伊利诺斯州西北大学ChadMirkin实验室的一台树脂打印机可以在数小时内打印出一个人那么大的结构(图像序列加速)。图片来源:西北大学

当一个金属平台从装满液体树脂的大桶中升起时，它从液体中拉出一个复杂的白色形状，就像一个蜡质的生物从泻湖中出现。这台机器是世界上最快的基于树脂的3d打印机，它可以在几个小时内打印出和人一样大的塑料结构，埃文斯顿西北大学的化学家ChadMirkin说。米尔金和他的同事在去年10月1日报道了这台机器，它是3D打印技术的一系列研究进展之一，正在拓宽这项曾被视为主要用于制造小型低质量原型零件的技术的前景。3d打印不仅变得更快，生产更大的产品，而且科学家们正在想出创新的方法来打印和创造更强大的材料，有时在同一产品中混合多种材料。

运动服装公司、航空和航天制造商以及医疗设备公司都渴望从中获利。马萨诸塞州剑桥市哈佛大学(HarvardUniversity)材料科学家詹妮弗刘易斯(JenniferLewis)表示:“你不会坐在家里，很快就能打印出你想要修理的汽车，但大型制造企业确实在采用这种技术。”。

最新的技术对研究人员来说可能是有利可图的，其中许多人——刘易斯和米尔金就是其中之一——已经在把他们的研究成果商业化。谢菲尔德大学的冶金学家IainTodd说:从根本上来说，它们也是令人兴奋的。“我们可以从这些我们认为无法获得的材料中获得性能。这对于一个材料科学家来说是非常令人兴奋的。这让人们习惯了新的怪异。”

从饰品到产品

3d打印技术也被称为三维打印打印技术，因为它不是从一个较大的石块中切割或铣削出一个形状，也不是在模具中浇铸融化的材料，而是从下往上建造物体。它的优点包括减少浪费和打印定制设计的能力，如复杂的格子结构，否则很难创建。低成本的业余机器通过从加热的喷嘴中挤出细塑料丝来打印，一层一层地形成一种结构----这种方法被称为熔融沉积成型。但是3d打印这个术语包含了更广泛的技术。其中最古老的一种使用紫外线激光扫描和固化(或“固化”)光敏树脂，层层。这个概念可以追溯到年，查尔斯·胡尔2在一份专利文件中描述过，他是南卡罗来纳州岩石山一家名为3d系统的公司的创始人。

包括Mirkin在内的最新技术仍然使用光敏树脂，但速度更快，规模更大。年，位于ChapelHill3的北卡罗来纳大学教堂山分校的化学家和材料科学家JosephDeSimone领导的团队报告了这方面的改进。早期的打印机速度慢，规模小，容易产生分层，不完善和薄弱的结构。这些公司在快速成型找到了自己的生存空间，用传统方法制作塑料模型零件作为后期生产的模型。作为一个研究领域，这种印刷并不令人兴奋，澳大利亚墨尔本蒙纳士大学的聚合物科学家TimothyScott说:“基本上是制作小饰品和小玩意儿。对于一个聚合物化学家来说，这实在是太无聊了。”

年，北卡罗来纳大学教堂山分校的JosephDeSimone公布了一项加速3d打印的技术。图片来源:Carbon3Dinc.。

随后，DeSimone公布了一种打印光敏树脂的方法，其打印速度比传统打印机快倍。它使用了一个浸泡在树脂缸中的舞台。数字投影机通过大缸地板上的一个透明窗户将一个预先编程的图像向上照射。这种光一下子就能固化整个树脂层。德西蒙的进步是使窗户透氧。这样可以阻止固化反应，并在窗户表面上方形成一层薄薄的缓冲层，或者说是“死区”，这样每次打印时，树脂就不会粘附在大桶底部。工作台不断上升，当底部增加新的层时，将完成的部分通过液体向上拉。

刘易斯说，当时其他实验室也在研究类似的概念。但也许最令人印象深刻的是，DeSimone的树脂可以在印刷后的热处理中进行二次反应，以增强成品的强度。“它开辟了一个更广泛的材料阵列，”刘易斯说。

