供稿|楊小娟，余冬梅，張建斌

3D打印技術的最新進展

供稿|楊小娟1，余冬梅2，張建斌1

內容導讀

最具前沿性和先導性的3D打印技術，正在深刻變革著傳統(tǒng)生產(chǎn)方式和生產(chǎn)工藝，而CLIP技術（Continuous Liquid Interface Production，即“連續(xù)液體表面制造”）顛覆了過去幾十年來逐層堆疊的3D打印方式，能在液體中直接、持續(xù)、迅速地打印。本文重點介紹了3D 打印材料、3D 打印設備的新進展，以及3D 打印技術在航空領域、醫(yī)療領域的應用與發(fā)展趨勢。

3D打印技術概述

3D打印技術作為具有前沿性、先導性的新興技術，正在深刻地改變著傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式和生產(chǎn)工藝。其獨特的“制造靈活性”和“大幅節(jié)省原材料”必將在制造業(yè)掀起一場革命[1]。

目前，人類已利用3D打印技術成功研制出多種產(chǎn)品，并且很多制造商已經(jīng)采用3D打印技術來制造零件原型，如利用3D打印機生產(chǎn)飛機零部件等，3D打印的熱潮正席卷全球[2]。

雖然3D打印技術也存在自身的問題，如“速度太慢，表面粗糙”。但是，當CLIP這一全新的3D打印技術問世以來，上述問題都輕松地得到了解決。這項技術的具體過程是這樣的：首先創(chuàng)造一個氧氣窗口，使得機器可以精確控制激光和氧來加工打印材料——光敏樹脂。樹脂在激光照射下會固化成型，而氧卻可以阻止固化形成。為了讓固化過程僅僅發(fā)生在表面，池底的樹脂溶解了氧，如此只能保持液態(tài)，這個區(qū)域被稱作“死區(qū)”。當打印完一層之后，生長平臺往上移動，從而打印下一層。此外，用它打印的物品是通過固化生長得到，比3D層狀堆疊的結構要更加堅固[3]。這項新技術被發(fā)表在2015年3月20日的期刊Science上[4]，并且由這項技術打印的“埃菲爾鐵塔”被用作此期刊的封面(如圖1)。

CLIP技術擁有以下特點：

1) 采用新材料，比如合成橡膠、硅氧樹脂、尼龍、陶瓷和可降解生物材料等，大大擴展了3D打印的材料范圍。

2) 打印速度很快，相比于其他打印技術速度提高了25～100倍，如圖2所示，CLIP技術與SLS技術(選擇性激光燒結)、SLA(光敏固化成型)、Polyjet技術的打印速度的比較。

3) 不僅能打印許多前所未有的幾何形狀，而且可以打印非常精細的物品，精度小于20 mm。

目前，Carbon3D正在完善這項全新的技術，希望今年年底能推出商用的CLIP打印機。

圖1 CLIP打印的“埃菲爾鐵塔”作為Science雜志封面

圖2 CLIP與幾種3D打印技術的速度比較

3D打印材料現(xiàn)狀

作為3D產(chǎn)業(yè)的基礎， 3D打印技術的發(fā)展讓各種各樣的材料得到了應用。一份調研報告顯示，在過去的一年中，感光性樹脂、熱塑性纖維、熱塑性粉末、金屬粉末、沙和粘結劑、焊絲和石膏這七種關鍵材料的全球市場總價值為8億美元，預計2025年將達到80億美元[5](如圖3)。而以上的7種材料將會隨著3D打印技術的發(fā)展而不斷擴充，將擴展到如導電材料、硅膠、生物材料、碳纖維、風化層、陶瓷和石墨烯等。

在選擇3D打印材料時，大部分人關注的是材料的強度。但是，韌性也是非常關鍵的因素。強度高的材料不見得韌性高，韌性高的材料也不見得強度高。此外，溫度也是影響因素之一。例如作為3D打印材料，塑料的應用技術已經(jīng)成熟。但是，由于一些自身特性使得塑料在航天航空、汽車制造、軍工等領域的應用受到了一定的限制。相較于PVC(聚氯乙烯)、陶瓷等，金屬材料由于硬度高，耐高溫等得天獨厚的特性，在3D打印原材料的發(fā)展空間將會非常巨大。但是，金屬3D打印也有一些技術難題，如金屬的熔點相對較高，金屬零部件快速成型技術較為復雜。此外，金屬3D打印成本偏高也是其主要缺點之一。

