从“鞋子”到“火箭”！一文了解3D打印最新进展！（一）

来源：河南省产学研人工智能研究院

3D打印正在如火如荼的发展！我们正在经历着“增材制造”给我们带来的更多的变革。《Nature》杂志“News Feature”栏目以“3D printing gets bigger, faster and stronger”为题，借此机会跟着小编再来回顾一下3D打印最新进展。本文包含以下5个部分的内容：

（一）3D打印高分子
（二）3D打印建筑
（三）3D打印金属
（四）4D打印
（五）技术融合

（一）3D打印高分子——更快
01 世界上最快的树脂3D打印机
2019年10月18日，西北大学的Chad Mirkin和George B. Rathmann教授开发出HARP（high-area rapid printing）技术，这是世界上最快的树脂3D打印机，得益于“液态特氟龙”（Teflon，聚四氟乙烯）在界面上循环冷却降低界面的热量，从而大大提高了打印速度。基于0.2平方米，高度为4米的打印机床，可以在一个小时内打印约半米高的零件。这是3D打印领域的创造性技术革新。原本以为只能制造小型、低质量原型零件，现在，3D打印的速度变得越来越快，打印产品的体积正在变得越来越大。与此同时，科学家们正在思考：一次打印多种材料，如何把打印出来的材料变得更加坚固。

02 CLIP技术：比传统的光固化技术快上100倍！
3D打印技术也被称为“增材制造”，无需对块状材料切割或铣削，也不用熔融材料浇铸到模具中，3D打印是从下至上构建产品。它具有节约材料、打印定制或者个性化设计产品的能力。业余爱好者可以通过低成本、比较廉价的熔融沉积成型法（FDM）进行打印，原理非常简单：加热喷嘴，挤出塑料3D打印线材，逐层进行打印。FDM有个缺点，打印完了之后需要去除基地，并进行清洗。

事实上，“ 3D打印”涵盖了范围更广的技术。早在1984年，3D Systems公司的创始人Charles Hull申请了专利，描述了使用紫外线逐层扫描并固化（光敏树脂，这一概念。2015年，北卡罗来纳大学教堂山分校Joseph DeSimone教授改进了这一技术，提出“连续液界制造技术（CLIP技术），在固液之间形成含氧 “死区”（dead zone），由于氧阻聚的作用，靠近“死区”的光敏树脂无法固化，死区之上的光敏树脂固化，并脱离液面。通过工艺调控，CLIP技术比传统的光固化技术快上100倍，实现了打印尺寸在几十厘米级别，分辨率低于100μm，每小时打印数百毫米的速度。相关论文以“Continuous liquid interface production of 3D objects”为题，发表在《Science》上。这一技术有效解决了早期打印机速度慢、规模小、易分层、结构不完美和脆弱等问题。目前该技术主要用于制作模型，澳大利亚墨尔本莫纳什大学Timothy Scott评价：如果只是用于打印一些小摆件，这并不让人感到兴奋，如果只是这样，那就太无趣了。Lewis说：其他实验室也有类似的成果，DeSimone教授的成果更让人印象深刻，此外还可以进行二次加热，增强产品性能。

　　CLIP工作原理示意图

　　CLIP技术效果

03 再提速
在DeSimone工作的基础上，Mirkin等用一层透明的油代替含氧 “死区”（dead zone），既可以抑制聚合，又可用于冷却，消除反应产生的热致形变。同时这也意味着设备不局限于受氧气阻聚树脂的打印。这款打印机的打印速度比DeSimone快十倍。2019年1月11日，密歇根大学Mark A. Burns和Timothy F. Scott合作，他们采用了两个光源（分别为波长365纳米的UV LED和波长为458纳米的Blue DLP光源），其中一个光源对树脂进行固化，而另外一个光源则负责抑制树脂固化。打印速度超过了2米/小时。通过改变两个光源的强度比例，研究人员可以控制光抑制区的厚度，从而创建更复杂的图案，例如打印表面有印章或校徽等复杂图案。该技术弥补了Carbon为代表的光固化技术的缺陷，实现百倍速打印实体模型结构。

　　密歇根大学的百倍速光固化3D打印技术

图片相关论文以“Rapid, continuous additive manufacturing by volumetric polymerization inhibition patternin”发表在《Science Advances》

04 颠覆性技术--光照几十秒，完美雕像浮出水面
2019年3月8日加利福尼亚大学伯克利分校Hayden K. Taylor团队开发出高速“容积3D打印技术”，只要光照几十秒，完美雕像浮出水面。相关论文以“Volumetric additive manufacturing via tomographic reconstruction”为题目发表在《Science》上。

原理：在CT机中，X射线管在患者周围旋转，拍摄人体内部器官的照片。然后，计算机再利用这些投影重构出一幅3D画面。容积3D打印技术工作原理就像反向计算机断层（CT）扫描。

　　

工作原理就像反向计算机断层（CT）扫描

研究人员从多个不同角度计算出物体的形状，然后将由此产生的2D图像输入一台普通的幻灯片投影仪。投影仪将图像投射到一个装着丙烯酸酯的圆柱形容器中。当投影仪通过全方位覆盖的图像旋转时，容器也以相应的角度旋转。当树脂吸收的光子超过一定阈值，丙烯酸酯就会聚合成固体。

优点：(a)几十秒后，杯子中便3D打印出来一个人像。比Carbon的CLIP连续液面打印技术，还要快很多;(b)可以处理高粘度树脂，可以穿过打印盲区，这意味着它可以制造出更坚固、更准确的3D打印制品。

缺点：所需的树脂必须是透明的，打印的物体必须足够小，才能使光线透过使其固化。因此打印尺寸目前在1立方厘米。

容积3D打印技术

劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）的材料制造工程师Christopher Spadaccini说，这种方法已经引起了业界的极大兴趣。究竟谁是第一个报道这项工作的？存在争议。Spadaccini在2019年1月5日发表了这一工作，在此之前，洛桑瑞士联邦理工（EPFL）预印本中报道了该概念。抛开争议，Spadaccini认为该技术具有巨大的商业潜力，因为它对硬件的要求不高，实际上，您需要一台像样的投影仪和一个旋转平台。

商业化进展
早在论文发表的两年前，DeSimone在加利福尼亚州红木城正式成立了他的初创公司Carbon 3D，现已成为3D打印领域最大的初创企业之一。该公司已经在各轮融资中筹集了6.8亿美元，据报道，其估值为24亿美元。它与阿迪达斯（Adidas）签订了高调的合同，以制造运动鞋用的橡胶中底，并与运动装备公司Riddell共同为美国足球运动员生产定制的头盔垫。

Mirkin和他的同事James Hedrick和David Walker还在伊利诺伊州埃文斯顿推出了一家初创公司Azul 3D，促使HARP技术（高区域快速打印）商业化，Scott和伯恩斯Burns正在准备开发商业原型打印机，并成立名为“Diplodocal”的初创企业，该名字源于希腊语，意为“双光束”。