许多研究小组和公司已经在这项工作的基础上进行了改进。米尔金的打印机将一层透明的油泵过容器底部，以抑制聚合物的反应。这也起到冷却剂的作用，消除可能使印刷零件变形的热量ーー这意味着这种设备不仅限于使用被氧气抑制的树脂印刷。他说，这种打印机生产材料的速度是德西蒙的十倍。去年一月，Scott和他在安阿伯密歇根大学的同事MarkBurns报道了一种打印机，这种打印机通过在树脂中混入一种化学物质来抑制反应，这种化学物质可以被另一盏发出不同波长光的灯激活。通过改变两个光源强度的比例，研究人员可以控制光抑制区的厚度，从而创造出更复杂的图案，比如印有印章或标志的表面。

3d打印领域的发明往往具有快速的商业潜力:一些研究人员在公布他们的进展之前就开始组建公司。例如，在DeSimone的论文发表的同一天，他在加拿大温哥华的一个TED演讲上展示了这篇论文，并在雷德伍德城正式创办了他的初创公司Carbon3D，尽管两年前他已经悄悄注册了这家公司。该公司现在是3D打印领域最大的创业公司之一;它已经在公开披露的融资回合中筹集了6.8亿美元，据报道估值为24亿美元。该公司与阿迪达斯签订了高调合同，为运动鞋生产橡胶中底，并与体育用品公司Riddell签订合同，为美式橄榄球运动员定制头盔衬垫。

碳3D技术用于印刷阿迪达斯的鞋子(左)和美式橄榄球头盔的填充物(右)。图片来源:Carbon3Dinc.。

米尔金和他的同事詹姆斯·赫德里克和大卫·沃克也在埃文斯顿启动了一个名为Azul3d的初创公司，将他们的技术商业化，他们称之为HARP(高区域快速印刷)。斯科特和伯恩斯正在准备一个商业原型打印机与他们的安阿伯市的初创企业梁多卡尔，这个名字来自希腊语的“双光束”。

新的树脂印刷技术仍在出现。一个开始与一个小纺纱玻璃保持液体树脂。当玻璃旋转时，一台投影仪将一个与所需物体的2D切片相对应的视频循环放映到玻璃上。几秒钟之内，最终物体在液体树脂内凝固，没有必要的层数。这种方法的灵感来自于x射线和计算机断层扫描，计算机断层扫描成像一个固体物体的横截面。这是相反的:反向投影截面形成一个3D对象。

一个放映机将一个视频循环放到液体树脂上，这样一个完整的物体就可以一次性创建出来，而不是一层一层地创建。图片来源:加州大学伯克利分校

即使在这个快速发展的领域，这项技术也让刘易斯称之为“惊人因素”的东西大为改观。它有明显的局限性:使用的树脂必须是透明的，印刷物必须足够小，以便光线穿过它来固化它。但它也有一个潜在的优势:它可以处理高粘性树脂，其他树脂基打印机努力通过狭窄的死区吸。这意味着它可以制造更坚固的材料和更精确的照片。

这种方法已经引起了工业界的极大兴趣，ChristopherSpadaccini说，他是加利福尼亚州劳伦斯利福摩尔国家实验室的材料和制造工程师。斯帕达奇尼是去年一月发表这项研究成果的团队成员之一。洛桑联邦理工学院的一个研究小组独立开发了同样的概念，并且报告了它的演示。斯帕达奇尼认为，这项技术具有巨大的商业潜力，因为它的硬件需求不高。“最后，你真正需要的是一个半像样的投影仪和一个旋转舞台，”他说。

变大

虽然化学家们正在研究更聪明的方法来打印复杂的树脂，但工程师们正在推动混凝土3D打印的边界ーー利用计算机和机器人精确地自动化浇注过程。

一座3d打印的混凝土人行天桥，由清华大学开发。图片来源:imaginechina/shutterstock

世界上第一座3d打印混凝土人行天桥是由西班牙巴塞罗那加泰罗尼亚高级建筑研究所的研究人员制造的，年安装在阿尔科文达斯的一个公园里，靠近马德里。桥长十二米，采用网格结构设计，算法最大化强度，减少材料需求量。其他研究小组也制造了类似的结构，包括中国上海的一座26米长的桥梁，由北京清华大学大学的工程师制造。中国和荷兰的团队和公司也有3d打印的演示房。