近日，美國國家航空航天局(NASA)為德克薩斯農(nóng)機大學的三名教授提供了50萬美元的創(chuàng)新補助，支持他們用增材制造技術制備鎳鈦形狀記憶合金[6](商業(yè)上稱之為鎳鈦諾)。記憶合金擁有彎曲量大、塑性高、在記憶溫度以上恢復以前形狀的特點，使得它在臨床醫(yī)療領域內有著廣泛的應用，例如人造骨骼、傷骨固定加壓器、牙科正畸器、各類腔內支架、栓塞器、心臟修補器、血栓過濾器、介入導絲和手術縫合線等等。記憶合金在現(xiàn)代醫(yī)療中正扮演著不可替代的角色。同時作為一類新興的功能材料，記憶合金的很多新用途也不斷地被開發(fā)出來。

圖3 3D打印材料市場預計于2025年將增長到80億美元

3D打印設備現(xiàn)狀

3D打印設備制造商主要集中在美國、德國、荷蘭、中國和日本等國家，并以美國為主導[7]。據(jù)高德納公司針對3D印刷的市場調研最新報告顯示，從2014年開始到2018年，全球3D打印機的銷量將以每年翻一番的速度保持增長，并將在2015年達到21.7350萬臺，約為2014年的兩倍。到2018年，全球3D打印機的銷量將突破230萬臺[8]。

近日，國外研發(fā)制造出了一臺將液體樹脂與空氣分離的液體打印機(如圖4)，它的問世有效解決了傳統(tǒng)3D打印耗時長的問題，該技術被稱為“液體3D打印技術”。此外，如果速度足夠慢，該臺打印機還能生產(chǎn)出細微米級物件。液體3D技術的問世使業(yè)內信心大大的增強了。

圖4 液體3D打印設備

3D打印技術應用

航空領域

“輕量化”和“高強度”一直是航空航天設備制造和研發(fā)的主要目標，而由3D打印制造出來的金屬零件則完全符合其對設備的要求。首先，3D打印技術集概念設計、技術驗證與生產(chǎn)制造于一體，可以快速實現(xiàn)小規(guī)模的產(chǎn)品創(chuàng)新，縮短了研發(fā)時間。通過3D打印技術打印某些零件，可以節(jié)約材料(3D打印所特有的增材制造技術能使原材料的利用率高達90%[9])，降低零部件生產(chǎn)成本，沒有復雜的傳統(tǒng)工藝，縮短制造時間，而且可以制造出形狀復雜的零部件。此外，3D打印還可以直接用于零部件的修復和制造。

據(jù)外電報道，在美國太空探索技術公司的不載人“龍”飛船向空間站運送的大量日常物資與科學實驗設備中，最令人感興趣的是一臺微波爐大小的3D打印機(如圖5)。有了它，宇航員就可以在太空“打印”零部件，制造出國際空間站30%零部件[10]，這將是人類首次在地球以外進行3D打印制造操作。同時利用3D打印按需制造零件的能力將大大提高空間任務執(zhí)行的可靠性和安全性，使成本降低好幾個數(shù)量級。太空制造公司和NASA(美國國家航空航天局)團隊設想，將來3D打印可實現(xiàn)在空間制造整個航天器，空間任務所需物資幾乎能自給自足，而且能夠在空中制造多數(shù)他們所需的零件等。3D打印機儼然成為美國科幻作家羅伯特·?？死P下的“萬能制造機”。

圖5 隨“龍”飛船上太空的3D打印機

醫(yī)療領域

隨著社會的進步，人類生活質量的提高，由疾病、先天畸形和交通事故等原因造成的器官缺損修復，已經(jīng)形成了巨大的社會需求。也成為了人體器官3D 打印或制造發(fā)展的強大推動力[6-7]。因為3D打印不僅可以為傷殘患者量身定制符合自己體型的假肢，為失去牙齒的老人打造出舒適的牙齒，為骨骼疾病患者打印出適用于人體生命特征的再造骨骼，也可以為耳聾患者移植安裝助聽器的假耳等等(如圖6)。

