中国工程院院刊：3D打印技术在多个领域取得进展 3D打印概念成为主流已近40年

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3D打印概念成为主流已近40年，倡导者称赞这项技术是“制造业的未来”（future of manufacturing）。现在，3D打印的打印速度和规模得到极大提高，生物医学应用范围也逐步扩大。近年来，这些进步均证明了3D打印技术正越来越靠近人们对它的预设。本期内容刊登自中国工程院院刊《Engineering》，作者为高级技术作家Chris Palmer 。
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2020年，普惠公司宣布首次将3D打印应用于飞机发动机部件
当今最常见的3D打印种类，即增材制造，使用光线将液态塑料树脂逐层固化为固体。这个过程通常比较慢，制造手持设备常常需要几个小时。此外，各层之间的接口往往比较脆弱，成品结构易碎。因此， 3D打印并没有取代传统的制造过程，而是和一些非常特殊的用途联系起来。美国伊利诺伊州埃文斯顿西北大学工程学教授Chad Mirkin表示：“在很大程度上， 3D打印主要局限于原型设计，因为它速度慢、产量低、产品结构不稳定。 ”
大约5年前，美国北卡罗来纳大学的工程师发明了一种新型的3D打印技术，即“连续液体界面制造”（CLIP），与同类技术相比，这种技术的生产速度提高了100倍。这项技术获得极大的进步，位于美国加利福尼亚州的Carbon公司获取了该项技术，其采用一种半渗透窗，可以将氧气注入液体树脂，从而形成一种能防止固化的薄的“死区”（dead zone）。在该区域上方，光线将树脂固化成固体。机械臂缓慢地将不断增长的固体从树脂中拉出，使其他材料得以固化和黏附，这种技术无需一系列层合界面，因此产品更加坚固。
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clip技术原理
CLIP的速度提高备受关注——Carbon公司已与福特汽车公司、阿迪达斯体育用品公司和里德尔体育公司达成协议，分别为它们生产汽车零件、运动鞋底和橄榄球头盔——但其固化过程会释放出大量热量，这可能导致打印的零件翘曲和破裂。为了散热，打印的成品尺寸实际上被限制为25cm×25cm×41cm 。
Mirkin说：“Carbon公司证实了3D打印可被用于制造业，而且他们在许多行业做得都非常好，但是他们还没有找到快速打印大型物体的方法。 ”
在2019年年末， Mirkin的团队宣称其开发了一项名为“高面积快速打印”（HARP）的新技术，该技术使液体冷却剂在一桶液态树脂下面循环。冷却剂是一种氟化油，在打印时会直接从正在打印的物体上吸走热量，从而使它们在短短几个小时内就可以达到成年人的尺寸。 Mirkin将使用多台投影仪发出的光进行打印的方法称为“平铺”（tiling）工艺，其打印尺寸可以达到约1m×1m×4m 。将来，其他投影仪可使HARP 能够制造更大的物品。 “从理论上讲，平铺工艺消除了尺寸限制， ” Mirkin说。
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一种名为HARP的新型3D打印技术，该技术使一层液态冷却剂在一大桶液态树脂下面循环，从而消除物体打印时随着体积不断扩大而产生的热量，使它们在短短几个小时内就可以达到成年人的尺寸。这款HARP打印机高约4 m ，带有0.76 m×0.76 m的打印床，可以打印一个大型的连续结构或许多不同的小型结构。来源：美国伊利诺伊州埃文斯顿西北大学（新闻稿）。
【中国工程院院刊：3D打印技术在多个领域取得进展】为了使HARP商业化， Mirkin和同事成立了Azul 3D公司（位于美国伊利诺伊州斯科基市），该公司预计在2021年年底前开始销售打印机。 Mirkin希望HARP能改变3D打印的商业模式。 “几乎所有的3D打印公司都必须从他们的硬件上获得可观的收入，因为他们根本没有使用足够的树脂来使此项技术具有良好的商业模式。 ”他表示， “借助HARP ，该公司不需要仅依靠销售硬件来获得收入，因为他们还可以通过销售生产大量零件所需的树脂来赚钱。这样，由于初始硬件成本几乎变得无关紧要，所以HARP降低了进入门槛。 ”
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在另一个快速发展的领域， 3D打印技术正显示出其在处理微小物体方面的潜在价值。将传统3D打印机中使用的“墨水”（塑料、聚合物和金属合金）换成嵌入生物介质中的活细胞，这项技术将成为生物医学应用的一个有趣工具，未来有可能被用于制造替代组织。 3D生物打印已被用于制造简单的组织，如皮肤、软骨和部分心肌。随着技术的进步， 3D生物打印可能会被用于制造更复杂的器官，如视网膜、肾脏和肺。主要的挑战包括组成器官的各种各样的细胞类型，以及需要提高足够的分辨率来打印输送氧气和清除废物的微小血管。