然而，这些结构并不是在一个打印作业中构建的:单独的片段先打印，然后连接。3d打印技术可以降低桥梁和房屋的成本和效率，从而减少混凝土的碳足印，但也可以鼓励工程师们建造更多的混凝土。

不仅仅是混凝土正在发展壮大:阿姆斯特丹的MX3D公司已经用不锈钢打印出了一座桥。该桥于年首次公开展示，目前正在测试中，传感器已经提前安装在阿姆斯特丹运河上。

图为MX3D打印机在打印金属桥过程中的情景。图片来源:Olivierdegruijter/mx3d

位于洛杉矶的加利福尼亚初创公司RelativitySpace表示，该公司正在建造一枚几乎完全3d打印的火箭。该火箭的设计是将公斤的物体送入低地球轨道，它的首次试射定于年。相对论空间公司的首席执行官蒂姆·埃利斯说，印刷金属并不总是具有与非印刷金属相同的散热性能，但是印刷过程可以在几何体中增加冷却通道，而这些通常是无法制造出来的。因为火箭只用过一次或者可能只用过几次，所以从长远来看，它们不必像飞机部件中的合金那样坚固，这些合金必须经过成千上万次的压力循环才能抵抗失效，埃利斯说。

初创公司RelativitySpace的一台金属打印机，该公司的目标是在年测试一枚主要由3d打印技术制造的火箭。来源:相对论空间

这些大规模的金属印刷项目是用机器人手臂建造的，机器人手臂将一根细金属丝送入激光器，激光器将材料焊接到位。其他成熟的金属印刷方法是使用激光或电子束将一层层粉末熔化或熔化成成品层。另一种技术是用液体胶水把一层粉末粘合在一起，然后在熔炉中烧结这种结构。在过去几年中设计的打印机通过喷嘴挤出熔化的金属，与FDM的方式大致相同。

波音公司、劳斯莱斯公司和普惠公司等航空公司正在使用3d打印技术制造金属部件，主要用于喷气式发动机。它可以比铣削金属块便宜，而且复杂的部件通常比传统制造的重量要轻。

但是3d打印的金属容易出现缺陷，从而削弱最终产品的质量。斯帕达奇尼和其他研究人员正在尝试利用传感器阵列和高速摄像机来监测热点或应变等不规则现象，然后进行实时调整，他说。

许多科学家也希望通过控制材料的微结构来提高印刷金属的内在强度。例如，年10月，美国的一个研究小组报告说，3d打印不锈钢使用的高温和快速冷却技术可以改变金属的微观结构，从而使产品比传统的铸造产品更加坚固。两个月前，澳大利亚和美国的研究人员报道了一种具有类似强度优势的钛铜合金。当它们凝固的时候，先前的3d打印的钛合金倾向于形成以柱状结构生长的晶粒。铜有助于加快凝固过程，从而导致晶粒变小，并向各个方向发芽，强化了整体结构。

马克·伊斯顿是墨尔本RMIT大学的材料工程师，也是这项合金研究的领导者之一，他已经与有兴趣探索这种材料用途的航空航天公司进行了对话。他说，它也可以用于医疗植入物，如关节置换。

许多金属印刷技术也可以应用于陶瓷，具有潜在的应用，包括制造牙冠或整形植入物。这些物体的模具已经通过3D打印，与材料铸造的传统方式。但是3d打印整个物体可以节省在牙医或外科医生办公室的时间。

然而，伦敦帝国理工学院(ImperialCollegeLondon)的材料科学家、陶瓷学家爱德华多赛斯(EduardoSaiz)表示，要控制3d打印陶瓷的显微结构比较困难。而且几乎所有实用的陶瓷印刷技术都涉及广泛的后印刷烧结，可以翘曲或变形的部分。“在我看来，就实际应用而言，陶瓷远远落后于聚合物和金属，”他说。

随着时间而改变

这个领域的未来还可能在于“4D打印”ーー3d打印的物体，这些物体也有能力执行一些类似于人造肌肉的机械动作。通常，这些结合形状记忆聚合物，材料可以反应的变化，在他们的环境，如热或水分。

