3D打印技術的最新應用

海川

3D打印技術是基于離散—堆積的成形原理，以數字模型文件為基礎，運用線材、光敏樹脂、陶瓷、粉末狀金屬、生物活性等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術，也稱為“增材制造”。

近幾年，全球3D打印產業發展勢頭十分迅猛。2009年以來，其年增長率達到20%以上；2017年，全球3D打印市場已超過70億美元；預計2025年，將達到500億美元。中國從2012年起大力發展3D打印產業，2017年市場規模已達12.6億美元，年復合增長率達到70%，預計2025年有望突破150億美元。

目前與3D打印相關的中國企業有500多家，分布于3D打印設備、材料、制造應用、服務平臺、關鍵核心零部件等整個產業鏈。3D打印產業的快速發展將主要影響航空航天、國防軍工、生物醫療、工業制造、工程建筑、日用消費品、文化創意等領域，對中國制造業轉型升級和經濟邁向高質量發展階段具有重大而深遠的作用。

從全球競爭格局的變化來看，3D打印正處于從野蠻生長走向成熟發展的階段。隨著材料、效率這兩大瓶頸的逐漸突破，3D打印將不再是未來制造業、服務業和消費領域的配角，甚至可能像智能手機一樣，成為不可或缺的標配。

業內專家表示，中國3D打印市場規模廣、應用潛力大，有望成為3D打印大國甚至是強國。未來的智能制造模式將是：人工智能+物聯網+大數據+3D打印。

航天軍工領域

3D打印產品首次在嫦娥四號中繼星實現在軌應用。2018年7月，我國探月工程中承擔著對地對月測控、數傳中繼的重要衛星——嫦娥四號中繼星成功抵達地月L2點的Halo使命軌道。據悉，該衛星上搭載的產品中包含中國航天科技集團有限公司五院529廠采用3D打印技術研制的多個復雜形狀鋁合金結構件，標志著其實現了首次在軌應用，開啟了該廠3D打印技術在型號工程化應用的新紀元。

作為先進制造技術的重要發展方向之一，3D打印技術一直備受航天科技關注。4年間，529廠先后完成了鋁合金、鈦合金等材料激光選區熔化成型的工藝鑒定，突破了多項關鍵技術，獲得了激光選區熔化成型技術的上星許可。本次星上搭載的3D打印產品全部采用拓撲優化構型，通過與輕量化設計技術的結合，零件重量大幅降低，承載比有效提升，3D打印的技術優勢得到了充分發揮。

目前，529廠的3D打印技術已在載人航天、深空探測、遙感、通信等多個領域的正樣、初樣產品研制中得到廣泛應用。529廠還通過與地方政府部門合作，先后建立了重慶永川和山西武鄉宇航智造技術研究院，著力打造基于工業互聯網的3D打印智能制造平臺。

美國科學家3D打印硅化鈾核燃料。據鳳凰網報道，來自美國愛達荷國家實驗室（INL）的科學家將3D打印和傳統工藝二者結合，并且已經成功地制造出了硅化鈾（U3Si2）核燃料。

當前大多數核電廠使用的核燃料是UO2（二氧化鈾）。但與之相比，U3Si2的密度更大，導熱性更好，能提高核反應堆的安全性和效率。所以，INL的主要研究方向都放在U3Si2上面。

INL的這項研究名為AMAFT，是由Isabella Van Rooyen博士、Clemente Parga博士，以及電廠建設公司Ed Lahoda of Westinghouse聯合發起的，采用研磨（傳統的鈾礦石處理方法）和“激光塑形”3D打印這兩種工藝。而在實驗中，INL已經用這種方法制造出了質密的U3Si2小球，具體步驟是首先通過激光創建一個熔融池，然后混合U3Si2和其它原材料粉末。

和傳統方法相比，這種新方法大大減少了將生鈾轉化為可用材料的速度，所以速度更快，成本也更低。另外，它還有一個優點，就是通用性強，即能處理任意的鈾原料。也就是說它可以被用于很多方面，使用起來有很強的靈活性，允許他們使用多種原材料。

該項目已經得到了美國能源部（DOE）的支持，AMAFT已經順利地邁上了商業化的道路。相信要不了多久，它將被正式投入到實際使用當中。

汽車制造領域

全球首個3D打印電動汽車。2010年11月，世界第一輛由3D打印機打印而成的汽車Urbee問世。最近，意大利電動車制造商XEV公司宣布將與中國3D打印機材料企業Polymake公司合作生產3D打印電動車LSEV，這將是世界上第一款量產的3D打印電動汽車，這輛車的制造周期大約為3天，車子最高時速達到43英里/小時，單次充電可累計行駛93英里，一輛完整車子的重量僅有450公斤。

日本本田最近也制造了一款單座式電動車，其車身幾乎是由3D打印鑲板構成的，現在主要用于送餅干，但本田表示，該車型適合量產。

雖然現在還沒有3D打印電動汽車的具體配置數據，尤其是安全性的數據，但對于這種先進技術甚至有可能顛覆制造業的技術，我們應該抱有一顆開放的心來接納它。從目前知道的幾款3D打印電動車來看，他們都集中在小型化、低速化領域，相信在未來1—2年內肯定會有3D打印電動汽車的相關數據，比如車輛的安全性、操作性、舒適性等。

