從“鞋子”到“火箭”,！一文了解3D打印最新進展�,。ㄒ唬�

來源：河南省產(chǎn)學(xué)研人工智能研究院

3D打印正在如火如荼的發(fā)展,！我們正在經(jīng)歷著“增材制造”給我們帶來的更多的變革,�,！禢ature》雜志“News Feature”欄目以“3D printing gets bigger, faster and stronger”為題，借此機會跟著小編再來回顧一下3D打印最新進展,。本文包含以下5個部分的內(nèi)容：

（一）3D打印高分子
（二）3D打印建筑
（三）3D打印金屬
（四）4D打印
（五）技術(shù)融合

（一）3D打印高分子——更快
01 世界上最快的樹脂3D打印機
2019年10月18日,，西北大學(xué)的Chad Mirkin和George B. Rathmann教授開發(fā)出HARP（high-area rapid printing）技術(shù)，這是世界上最快的樹脂3D打印機,，得益于“液態(tài)特氟龍”（Teflon,，聚四氟乙烯）在界面上循環(huán)冷卻降低界面的熱量，從而大大提高了打印速度,�,；���0.2平方米，高度為4米的打印機床,，可以在一個小時內(nèi)打印約半米高的零件。這是3D打印領(lǐng)域的創(chuàng)造性技術(shù)革新。原本以為只能制造小型,、低質(zhì)量原型零件,，現(xiàn)在，3D打印的速度變得越來越快,，打印產(chǎn)品的體積正在變得越來越大,。與此同時，科學(xué)家們正在思考：一次打印多種材料,，如何把打印出來的材料變得更加堅固,。

02 CLIP技術(shù)：比傳統(tǒng)的光固化技術(shù)快上100倍！
3D打印技術(shù)也被稱為“增材制造”,，無需對塊狀材料切割或銑削,，也不用熔融材料澆鑄到模具中，3D打印是從下至上構(gòu)建產(chǎn)品,。它具有節(jié)約材料,、打印定制或者個性化設(shè)計產(chǎn)品的能力。業(yè)余愛好者可以通過低成本,、比較廉價的熔融沉積成型法（FDM）進行打印,，原理非常簡單：加熱噴嘴，擠出塑料3D打印線材,，逐層進行打印,。FDM有個缺點，打印完了之后需要去除基地,，并進行清洗,。

事實上，“ 3D打印”涵蓋了范圍更廣的技術(shù),。早在1984年,，3D Systems公司的創(chuàng)始人Charles Hull申請了專利，描述了使用紫外線逐層掃描并固化（光敏樹脂,，這一概念,。2015年，北卡羅來納大學(xué)教堂山分校Joseph DeSimone教授改進了這一技術(shù),，提出“連續(xù)液界制造技術(shù)（CLIP技術(shù)）,，在固液之間形成含氧 “死區(qū)”（dead zone），由于氧阻聚的作用,，靠近“死區(qū)”的光敏樹脂無法固化,，死區(qū)之上的光敏樹脂固化，并脫離液面,。通過工藝調(diào)控,，CLIP技術(shù)比傳統(tǒng)的光固化技術(shù)快上100倍,，實現(xiàn)了打印尺寸在幾十厘米級別，分辨率低于100μm,，每小時打印數(shù)百毫米的速度,。相關(guān)論文以“Continuous liquid interface production of 3D objects”為題，發(fā)表在《Science》上,。這一技術(shù)有效解決了早期打印機速度慢,、規(guī)模小、易分層,、結(jié)構(gòu)不完美和脆弱等問題,。目前該技術(shù)主要用于制作模型，澳大利亞墨爾本莫納什大學(xué)Timothy Scott評價：如果只是用于打印一些小擺件,，這并不讓人感到興奮,，如果只是這樣，那就太無趣了,。Lewis說：其他實驗室也有類似的成果,，DeSimone教授的成果更讓人印象深刻，此外還可以進行二次加熱,，增強產(chǎn)品性能,。

