3D打印之父-Charles W. Hull
據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)IDC預(yù)計(jì)，2019年全球3D打印的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到138億美元，可見(jiàn)該技術(shù)能在社會(huì)上產(chǎn)生非常巨大的價(jià)值。在1986年，Charles W. Hull發(fā)明了3D打印技術(shù)——立體光固化技術(shù)（SLA），并創(chuàng)下3Dsystems公司，為世界開(kāi)啟了材料制造的新領(lǐng)域。
3D打印看似離我們生活很遠(yuǎn)的技術(shù)，其實(shí)已經(jīng)在我們身邊慢慢出現(xiàn)它的身影了。
近日，Nature報(bào)道了關(guān)于3D打印技術(shù)的最新進(jìn)展，下面就帶大家了解下3D打印領(lǐng)域的神仙打架，看他們?nèi)绾位ハ嗳覰ature Science，如何爭(zhēng)著開(kāi)公司！
在介紹這個(gè)板塊之前，先給大家認(rèn)識(shí)下兩位大牛。
一、更快
從小飾品到產(chǎn)品
早些時(shí)候，3D打印機(jī)的速度很慢，規(guī)模也小，且容易產(chǎn)生分層、不完美和脆弱的結(jié)構(gòu)。作為一個(gè)研究領(lǐng)域，這種打印技術(shù)并不令人興奮，澳大利亞莫納什大學(xué)Timothy Scott如此表示：“基本上是制作小飾品和小擺設(shè)。對(duì)于一個(gè)聚合物化學(xué)家來(lái)說(shuō)，這是相當(dāng)枯燥的。”
這使得快速成型技術(shù)找到了一席之地。
在2015年，Joseph DeSimone等人推出了一種可將感光樹(shù)脂打印速度比傳統(tǒng)打印機(jī)快100倍的方法——連續(xù)液體界面生產(chǎn)（CLIP）技術(shù)，相關(guān)成果發(fā)表在Science雜志上。
CLIP技術(shù)
原理如下圖所示：即紫外光從下方照射固化樹(shù)脂，而底部的一層膜可滲透氧氣，進(jìn)而抑制固化，形成液態(tài)“死區(qū)”，從而實(shí)現(xiàn)固化的連續(xù)性。
CLIP技術(shù)原理圖
自那以后，許多研究團(tuán)隊(duì)和公司都在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展。
2019年10月，Mirkin等人在槽底用一層透明的油來(lái)抑制聚合物的反應(yīng)和冷卻，并且表示這臺(tái)打印機(jī)速度比DeSimone的快10倍。這臺(tái)機(jī)器是世界上最快的基于樹(shù)脂的3D打印機(jī)，它可以在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)創(chuàng)造出像人一樣大的塑料結(jié)構(gòu)。相關(guān)成果發(fā)表在Science雜志上。
圖|Nature
在2019年1月，Scott等人在Science Advances雜志報(bào)道了一種打印機(jī)，可利用混入樹(shù)脂中的化學(xué)物質(zhì)來(lái)抑制反應(yīng)，該化學(xué)物質(zhì)可以由第二個(gè)燈（不同波長(zhǎng)的光）來(lái)激活。通過(guò)改變兩個(gè)光源的強(qiáng)度比例，研究人員可以控制光抑制區(qū)的厚度，從而創(chuàng)建更復(fù)雜的圖案，例如帶有印章或徽標(biāo)的表面。
圖|Science Advances
商業(yè)化
3D打印中的發(fā)明通常具有快速的商業(yè)潛力：一些研究人員在發(fā)布其進(jìn)展之前就開(kāi)始組建公司。
DeSimone在論文發(fā)表的同一天（即上面提到的Science），他就正式推出了他的初創(chuàng)公司Carbon 3D，而且他兩年前就已經(jīng)悄悄注冊(cè)了該公司。該公司目前是3D打印領(lǐng)域最大的初創(chuàng)企業(yè)之一，其估值為24億美元，并與阿迪達(dá)斯和里德?tīng)枺≧iddell）公司合作，制造運(yùn)動(dòng)服裝產(chǎn)品。
阿迪達(dá)斯鞋（左）和美式足球頭盔襯墊（右）
當(dāng)然，Mirkin和Scott也不甘示弱！
Mirkin及其同事等人也推出了一家初創(chuàng)公司Azul 3D，以使他們的技術(shù)（HARP，高區(qū)域快速打印）商業(yè)化。Scott等人也準(zhǔn)備通過(guò)其初創(chuàng)公司Diplodocal來(lái)商業(yè)化他們的打印機(jī)。
圖|Azul3D
新的樹(shù)脂打印技術(shù)仍在不斷涌現(xiàn)
加州大學(xué)HaydenK. Taylor等人啟發(fā)于CT斷層成像，利用旋轉(zhuǎn)的玻璃瓶和投射儀，將一張張二維切片重組成三維物體，只需幾秒鐘，最終的物體在液態(tài)樹(shù)脂中凝固——無(wú)需分層。相關(guān)成果于2019年3月發(fā)表在Science雜志上。
