科研進展正在改變著這項曾經(jīng)的利基技術(shù)的面貌。

一個金屬平臺從一片液態(tài)樹脂中升起來，隨之出現(xiàn)了一個精致的白色模型——就像一個光滑的物體從一片瀉湖中逐漸現(xiàn)身。

這是世界上最快的樹脂3D打印服務(wù)，它可以在幾小時內(nèi)打印出與人體尺寸相當?shù)慕Y(jié)構(gòu)。這臺高速樹脂3D立體打印機由美國西北大學的化學家Chad Mirkin及其同事研發(fā)，并在去年十月報到了這一研究成果[1]，這是3D打印領(lǐng)域的重大突破，拓寬了這一原本只能制造小型低精度原型零件的技術(shù)的應(yīng)用范圍。3D打印技術(shù)不僅變得更快、打印尺寸更大，同時科學家們還提出一系列創(chuàng)造性的技術(shù)改進手段，研發(fā)出強度更高的材料，甚至在單一產(chǎn)品上混合了多種材料進行打印。

Chad MirKin位于美國西北大學的實驗室中有一臺樹脂打印機，它可以在幾小時內(nèi)制造出與人體尺寸相當?shù)慕Y(jié)構(gòu)。圖片來源：西北大學。

運動服裝廠、航空航天制造商和醫(yī)療器械公司都十分渴望有效利用3D打印的優(yōu)勢。哈佛大學的材料科學家Jennifer Lewis說：“雖然短期內(nèi)我們還不能在家里快速打印出修理汽車所需的零件，但這一技術(shù)已被主流制造公司采用。”

這項最新技術(shù)也有望給研究人員帶來經(jīng)濟收益，像 Lewis 和 Mirkin一樣，他們中的很多人已經(jīng)開始對自己的成果進行商業(yè)化的嘗試。英國謝菲爾德大學的冶金學家Iain Todd表示：“3D打印技術(shù)的進步可以讓我們通過超乎想象的方式來利用這些材料，這讓材料科學家們十分興奮，也將讓人們逐漸習慣于3D打印的全新事物。”

從零件到產(chǎn)品

三維打印也被稱為增材制造，與從整塊的原料切削和磨削制造或從利用熔融金屬和模具進行鑄造的傳統(tǒng)工藝流程不同，3D打印是一種自底向上的制造過程。它具有較低的材料消耗和高度的定制化能力，能夠制造像網(wǎng)格這樣傳統(tǒng)方法難以制造的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

業(yè)余愛好者使用的低成本機器通過將塑料成份的原料線源源不斷送入加熱后的噴嘴中，隨后噴嘴將融化后的塑料不斷擠出，一層接一層地向上構(gòu)建設(shè)計的結(jié)構(gòu)，這也被稱為熔融沉積成型工藝（fused deposition modelling，F(xiàn)DM）。但3D打印所涵蓋的技術(shù)遠遠不止于此，最早的方法之一就是利用紫外激光對光敏樹脂進行逐層掃面固化，這一概念可以追溯到1984年Chars Hu[2]的專利，他同時也是美國南卡羅來納州3D Systems公司的創(chuàng)始人。

最新的3D打印技術(shù)，包括Mirkin的技術(shù)在內(nèi)，仍然在使用光敏樹脂，但隨著北卡羅來納大學教堂山分校的化學家、材料科學家Joseph DeSimone領(lǐng)導(dǎo)的團隊在2015年報告出改進方法后[3]，3D打印的速度和尺寸都有了大幅提升。早期的3D打印機速度較慢，打印的尺寸較小，并且容易產(chǎn)生分層、有瑕疵的脆弱結(jié)構(gòu)。這種打印技術(shù)只能有限地應(yīng)用于快速原型設(shè)計，為基于傳統(tǒng)方法的正式生產(chǎn)制造塑料模型。作為研究領(lǐng)域來說，這種打印技術(shù)還無法令研究人員滿意，澳大利亞墨爾本莫納什大學的高分子科學家Timothy Scott表示：“用這種方法只能制造一些小零件和小玩意兒，那對于一個高分子化學家來說十分無趣。”