如果3D打印在体素级别实现大规模定制，一切会怎样？

南极熊导读：当我们提及大规模定制和 3D 打印时，通常会想到个性化定制物品的形状。然而，形状本身并不能经常成为一个好的商业案例。事实上，增材制造 (AM) 的应用成本依旧太高，这也导致制造商往往会使用更便宜的替代技术，包括 CNC、激光切割和水射流切割。

如果所需的复杂几何构件只能通过增材制造完成，或者是物品足够小，那么选择 3D 打印可能是有意义的。对于助听器、牙桥和牙冠来说都是如此，定制对象的小质量是使 3D 打印具有吸引力的因素之一。实现某些物理特性的能力是 3D 打印具有决定性优势的另一个领域。例如，独特的纹理和内部晶格结构有助于骨整合和减少骨科植入物中的应力剪切。然而，3D 打印的终极梦想远不止于此。

体素级制造

如果想要 3D 打印单个体素，且每个体素具有不同的属性，那又该如何做到这一点呢？首先，需要确定3D 像素的大小（即体素），这些像素具有不同的属性集，可以以不同的比例混合。然后，打印系统在正确的位置准确地喷射（或烧结或挤出）正确的体素，从而实现梯度部分。我们可以让物品在某些区域更柔软，而在其他地方更坚硬。在整个结构的不同位置，某些东西可能或多或少是刚性的。然后我们可以构建完整的设备、电子产品、磁铁和一切（Neil Gershenfeld多年来一直以各种形式致力于此）。显而易见的是，大多数物体的完整组装可以达到体素的壁厚，而不是只制造某些1毫米薄的物品和有限的几何形状。

△Neil Gershenfeld。图片：维基百科

“工具工厂”方法

nScrypt公司推出的 "工具工厂（Factory in a Tool）"方法是目前少数几个能够在一台打印机中集成挤压、拾取和放置、铣削等优势的方法之一。他们的机器现在被用来在一台打印机内制造几乎整个纳米卫星。不难看出，任何3D打印设备都可以结合气溶胶喷射、数控、挤压和其他许多不同的工具来制造非常复杂的物体。

现在，增材制造行业的成员都在他们的技术孤岛中思考。然而，一个更开放的方法将看到更多的人关注在一台机器内混合许多工具。然后，这个设备本身也可以是一个无尘室，并负责到从包装到产品的每一个步骤。当然，Factory in a Tool并不是唯一一个可实现体素级制造的方法。

颗粒混合挤出系统

想象一个材料挤出系统，它可以智能地动态组合不同比例的颗粒。然后，它可以将这些颗粒打印成不同的细胞状填充物结构。这些结构的壁、形状和整体变化将根据部件的特性动态地进行编程。一些单元将充满空气，而另一些单元将完全被材料填满。填充模式不仅仅是在不同的层上不同，而是在整个过程中不同，从而使结构在特定的位置具有编程的硬度、柔软度和其他特性。无论是通过填充设计还是颗粒，混合不同的属性可以分配给不同的体素，提供高度的可变性。

其他变体技术

当然，通过材料喷射，我们可以在同一时间有选择地沉积不同性质的材料。这可以让人们快速而精确地沉积具有不同特性的数十亿个液滴。梯度特性和具有许多不同材料和质量的部件可以从这个过程中产生。

Rize的技术将材料挤压和喷墨结合起来，也是实现这一目标的另一种方式。类似于Aerosint的工艺也可以发挥作用。结合挤压和真空成型的选择性金属化工艺也可以使用，早稻田的多材料DLP方法或加州理工学院的碳化水凝胶灌注技术也可以使用。超精确的按需滴注可能是另一条喷墨路径，也可能是电纺的一个变种。在纳米层面，像UpNano、BMF和Femtoprint这样的公司也在进行令人兴奋的前沿工作。Atlant3D的逐个原子制造很可能是这方面的最终技术。因此，以上的例子只是说明了有几种技术路线都可以实现精确的体素级制造。

△传统的3D打印塑料结构的金属化方法与新兴的在3D打印塑料结构的选定区域沉积金属的方法对比。图片来源：早稻田大学

体素级制造的前沿领域

显然，如果能够将其中一个流程真正应用到我们的工业环境中，那将会打开新的应用市场。然而，担心体素级制造技术将来会像电影中演绎的那样，拥有自主复制意识并占领我们人类世界则是完全没有必要了。毕竟该技术仍需要很多年的时间去验证它的可行性，最终才能面向工业化。然而，即使你在这方面取得了部分进展，你也可以拥有一个非常有市场的技术。

想象一下，通过混合一些聚合物和晶格结构，对网球拍柄进行体素级定制，以减少振动、应变和伤害，同时让球员用更舒适的球拍打出更多的球。这可能会彻底改变网球、高尔夫以及其他任何球拍或俱乐部运动。想象一下，只要有一个舒适度更高的、吸水的床垫、手套或方向盘的表面就可以了。有许多表面和产品，我们可以通过一个半功能的体素级系统大大改善。

3D打印公司正在制造材料。该行业只需要一种 "发泡胶 "类型的产品就会非常成功。然而，该行业可以开发出许多发泡剂，都具有不同的特性。许多产品正在从使用金属转向使用聚合物。只要让这些商品更加舒适，就会是一个巨大的机会。同时，像工业过滤器、膜和表面这样的物品是可以改进的。因此，即使有部分工作解决方案，该行业也可以获得巨大的收入，可以推动其发展。

真正的大规模定制？

目前而言，体素级制造技术也已经有一部分走进了日常生活，例如我们可以选择使用trinckle和Twikit来大规模定制真正适合客户的东西。人们可以在每一个体素上购买一个适合他们行走、需求和脚的独特的鞋垫。3D打印可以制造出功能最强、最舒适的一切物品，而这将是在通往“全能制造”的集成制造的道路上迈出的重要一步。