據(jù)統(tǒng)計，目前在歐洲，使用3D打印制造鈦合金人體骨骼的成功案例就有3萬多例。根據(jù)美國器官共享網(wǎng)絡(UNOS)統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，在美國等待器官移植的患者人數(shù)正逐年增加。截止至2014年4月10日，美國等待器官移植手術的病患已達78000余人，這將是一個需求極大的市場[10]。但由于符合要求的器官捐獻數(shù)量嚴重不足，以及術后可能產(chǎn)生的排斥性等問題，傳統(tǒng)醫(yī)療手段已無法滿足器官移植的要求。因此， 3D打印在這一領域應用前景的將會非?？捎^。

圖6 3D打印的人體器官

由上海大學快速制造工程中心胡慶夕教授團隊研發(fā)的生物3D打印機，不僅可以實現(xiàn)宏微觀結構的復合成形和微結構表面修飾，也可以實現(xiàn)滴涂、共混沉積、電噴、靜電紡絲等多種細胞直接復合接種方式[11]。此外，胡慶夕教授還介紹說，與金屬和塑料物質不同，該生物3D打印機“吃”的材料是生物材料，例如羥基磷灰石、磷酸三鈣、海藻酸鹽、明膠、骨膠原等，這些材料具有可降解和生物相容的特性，只需一次手術，就能幫助病人達到完美的修復。

德國亞琛工業(yè)大學醫(yī)院的Blaeser等人在液體碳氟化合物中打印瓊脂糖凝膠，得到像分支血管樣的中空3D結構[12]。發(fā)表在美國雜志Journal of Endourology上的一篇有關泌尿外科的文章，則主要介紹了使用3D打印技術制造的聚合物輸尿管支架，并對支架的流動特性進行了相應的評估[13]。近日，國外研究機構通過計算機X線斷層掃描技術獲取病人數(shù)據(jù)，運用3D粉末打印技術就可以為病人量身定制陶瓷植入物和支架，3D打印的生物陶瓷植入物在體外和體內都具有良好的相容性[14]。

如今通過3D打印技術打印出槍支、骨骼已經(jīng)不稀奇了。最近美國華盛頓兒科醫(yī)學中心利用3D打印技術，竟然用“塑料”打印出了全球第一顆人類心臟(如圖7)，并使這顆心臟能正常跳動[15]?！罢人ソ咂鞴?，使手術更加完美”，3D打印技術的神奇不得不讓人為之驚嘆。

圖7 3D打印的第一顆人類心臟

3D打印技術趨勢

國內3D打印技術目前與發(fā)展最為領先的美國尚有一定差距，但是無可爭議的是，像中國這樣的發(fā)展中國家將為3D打印技術帶來寶貴的增長機會。這主要是由于發(fā)展中國家的市場容量比較大，且制造業(yè)發(fā)展迅猛[16]。國內的一些知名高校，如清華大學(研究重點在生物制造領域)、華中科技大學(研發(fā)重點在不同的3D打印設備)、西安交通大學(重點在制造模具和航空航天的零部件)、北京科技大學(研發(fā)重點為金屬基復合材料3D冷打印技術)以及其他科研機構是重要的3D技術培育基地。如果政府能夠協(xié)助行業(yè)建立一個有效平臺，把高校、企業(yè)與金融行業(yè)結合起來，就可以更加快速有效地推動3D打印技術的應用與發(fā)展。

3D打印技術不僅拓展了非主流化的設計潮流，也彰顯了新時代個性化創(chuàng)造的活力與潛力[17]。雖然3D打印技術的前途一片光明，但仍是一條充滿挑戰(zhàn)的創(chuàng)新之路。展望未來，3D打印將以數(shù)字化、網(wǎng)格化為基礎，以個性化、短流程為特征，實現(xiàn)直接制造、桌邊制造和批量定制的新的制造方式。在與生物工程、藝術創(chuàng)造及消費者的直接結合中，快速生長發(fā)育，迎來輝煌燦爛的明天。

[1] 盧燕明. 探索中國3D打印工業(yè)領域應用市場. 金屬加工(冷加工), 2014(21)：21-29.