年5月，位于苏黎世的瑞士联邦理工学院(ETH)和帕萨迪纳的加州理工学院的研究人员报告称，他们打印了一艘潜水艇，这艘潜水艇在温暖的海水中使用向后弹动的桨推动自己前进。这项工作可能导致微型机器人能够自主探索海洋。但就目前而言，每次划水后必须重新设置桨板。澳大利亚卧龙岗大学的材料工程师GeoffSpinks说，这样的设备可以利用电池电量重置自身，但这使得这种设备的效率低于传统制造的设备。他表示:“4D打印仍面临一些重大挑战。”。

另一种4d打印设备的方法是通过改变外部磁场来触发这个动作。美国研究人员发明了一种3d打印的格子结构，其中填充了一种液体，这种液体可以随着磁场的变化而改变刚度。磁场也许可以用来帮助汽车座椅在碰撞时变硬。

一种在磁场作用下会变硬的流体被注入到一个3d打印格子的空心支柱和梁中。这种材料可以做成硬的或有弹性的。图片来源:Juliemancini/llnl

其他，更多潜在的被动4d打印应用包括支架，它可以被压缩植入，然后扩展到血管中支撑它打开的所需位置。去年7月，瑞士和意大利的研究人员介绍了一种4d打印支架，它只有50微米宽，比传统支架小得多。研究小组说，这种设备非常小，有朝一日可以用来治疗胎儿的并发症，比如尿道狭窄，这有时是致命的。

也许4d打印最雄心勃勃的例子就是物质不仅会移动，而且是活的。目前，这种生物打印技术可以打印出适合实验室研究的组织，比如人体皮肤，以及已经成功植入大鼠体内的肝脏和其他器官的组织片。但是这种技术还远远没有准备好融入人体。研究人员梦想打印出功能齐全的器官，这样就可以减少器官捐献者长长的等待名单。刘易斯表示:“我个人认为，我们距离这一目标还有十多年的时间，如果有可能的话。”。

现在一起来

关于移动或变化的印刷物质的许多创造性想法依赖于将多种材料一起印刷。“这绝对是这个领域的发展方向，”斯科特说。

去年11月，刘易斯和她的实验室描述了一种打印机，这种打印机可以在不同的聚合物墨水之间快速切换，或者在打印单一物体时将它们混合。这意味着物体可以同时印刷柔性和刚性部分。刘易斯将之前多材质打印机的工作剥离出来，成立了一家名为Voxel8的公司，这是一家位于萨莫维尔的初创公司。刘易斯说，她的多材料打印机可以帮助Voxel8开发运动服装。可穿戴设备需要在关节周围具有灵活性，同时还要有刚性部件来存放电子设备。赛斯称这台打印机为“美丽的作品”，并充满渴望地补充道:“没有任何东西能像它那样用于制作陶瓷或金属。”

年3月，由亚特兰大乔治亚理工学院的材料工程师杰里·齐(JerryQi)领导的团队推出了一款四合一打印机。这种喷嘴可以喷出熔融聚合物，喷出可以被紫外线灯或激光固化的感光树脂，还有两种喷嘴可以用金属小点打印电线和电路。打印头一起工作，使集成设备的电路嵌入在一个刚性板或内部的柔性聚合物外壳。齐说，他的团队现在正与电子公司合作，这些电子公司对印刷电路板原型的速度比传统方法更快。

这并不像将四台不同的打印机固定在一个平台上那么简单:研究人员还需要开发软件，让每个打印头与其他打印头进行沟通，并跟踪进展情况。

该领域仍远未实现将大规模制造业带入人们家庭的早期愿景。就目前而言，复杂的打印机过于昂贵，难以吸引非专业人士。但是在过去的20年里，3d打印已经取得了长足的进步。托德记得，在21世纪初期，人们参观了他的实验室，观察他的技术，把金属尘埃的斑点融合在一起，来生长部件。与邻近实验室的传统铣床和金属切割系统相比，他的3d打印机给参观者留下了完全奇特的印象。“我们就像一只在酒吧里弹钢琴的狗，”他回忆道。现在，对于许多公司来说，这是标准的做法。