3D打印電動汽車現在還處在起步階段，對于后續車輛的安全試驗、乘坐體驗都會有所規定和報道，讓消費者信任的車輛才會有市場，所以從長遠來看3D打印電動汽車會越來越規范。

寶馬批量應用金屬3D打印車頂支架。2018年8月14日，德國汽車公司寶馬集團（BMW Group）因其3D打印金屬敞篷車頂支架，獲得2018年Altair Enlighten獎。

該獎項在密歇根州的汽車管理簡報研討會上頒發，旨在表彰輕量級技術的巨大進步。據稱該3D打印金屬敞篷車頂支架是生產系列車輛中使用的第一個3D打印金屬部件，使用在BMWi8敞篷車中。一方面拓撲優化后支架減重44%；另一方面設計的結構在打印過程中無需支撐，而且目前已經批量生產，可以一次打印超過600個支架。

在實施3D打印技術之前，寶馬集團金屬增材制造主管Maximilian Meixlsperger花了十年時間開發車頂支架設計。采用選擇性激光熔化（SLM）技術（3D打印技術的一種）后，金屬車頂支架在三個月內為BMWi8Roadster生產。

此外，法國高性能汽車制造商布加迪（Bugatti）也不甘示弱，為其最新的超級跑車布加迪威龍（BugattiChiron）打造了3D金屬制動鉗。這種鈦組件使用SLM500機器進行3D打印，工作持續45小時。

房屋建筑領域

3D打印60平米住房，用時僅1天。在建筑領域，3D打印的低成本建造方式將有助于降低房屋造價。據《財富》報道，今年3月份，一家名為ICON的美國德克薩斯州創業公司在SXSW大會上公布了利用3D打印技術建造一幢650平方英尺（60.4平方米）房屋的計劃。

The Verge刊文稱，ICON的3D打印房屋材質為水泥，利用大型3D機器人“打印”，只需1天即可完成。最重要的是，這幢房屋的造價僅為1萬美元（約合6.3萬元人民幣），合每平米約1000元。ICON希望最終能把造價降低至4000美元。

ICON致力于為全球約12億沒有適當住房的人群提供物美價廉的房屋。它將首先在位于中美洲地區的薩爾瓦多建設這種房屋，計劃在2019年建造100幢。ICON希望未來將其3D打印房屋技術普及到更多國家。

但是，為了3D打印房屋，ICON需要繪制相關圖紙，然后將圖紙輸入計算機，由計算機“指揮”其巨無霸打印機建造房屋。據The Verge稱，ICON的3D打印機能建造面積至多為800平方英尺（74.3平方米）的房屋，首個戶型有一間客廳、一間臥室和一個盥洗室。房屋還帶有走廊。

許多業界專家稱，3D打印技術正在引發產品生產方式的革命，未來將繼續推動產品生產方式的變化。3D打印機能使用諸多材料包括食材、水泥等來生產3D結構。

生物醫療領域

全球首例3D打印人類眼角膜問世。2018年5月30日，英國紐卡斯爾大學研究人員在《實驗性眼研究》雜志上報告，他們混合健康人士所捐贈的眼角膜干細胞、藻酸鹽和膠原蛋白，制造出能用于3D打印的“生物墨水”，利用3D打印技術在不到10分鐘的時間里成功打印出人工眼角膜，且打印出的眼角膜里，其干細胞擁有繼續發育的功能。

根據世界衛生組織相關數據，世界上有超過1000萬人的眼盲是由角膜病引起，為導致眼盲的第二大原因，僅次于白內障，而其中80%可以通過角膜移植手術脫盲。我國角膜病致盲患者約400萬人。由于我國角膜供體資源匱乏，角膜移植總量少，每年僅有約5000名患者得到有效治療。

機構預測，角膜修復材料剛需患者每年新增7萬人左右，存量患者約為200萬左右，角膜值片價格約為1.5萬元，剛需市場空間至少為10億元，再疊加部分存量患者人群的滲透，整體市場空間可達百億元。

3D打印定制鏡片配角膜。角膜“變形”患者未來可能戴上3D打印的定制眼鏡。北京同仁醫院視光中心副主任宋紅欣博士正嘗試利用3D打印技術制作“自由曲面”的定制鏡片。

普通鏡片表面是圓滑的凸起，“自由曲面”意味著突破這種規則光滑面，呈現出不規則的鏡面形狀，根據每個人的角膜形狀，做到精準折射光線、矯正視力。3D打印鏡片能精確吻合角膜形狀，起到“量身定制”的效果。

這一靈感源自美國NASA自適應光學系統。星星會“眨眼”是常見的光學現象。由于大氣湍流不斷變化，星星發出的光芒在穿過大氣層時受到影響會時隱時現，影響天文觀測。為抹平“噪點”，NASA將自適應光學系統用于天文望遠鏡——由可自由活動的多個小鏡片組成一塊大的變形鏡，變形鏡接收到系統發送的像差信號后會自行調整鏡面、矯正像差，讓星星不“眨眼”。

