盤點(diǎn)2016年即將爆發(fā)的3D打印技術(shù)

最近許多針對(duì)3D打印行業(yè)的預(yù)測(cè)普遍認(rèn)為：2016年是世界3D打印行業(yè)市場(chǎng)的爆發(fā)年?；蛟S我們對(duì)這種看法已經(jīng)見怪不怪了。像去年，人們無(wú)時(shí)無(wú)刻不在說(shuō)3D打印將爆發(fā)，但大都被看作是行業(yè)炒作。但今年這些預(yù)測(cè)或許有據(jù)可依，因?yàn)樵诮?jīng)歷了2015年的跌跌宕宕之后，3D打印逐漸從過(guò)去的“虛浮縹緲”變得更加明了。而如今的市場(chǎng)也不會(huì)像2015年初那樣被瘋狂炒作。因?yàn)椋S著惠普、東芝、三星、微軟等國(guó)際性大企業(yè)的陸續(xù)加盟，整個(gè)行業(yè)將會(huì)迎來(lái)一場(chǎng)新的變革，而這些大公司恰恰起到了推動(dòng)和引領(lǐng)作用。在這種大趨勢(shì)下，2016年將會(huì)出現(xiàn)更多3D打印新技術(shù)，推動(dòng)3D打印產(chǎn)業(yè)向前發(fā)展。接下來(lái)我們就來(lái)看看，2016年哪些3D打印技術(shù)將“火”起來(lái)：

　　1.納米3D打印

　　或許你還對(duì)去年10月習(xí)主席獲英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院贈(zèng)送的中國(guó)長(zhǎng)城模型記憶猶新，這是一段只有100微米長(zhǎng)的中國(guó)長(zhǎng)城。這項(xiàng)技術(shù)由Hamlyn中心醫(yī)療機(jī)器人部的研究人員開發(fā)，并由NanoScribe公司的Photonic Professional GT 3D打印機(jī)打印出來(lái)的。

　　這種技術(shù)是通過(guò)三維激光直寫系統(tǒng)通過(guò)超短的激光脈沖曝光，預(yù)先勾勒出三維立體微納米結(jié)構(gòu)的輪廓；再經(jīng)過(guò)顯影程序，最終獲得可自行支撐的立體結(jié)構(gòu)固著于襯底材料上，從而實(shí)現(xiàn)了納米3D打印。其類似于光固化快速成型技術(shù)，是一種“納米光學(xué)”3D打印法，這種基于選擇性固化液體物質(zhì)的3D打印技術(shù)是雙光子聚合技術(shù)，通過(guò)實(shí)用“飛秒脈沖激光”選擇性逐層固化感光性樹脂，打印機(jī)分辨率達(dá)到0.0001毫米，打印出來(lái)的東西比細(xì)菌還小。這種技術(shù)不但可以制造能夠游泳的微型機(jī)器人，精確高效地將藥物送至到身體的目標(biāo)區(qū)域，而且可以制作極小的手術(shù)工具成為顯微外科手術(shù)所需的納米工具。在科研上的潛力價(jià)值體現(xiàn)在，醫(yī)生可以精確的將癌癥治療藥物送至目標(biāo)位置而不再需要大范圍用藥。另外，由于尺寸微小，這種納米工具還能幫助醫(yī)生完成極其復(fù)雜的眼部手術(shù)而無(wú)需擔(dān)心會(huì)對(duì)眼鏡造成傷害。

　　如今，這種納米3D打印技術(shù)的市場(chǎng)越來(lái)越凸顯出來(lái)，而且應(yīng)用面積非常廣泛，目前已經(jīng)應(yīng)用在了諸如細(xì)胞生物學(xué)（三維細(xì)胞生物支架）、組織工程學(xué)、光子－光半導(dǎo)體和材料、鑄造－PDMS結(jié)構(gòu)復(fù)制工程、光子線鍵－芯片互連技術(shù)、超材料－機(jī)械微晶結(jié)構(gòu)、微桁架和微流控芯片等各種領(lǐng)域。