　　CLIP工作原理示意圖

　　CLIP技術(shù)效果

03 再提速
在DeSimone工作的基礎(chǔ)上，Mirkin等用一層透明的油代替含氧 “死區(qū)”（dead zone）,，既可以抑制聚合,，又可用于冷卻，消除反應(yīng)產(chǎn)生的熱致形變,。同時這也意味著設(shè)備不局限于受氧氣阻聚樹脂的打印,。這款打印機的打印速度比DeSimone快十倍。2019年1月11日,，密歇根大學(xué)Mark A. Burns和Timothy F. Scott合作,，他們采用了兩個光源（分別為波長365納米的UV LED和波長為458納米的Blue DLP光源），其中一個光源對樹脂進行固化,，而另外一個光源則負責抑制樹脂固化,。打印速度超過了2米/小時。通過改變兩個光源的強度比例,，研究人員可以控制光抑制區(qū)的厚度,，從而創(chuàng)建更復(fù)雜的圖案，例如打印表面有印章或�,；盏葟�(fù)雜圖案,。該技術(shù)彌補了Carbon為代表的光固化技術(shù)的缺陷，實現(xiàn)百倍速打印實體模型結(jié)構(gòu),。

　　密歇根大學(xué)的百倍速光固化3D打印技術(shù)

圖片相關(guān)論文以“Rapid, continuous additive manufacturing by volumetric polymerization inhibition patternin”發(fā)表在《Science Advances》

04 顛覆性技術(shù)--光照幾十秒,，完美雕像浮出水面
2019年3月8日加利福尼亞大學(xué)伯克利分校Hayden K. Taylor團隊開發(fā)出高速“容積3D打印技術(shù)”,，只要光照幾十秒，完美雕像浮出水面,。相關(guān)論文以“Volumetric additive manufacturing via tomographic reconstruction”為題目發(fā)表在《Science》上,。

原理：在CT機中,，X射線管在患者周圍旋轉(zhuǎn),，拍攝人體內(nèi)部器官的照片。然后,，計算機再利用這些投影重構(gòu)出一幅3D畫面,。容積3D打印技術(shù)工作原理就像反向計算機斷層（CT）掃描。

　　

工作原理就像反向計算機斷層（CT）掃描

研究人員從多個不同角度計算出物體的形狀,，然后將由此產(chǎn)生的2D圖像輸入一臺普通的幻燈片投影儀,。投影儀將圖像投射到一個裝著丙烯酸酯的圓柱形容器中。當投影儀通過全方位覆蓋的圖像旋轉(zhuǎn)時,，容器也以相應(yīng)的角度旋轉(zhuǎn),。當樹脂吸收的光子超過一定閾值，丙烯酸酯就會聚合成固體,。

優(yōu)點：(a)幾十秒后,，杯子中便3D打印出來一個人像。比Carbon的CLIP連續(xù)液面打印技術(shù),，還要快很多;(b)可以處理高粘度樹脂,，可以穿過打印盲區(qū)，這意味著它可以制造出更堅固,、更準確的3D打印制品,。

缺點：所需的樹脂必須是透明的，打印的物體必須足夠小,，才能使光線透過使其固化,。因此打印尺寸目前在1立方厘米。

容積3D打印技術(shù)

勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的材料制造工程師Christopher Spadaccini說,，這種方法已經(jīng)引起了業(yè)界的極大興趣,。究竟誰是第一個報道這項工作的？存在爭議,。Spadaccini在2019年1月5日發(fā)表了這一工作,，在此之前，洛桑瑞士聯(lián)邦理工（EPFL）預(yù)印本中報道了該概念,。拋開爭議,，Spadaccini認為該技術(shù)具有巨大的商業(yè)潛力，因為它對硬件的要求不高,，實際上,，您需要一臺像樣的投影儀和一個旋轉(zhuǎn)平臺,。

商業(yè)化進展
早在論文發(fā)表的兩年前，DeSimone在加利福尼亞州紅木城正式成立了他的初創(chuàng)公司Carbon 3D,，現(xiàn)已成為3D打印領(lǐng)域最大的初創(chuàng)企業(yè)之一,。該公司已經(jīng)在各輪融資中籌集了6.8億美元，據(jù)報道,，其估值為24億美元,。它與阿迪達斯（Adidas）簽訂了高調(diào)的合同，以制造運動鞋用的橡膠中底,，并與運動裝備公司Riddell共同為美國足球運動員生產(chǎn)定制的頭盔墊,。

Mirkin和他的同事James Hedrick和David Walker還在伊利諾伊州埃文斯頓推出了一家初創(chuàng)公司Azul 3D，促使HARP技術(shù)（高區(qū)域快速打�,。┥虡I(yè)化,，Scott和伯恩斯Burns正在準備開發(fā)商業(yè)原型打印機，并成立名為“Diplodocal”的初創(chuàng)企業(yè),，該名字源于希臘語,，意為“雙光束”。