圖|Nature
二、更大
當(dāng)化學(xué)家們致力于以更智能的方式對(duì)復(fù)雜的樹(shù)脂進(jìn)行3D打印時(shí)，工程師們正在利用計(jì)算機(jī)和機(jī)器人來(lái)精確地自動(dòng)完成澆筑過(guò)程，從而突破了混凝土3D打印的界限。
如在2019年1月12日，全球最大規(guī)模的混凝土3D打印步行橋在上海寶山智慧灣落成，該工程由清華大學(xué)徐衛(wèi)國(guó)教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)研發(fā)。
圖|Nature
除此之外，還有MX3D公司與2018年展示的金屬橋和美國(guó)初創(chuàng)公司Relativity Space的3D打印火箭。這些大型金屬打印項(xiàng)目是用機(jī)器人手臂建造的，但是并不是一次性整體完成的，而是先一小塊打印，后面再組裝的。另外，波音、勞斯萊斯和普惠等航空公司正在使用3D打印來(lái)制造主要用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的金屬零件。
圖|Nature
三、更強(qiáng)
許多科學(xué)家還希望通過(guò)控制材料的微觀結(jié)構(gòu)來(lái)提高打印金屬的固有強(qiáng)度。例如，兩個(gè)月前，澳大利亞和美國(guó)的研究人員報(bào)道了鈦銅合金具有相似的強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)。因?yàn)殂~有助于加快凝固過(guò)程，從而導(dǎo)致晶粒更小并向各個(gè)方向發(fā)芽，從而增強(qiáng)了整體結(jié)構(gòu)。
未來(lái)可期
4D打印
這個(gè)領(lǐng)域的未來(lái)還可能在于“4D打印”，它比3D打印多了一個(gè)時(shí)間維度，在外界環(huán)境改變時(shí)（如溫度），4D打印的物體能隨之改變形狀。而對(duì)于4D打印研究的雄心不僅在于能動(dòng)，而且還在于活的，未來(lái)更有可能用于人工器官領(lǐng)域。
圖|Nature
集于一體
我們知道，一個(gè)物件通常會(huì)有許多材料組成，這就需要3D打印能同時(shí)利用多種進(jìn)行打印。2019年11月，哈佛大學(xué)Jennifer A. Lewis等人描述了一種可在打印單個(gè)對(duì)象時(shí)在不同的聚合物油墨之間快速切換或混合的打印機(jī)。這意味著可以同時(shí)打印具有柔性和剛性部件的對(duì)象。相關(guān)成果發(fā)表在Nature上。
圖|Nature
追求運(yùn)動(dòng)極限是人類(lèi)運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)， "更快、更高、更強(qiáng)"體現(xiàn)了勇往直前、不斷進(jìn)擊的精神，而追求材料的極限，實(shí)現(xiàn)更快、更大、更強(qiáng)則是3D打印技術(shù)的目標(biāo)。不斷追求極限是人類(lèi)永不停息的腳步！
附：3D打印基本介紹
什么是3D打印？
3D 打印，又稱(chēng)增材制造，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。形象點(diǎn)來(lái)說(shuō)就是類(lèi)似建房子，一塊塊磚，一層層往上建，最后變成三維空間結(jié)構(gòu)的房子。
圖整理自pixabay
目前企業(yè)狀況
目前全球3D打印領(lǐng)域企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，其中3D打印巨頭EOS、SLMsolution、3D Systems、Stratasys等公司，于早期引領(lǐng)3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，憑借專(zhuān)利優(yōu)勢(shì)和擁有多年的技術(shù)積累，已經(jīng)占據(jù)較高的市場(chǎng)份額和擁有較高的客戶(hù)認(rèn)可度。另外也有很多國(guó)內(nèi)外的初創(chuàng)公司漸漸崛起，如中國(guó)的鉑力特。
圖|公司官網(wǎng)
3D打印能做什么？
小至小擺件，大至航空飛機(jī)，再到許多我們衣食住行所需的事物。3D打印技術(shù)早已滲透生活的方方面面。
圖|pixabay
3D打印技術(shù)分類(lèi)
當(dāng)前3D打印技術(shù)主要分為以下幾類(lèi)，除此之外，還有下面介紹的近年最新的CLIP技術(shù)。
圖|中科院遺傳發(fā)育所
參考文獻(xiàn)：
Mark Zastrow. 3D printing gets bigger, faster and stronger. Nature 2020.
https://www.nature.com/articles/d41586-020-00271-6