　　2.碳纖維3D打印

　　碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機(jī)纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維“外柔內(nèi)剛”，質(zhì)量比金屬鋁輕，但強(qiáng)度卻高于鋼鐵，并且具有耐腐蝕、高模量的特性，在國(guó)防軍工和民用方面都是重要材料。而針對(duì)碳纖維作材料的3D打印技術(shù)近期也在全球陸續(xù)興起，各大企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)也都是看中了碳纖維材料相對(duì)普通材料的極大優(yōu)勢(shì)，這成為碳纖維打印技術(shù)快速發(fā)展的動(dòng)力之一。

　　據(jù)悉，其中比較高端的是由美國(guó)硅谷的Arevo Labs推出的一個(gè)可擴(kuò)展的以機(jī)器人為基礎(chǔ)的增材制造設(shè)備用來(lái)打印復(fù)合材料。該平臺(tái)由一個(gè)市售的機(jī)械臂，復(fù)合沉積端執(zhí)行器和一個(gè)全面的軟件套件組成，根據(jù)機(jī)器人的大小，打印體積可以從1000立方毫米達(dá)到8立方米，而且自由度得到了更大的提高。而另一家公司Impossible Objects推出的CBAM工藝則更為不同，它是將一層層的特定材料堆疊起來(lái)，并用內(nèi)置熱源把它們?nèi)诤显谝黄稹Ｗ詈?，由一名技術(shù)人員將不需要的材料移除，打印過(guò)程就算完成了，打印完成后的零部件要比使用傳統(tǒng)熱塑性材料3D打印出來(lái)的部件強(qiáng)度要高2倍-10倍，打印成品可以抵抗許多惡劣的環(huán)境，可見碳纖維3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)非同一般。

　　而國(guó)際上并非都是關(guān)于機(jī)械臂或者僅限于大型工業(yè)級(jí)碳纖維打印，還有一種桌面級(jí)碳纖維3D打印產(chǎn)品叫做Mark One，其機(jī)器長(zhǎng)寬高分別為575*322*360mm，成型尺寸為305*160*160mm。其優(yōu)勢(shì)在于，一是可使用碳纖維作為打印材料，二是使用復(fù)合材料，直接制作高強(qiáng)度的部件和工具。該機(jī)型采用雙擠出頭，可兼容碳纖維、玻璃纖維、尼龍和PLA耗材；制作實(shí)際部件時(shí)能夠選擇合適的材料，兼顧強(qiáng)度和成本；3D打印的部件甚至能夠取代經(jīng)過(guò)金屬加工的部件，這是碳纖維3D打印實(shí)現(xiàn)輕便化一大重要例證。故此，在往后的不斷發(fā)展中，傳統(tǒng)塑料等各種性能低下的材料將逐漸被碳纖維所代替，而與之相稱的快速成型技術(shù)也將逐漸與碳纖維材料融合實(shí)現(xiàn)真正的高強(qiáng)度，高質(zhì)量。

　　3.多射流熔融技術(shù)

　　惠普公司（HP Inc.）即將進(jìn)軍3D打印市場(chǎng)已經(jīng)不是新聞，而在去年的時(shí)候該公司還發(fā)布了其號(hào)稱將徹底改變3D打印行業(yè)的多射流熔融（MJF）3D打印技術(shù)，該技術(shù)基于他們現(xiàn)有的高分辨率2D熱噴墨技術(shù)，據(jù)稱比現(xiàn)有的大多數(shù)工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)快10倍。

　　據(jù)惠普公司爆料，該技術(shù)的工作方式簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是：先鋪一層粉末，然后噴射熔劑，與此同時(shí)還會(huì)噴射一種精細(xì)劑，以保證打印對(duì)象邊緣的精細(xì)度，然后再在上面施加一次熱源?；萜展颈硎荆@將使其打印速度比選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)、熔融沉積成型（FDM）技術(shù)快10倍，而且不會(huì)犧牲部件的精細(xì)度。得益于其易疊放的噴墨組件的設(shè)置，MJF 3D打印機(jī)的可打印尺寸范圍相當(dāng)大，從4.25英寸直到40英寸寬都可。但這個(gè)數(shù)字會(huì)受到固化時(shí)間和支撐材料生成能力的限制。我們的猜測(cè)是，其最大打印高度可能會(huì)在8至12英寸之間。綜合惠普在Autodesk University2015大會(huì)上披露出來(lái)的信息，其全彩MJF 3D打印機(jī)對(duì)打印過(guò)程中對(duì)象屬性的控制達(dá)到了3D空間中體素級(jí)的水平。這給了他們對(duì)最終打印對(duì)象的材料屬性更多的控制權(quán)，尤其是與傳統(tǒng)的3D打印技術(shù)相比。MJF 3D打印機(jī)將能夠控制對(duì)象部件的密度、強(qiáng)度、摩擦系數(shù)、紋理，甚至包括部件的電學(xué)和熱性能。

