循著所列印形狀的輪廓和橫截面逐層進行。每次激光掃描後，可移動的檯面會將已列印的部分下沉一定距離。列印好的部分下沉到液體中，新的光敏聚合物覆蓋其頂部。有些印表機以相反的方式工作，激光向上瞄準聚合物，然後抬起列印的物體使其底部被新鮮液體浸沒。物體通過該方法3D列印出來後，還有需要進行後處理。多餘的材料要洗掉，有些物體表面還需手工打磨，有時還要根據需求將物體進一步固化。

UV激光循著連續的橫截面形狀掃描，被固化的部分從液體聚合物中抬起

立體光刻的優勢在於激光作業快速、精確。多束激光可並行工作，其解析度比擠壓式3D列印頭更高。缺點是光敏聚合物粉塵通常有毒，而且光敏聚合物並不像工業使用的熱塑性塑料那樣結實耐用。

選擇性激光燒結採用的技術與立體光刻類似，但使用的不是液態光敏聚合物，而是粉末。這種印表機以高功率激光束在粉床表面掃描，激光照射到的粉末融化，隨後印表機內部的滾筒在粉床頂部刷上一層新的粉末並將列印台降低。由於大部分原材料都可製成粉末形式，因此其應用範圍更廣。該工藝的缺點是製造的物體內部往往存在孔隙、表面不夠光滑。由於某些粉末處理不當會引發爆炸，所以選擇性激光燒結印表機必須使用氮氣填充密封腔。

目前面臨的限制

3D列印技術的特點使其在製造複雜結構方面具有巨大優勢，但相對於傳統製造過程，目前存在的一些不足限制了3D列印的大規模應用。

材料限制：可以用來3D列印的材料有限，目前使用最廣泛的是熱塑性塑料。雖然金屬、陶瓷等材料也可實現3D列印，然而在多數情況下，強度和精度上還遠遠達不到要求。可選用材料的範圍是制約3D列印技術發展的一個重要因素。另外一個材料上的制約因素是，目前的3D印表機大多只能列印單一材料。對於製造由多種成分組成的複合材料，3D列印的能力還明顯不足。從更長遠的角度看，3D列印技術的核心是具備多元材料同時列印的能力。

生產效率：3D列印採用逐層製造的方式，在生產中效率低下。對於同樣尺寸的產品，傳統的注塑機僅需幾秒鐘，而3D列印往往需要耗費數小時甚至幾天。3D列印的優勢是不需要模具，因而在極小批量生產上，能夠明顯縮短製造時間。然而，對於大批量製造，目前的3D列印還不具備競爭力。

製造成本：目前大多數工業產品都有現成的加工流程和產業鏈，各部分成本均已得到優化，而3D列印的產業鏈尚不完整。雖然3D列印的耗材用量雖然少，但用於3D列印的原材料需要較高的製造工藝，因此其材料成本反而增加。另外，較低的成品率以及列印件後處理，同樣會將生產成本提高。

3D列印件的後處理，去除支撐結構與清理粉末

綜上所述，3D列印技術是革命性的，但不是顛覆性的。3D列印在短期內不可能取代已有的生產組織結構，但可以極大提高現行工業體系的效率。

未來展望

1. 生物列印

3D列印具有高度定製化的特點，這使其在未來的醫療領域擁有巨大的發展潛力。3D生物列印的最終目標是整合醫學、工程學、生物學的相關技術，來「列印」出一個跟人的組織或器官完全相同的替代品，用於組織修復和器官移植。

康奈爾大學研究團隊3D列印的心臟瓣膜

目前，以少數特定種類的活細胞為原材料的3D列印技術已經能夠實現。然而，並不是所有種類細胞都可以在體外分離進行培養，也不是所有細胞都能夠經歷了3D生物列印的環境之後還能夠保持自身的生物活性。另外，絕大多數器官都不是由單一細胞組成的，如何精確控制生物材料、細胞、生長因子在整體3D結構中的位置和互相作用，使之與列印出的器官具有相近的生理活性，都是短期內難以解決的問題。

2. 太空製造

由於地球與太空之間存在巨大的運輸成本，若宇航員能夠在軌製造所需的產品，則可大幅提高空間站實驗的靈活性，減少空間站備品備件的種類、數量和運營成本，降低空間站對地面補給的依賴性。而 3D 列印技術是太空生產的關鍵性技術，也可能是太空產業化之路的關鍵所在。

2014年，第一台太空3D印表機在國際空間站上安裝成功。2016年，中科院重慶綠色智能技術研究院與中科院空間應用中心歷經兩年多的努力，成功研製出國內首台空間在軌3D印表機，並完成拋物線失重飛行試驗。

由Made In Space公司研發的3D印表機在國際空間站中完成了首次列印任務

未來進行太空開發，如果能夠就地取材，使用3D列印技術利用小行星材料進行基地建設，將極大地提高人類對宇宙的探索能力。

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