3D打印眼鏡，相當于一個縮小的“變形鏡”。其設計圖來源于每名患者各自的角膜形狀，打印機根據“地圖”，通過噴射液體的方式，一層層地將完全吻合個體角膜形狀的鏡片打印出來。目前，宋紅欣博士已初步實現自由曲面鏡片的高精度制造。

宋紅欣表示，傳統制鏡工藝未必不能做到這一點，但在個性化需求面前市場化變得不現實。每位患者角膜形狀不同，鏡片的曲面也不同，意味著每一片鏡片都要單獨模型、單獨流水線制作，產品將是天價。3D打印的優勢，正在無需額外成本就能實現精細制作。但由于經驗不足，材料上的難點仍待突破，他們現在使用的光敏材料在固化中會發生形變，影響折射效果。

3D打印神經支架可以幫助治療脊髓損傷。明尼蘇達大學的研究人員花費兩年多時間開發出一種3D打印導向裝置，可以幫助長期脊髓損傷的患者恢復身體的部分功能。明尼蘇達大學的研究人員開發了這種帶有活細胞的3D打印設備原型，可以幫助脊髓病患者恢復某些功能。設備的尺寸可以定制印刷以適合每個患者的脊髓。患者自己的細胞將印在支架上，以避免身體排斥。

據了解，3D打印的導軌由硅膠制成，可作為專用單元的平臺，然后在其上面進行3D打印。該導向器將通過外科手術植入脊髓受損區域，在那里它將作為受傷區域上方和下方的活神經細胞之間的一種“橋梁”。該裝置的目標是幫助患者減輕疼痛并恢復一些功能，如控制肌肉、腸和膀胱。

目前，美國約有285，000人患有脊髓損傷，而且每年約有17，000例新的脊髓損傷。“這是第一次有人能夠在3D打印的支架上直接3D打印成人細胞衍生的神經干細胞，并讓細胞在實驗室中分化成活躍的神經細胞。”明尼蘇達大學副教授邁克爾麥卡爾平（音譯）說。“這是開發治療脊髓損傷患者的一個非常令人興奮的第一步。”明尼蘇達大學醫學院助理教授安·帕爾說。“目前，對于長期脊髓損傷患者，沒有任何良好、精確的治療方法。”

該團隊的流程允許研究人員從成人的任何細胞開始，如皮膚細胞或血細胞，利用新的生物工程技術，將細胞重新編程為神經元干細胞。然后，工程師使用獨特的3D打印技術將這些單元打印到硅膠導軌上，使用相同的3D打印機打印導板和單元。該支架使細胞保持活力并允許它們變成神經元。該團隊開發了一個原型支架，通過手術植入脊髓受損部位，幫助連接受傷兩側的活細胞。

這種顏色增強的圖像顯示了在3D打印過程中幸存下來的活細胞。來自成人體細胞的神經元干細胞在支架上進行3D打印，并且細胞在實驗室中分化成活性神經細胞。“我們能夠使用最近幾年開發的最新細胞生物工程技術，并將其與尖端的3D打印技術相結合。”McAlpine還描述了“精細”細胞的3D打印非常困難。“困難的部分是保持細胞的活力。我們在印刷過程中測試了幾種不同的配方，事實上，我們能夠在3D打印過程中保持約75%的細胞存活，然后讓它們變成健康的神經元，這是非常了不起的。”

3D打印助力深海生物研究。從20世紀20年代開始，對海洋生物的捕撈和研究通常依賴于針對魚類和甲殼類的“結實”的網。但是這樣的網難以對海洋生物進行精準的分類，極易導致水母等無脊椎動物脆弱的身體結構被這些堅硬的網破壞。

海蜇、章魚、海葵、海參，這些精靈般可愛的無脊椎動物靠著柔軟的身體完美適應了深海的巨大壓力，但也因此讓科學家們的研究困難重重。由于對水母等被囊類軟體生物的捕獲難度過大，這類生物的研究已經被“忽視”了很久，甚至因此被稱為“被遺忘的動物群”。那么到底如何才能在捕獲這些軟體動物的同時不傷害到他們柔軟的組織呢？

近日，受到傳統折紙技術的啟發，哈佛大學威斯學院的工程師和海洋生物學家結合3D打印技術設計了一個12面體捕獲裝置RAD，可以像折紙一樣輕松地把無防備的海洋生物包裹。這款機器的設計中存在著很多技術難點，各類小而重要的連接口；深海巨大的壓強；12個精細面板的協調等。3D打印技術的不斷發展為這些技術問題的解決提供了可能，3D打印出的裝置主體和面板完美地勝任了這項工作。目前這個裝置已經成功通過了測試，捕獲了700米深的小魷魚、水母等。

格魯伯說，在3D打印技術的幫助下設計的這款裝置，可以讓這些“被遺忘的生物”重新進入科學家的視野，幫助我們更好地了解他們在海洋生態系統中發揮的重要作用。要知道，在全球范圍內，無脊椎動物構成了超過380億公斤碳的生物量，大約占世界總生物量的7%，或超過人類總生物量的100倍。