　　傳統(tǒng)的3D打印技術(shù)往往需要犧牲精度和表面光潔度來(lái)實(shí)現(xiàn)零件的強(qiáng)度，或者相反。而MJF 3D打印工藝將使打印部件的質(zhì)量無(wú)論是強(qiáng)度還是表面質(zhì)量都類似注塑成型的產(chǎn)品。他們將在其專有的打印工藝中通過(guò)使用多種粘合劑和固化劑來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。MJF的噴墨組件是如此精確，它可以選擇性地將熔劑施加到對(duì)象特定的點(diǎn)上以獲得最大的粘合度，同時(shí)，使用一種精細(xì)的介質(zhì)，該公司可以減少或者增加融合度，以獲得不同的紋理、表面和耐久度，而且MJF技術(shù)的打印噴頭施放材料的分辨率可以從600dpi直到2,400 dpi，也就是42微米到11微米范圍。該技術(shù)的打印速度和廣泛的適用性都是其它3D打印技術(shù)無(wú)法望其項(xiàng)背的。

　　4. 熱熔玻璃縫紉機(jī)

　　早在2015年8月，麻省理工學(xué)院(MIT)媒體實(shí)驗(yàn)室的Mediated Matter項(xiàng)目成功地開發(fā)出了具有相當(dāng)精度的玻璃3D打印機(jī)。而近期，Mediated Matter與該校玻璃實(shí)驗(yàn)室以及著名數(shù)學(xué)家Pierre-Thomas Brun博士共同合作，借助流體動(dòng)力學(xué)研發(fā)了“熱熔玻璃縫紉機(jī)”技術(shù)，從字面上就不難理解，這個(gè)技術(shù)將會(huì)讓打印出來(lái)的玻璃以螺旋狀的形式存在，然后再進(jìn)行“編織”構(gòu)成更為復(fù)雜的模型。

　　由于在制作工藝上很像是用縫紉機(jī)將一條條線織成一塊布，因此 Pierre Thomas Brun 才會(huì)以“（縫紉機(jī)）”來(lái)給其命名。這種編織的方式打造出來(lái)的玻璃制品將會(huì)提供一定“整體柔韌性”，玻璃束越細(xì)，那么編織出來(lái)的產(chǎn)品柔韌性更強(qiáng)，如果與其他材質(zhì)相融合的話，或許能夠做成一種功能性相當(dāng)不錯(cuò)的“服裝”，因此，該應(yīng)用可以使得Mediated Matter項(xiàng)目開發(fā)的玻璃3D打印機(jī)創(chuàng)建出復(fù)雜的3D打印玻璃器皿和其他產(chǎn)品，這項(xiàng)技術(shù)的突破性在于大大凸顯了3D打印應(yīng)用于玻璃造型工業(yè)的巨大潛力，未來(lái)有望在玻璃產(chǎn)品制造產(chǎn)業(yè)大展宏圖。

　　不過(guò)目前此項(xiàng)技術(shù)相比傳統(tǒng)的堆棧式打印要昂貴不少，好在諸如 HP這樣的大公司已經(jīng)開始著手玻璃 3D打印的相關(guān)工作，未來(lái)將此技術(shù)普及化并不是什么大問(wèn)題，成本降低也是遲早的事，畢竟這項(xiàng)技術(shù)還存在著改善光導(dǎo)纖維的制程與降低成本等各種優(yōu)點(diǎn)。

　　5.智能增材制造技術(shù)

　　如今，隨著智能加工和機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步，人類干預(yù)的必要性可能很快就會(huì)成為過(guò)去的事情了。近日，由神戶大學(xué)教授Shirase Keiichi領(lǐng)導(dǎo)的一群研究人員開發(fā)出了一種機(jī)床原型，它能夠像3D打印機(jī)那樣制造精密部件。神戶大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的這臺(tái)機(jī)器與大多數(shù)3D打印機(jī)或者機(jī)加工切削工具所不同的是，這實(shí)際上是一臺(tái)可以自己決定根據(jù)一個(gè)加工信息和切削條件的數(shù)據(jù)庫(kù)制訂優(yōu)化加工流程的機(jī)器。