[2] 余冬梅, 方奧, 張建斌. 3D打印: 技術和應用. 金屬世界, 2013 (6): 6-11.

[3] 新型3D打印技術打印速度比普通快25-100倍. [2013-03-19]. http:// www.cailiaoren.com/article-2940-1.html.

[4] Tumbleston J R, Shirvanyants D, Ermoshkin N, et al. Continuousliquid interface production of 3D objects. Science, 2015, 347: 1349-1352.

[5] 預計十年后3D打印材料市場將達到近十倍擴張. [2014-12-11]. http://www.askci.com/ chanye/2014/12/11/134740ayc0_all.shtml.

[6] NASA給予50萬美元補貼支持3D打印形狀記憶合金. [2015-04-09]. http://www.zgtzcl.com/news/show.php?itemid=3847

[7] 李小麗, 馬劍雄, 李萍, 等. 3D打印技術及應用趨勢. 自動化儀表, 2014(35): 1.

[8] 資訊·海外視野. 中國包裝, 2015(2): 92.

[6] Yenog W Y, Chua C K, Leong K, et al. Rapid prototyping in tissue engineering : challenges and potential. Trends Biotechnol, 2004, 22(12): 643-652.

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[8] Blaseser A, Campos D F D, Weber M, et al. Biofabrication under fl uorocarbon: a novel freeform fabrication technique to generate high aspect ratio tissue-engineered constructs. Bio Research Open Access, 2013, 2(5): 374-384.

[9] 國內外3D打印技術及市場發(fā)展狀況分析.[2014-07-25].http://laser. ofweek.com/ 2014-07/ ART-240015-8420-28857090_5.html

[10] 美國龍飛船送3D打印機上太空可制造國際空間站30%零部件. [2014-09-22]. http://www.oushinet.com/ news/international/ 20140922/163835.html

[11]“生物3D打印機”使修復手術更完美.[2015-03-16].http://scitech. people.com.cn/ n/2015/0316/c1057-26696333.html.

[12] Andreas Blaeser, Daniela F Duarte Campos, Michael Weber, et al. Biofabrication under fluorocarbon: a novel freeform fabrication technique to generate high aspect ratio tissue-engineered constructs. Bio Research Open Access, 2013, 2(5): 374-384.

[13] Park C J, Kim H W, Jeong S, et al. Anti-reflux ureteral stent with polymeric flap valve using three-dimensional printing: an in vitro study. Journal of Endourology, 2015,26(3): 150326132148008.

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[15] 美國利用3D打印技術打印出全球第一顆人類心臟. [2013-06-21]. http://www.askci.com/ news/ 201306/21/2110475385057.shtml.

[16] 孟丹. 2017年全球3D打印市場需求將達50億美元. 印刷技術, 2014(7): 28.

[17] 余冬梅, 方奧, 張建斌. 3D打印材料. 金屬世界, 2014(5)：6-13.

The Latest Advance of 3D Printing

/ YANG Xiao-juan1, YU Dong-mei2, ZHANG Jian-bin1

10.3969/j.issn.1000–6826.2015.03.06

楊小娟(1990—)，女，碩士研究生，蘭州理工大學材料科學與工程學院，從事高強鋼焊接性的研究。E-mail:1085024035@qq.com。

余冬梅(1986—)，女，博士研究生，西安交通大學材料科學與工程學院，從事薄膜材料與表面工程研究。E-mail:bjyudongmei@hotmail.com。

1. 蘭州理工大學材料科學與工程學院，甘肅省有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室，蘭州 730050 2. 西安交通大學材料科學與工程學院，西安 710049

張建斌(1972—)，男，副教授，任職于蘭州理工大學材料科學與工程學院，甘肅省有色金屬材料省部共建國家重點實實驗室，從事金屬材料組織性能和表面改性研究。E-mail:jbzhangjb@gmail.com。