　　據(jù)該校工程研究生學(xué)院的研究人員稱，這一進(jìn)展可以加速定制產(chǎn)品的制造，比如牙科植入物和人工骨等。Keiichi還期望它能夠?yàn)橹悄苤圃煜到y(tǒng)的持續(xù)開發(fā)鋪平道路，這種系統(tǒng)能夠通過(guò)減少錯(cuò)誤和提高生產(chǎn)效率來(lái)降低成本和縮短制造時(shí)間。該項(xiàng)目的出現(xiàn)主要是為了解決金屬制造當(dāng)前所面臨的一些問(wèn)題：一方面，金屬切削需要大量的勞動(dòng)來(lái)創(chuàng)造出指導(dǎo)機(jī)器的程序；另一方面，一旦切削過(guò)程開始之后，機(jī)器就無(wú)法對(duì)預(yù)想不到的問(wèn)題做出調(diào)整，這意味著，如果出現(xiàn)問(wèn)題，整個(gè)過(guò)程將不得不從頭開始。

　　使用這種智能增材制造機(jī)床之后，用戶要做的只是準(zhǔn)備目標(biāo)部件的一個(gè)3D模型和材料模型，而該機(jī)床將使用一個(gè)加工信息和切削條件的數(shù)據(jù)庫(kù)自行確定最佳加工過(guò)程，然后相應(yīng)地自動(dòng)選擇它的指令。業(yè)內(nèi)普遍表明這種智能化3D打印技術(shù)在未來(lái)會(huì)很有市場(chǎng)，而目前這個(gè)3D打印機(jī)式的機(jī)床原型實(shí)際上是日本神戶大學(xué)正在進(jìn)行的關(guān)于智能機(jī)床研究的一部分，并在最近舉辦的國(guó)際上三大機(jī)床貿(mào)易展之一的Emo Milano 2015上進(jìn)行了展示，并受到了業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注。

　　6.生物細(xì)胞打印

　　在很多人還不清楚生物3D打印究竟是何處神圣的情況下，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)漸漸走向了商業(yè)化。近日，一家專門研究生物3D打印的美國(guó)企業(yè)——Organovo宣布正式成立商業(yè)部，專注于提供3D打印人類肝臟細(xì)胞。此前，Organovo公司和耶魯大學(xué)醫(yī)學(xué)院合作研發(fā)用于器官移植研究的3D打印組織，制作出了一個(gè)3D打印肝臟，可以用來(lái)檢測(cè)藥物的毒性，為生物3D打印開啟了一扇全新的大門。

　　想要進(jìn)行生物3D打印研究，一項(xiàng)必不可少的材料就是人體細(xì)胞。為此，Organovo專門成立了這個(gè)商業(yè)部，旨在為體內(nèi)外研究應(yīng)用提供高質(zhì)量的初始人體肝臟細(xì)胞。人類肝臟包含的細(xì)胞有多種，目前有一小部分可以通過(guò)3D打印制造出來(lái)，不過(guò)Organovo目前只計(jì)劃將肝星形細(xì)胞商業(yè)化，這種細(xì)胞在肝臟受到損傷后會(huì)變得活躍起來(lái)并且迅速繁殖，產(chǎn)生瘢痕組織；相反，在健康的肝臟中，它們則處于休眠狀態(tài)。這種細(xì)胞也是導(dǎo)致肝病的主要因素之一，比如脂肪肝、纖維變性。

　　通過(guò)Organovo這一舉措我們不難猜測(cè)，日后提供商業(yè)化服務(wù)的同類公司肯定會(huì)越來(lái)越多。從某一程度上來(lái)說(shuō)，這對(duì)生命醫(yī)學(xué)研究有著積極的影響。當(dāng)然，3D打印人體肝臟細(xì)胞只是Organovo宏偉目標(biāo)的一小步，和眾多奮戰(zhàn)在該領(lǐng)域的研究人員一樣，他們的最終目的是通過(guò)3D打印實(shí)現(xiàn)器官移植。