学术经纬|造桥、造火箭的3D打印正方兴未艾，超乎想象的4D打印已经来了
原文作者：Mark Zastrow
科研进展正在改变着这项曾经的利基技术的面貌 。
一个金属平台从一片液态树脂中升起来 ， 随之出现了一个精致的白色模型——就像一个光滑的生物从一片泻湖中逐渐现身 。
这是世界上最快的树脂3D打印机 ， 它可以在几小时内打印出与人体尺寸相当的结构 。 这台高速树脂3D打印机由美国西北大学的化学家Chad Mirkin及其同事研发 ， 并在去年十月报到了这一研究成果[1] ， 这是3D打印领域的重大突破 ， 拓宽了这一原本只能制造小型低精度原型零件的技术的应用范围 。 3D打印技术不仅变得更快、打印尺寸更大 ， 同时科学家们还提出一系列创造性的技术改进手段 ， 研发出强度更高的材料 ， 甚至在单一产品上混合了多种材料进行打印 。
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Chad MirKin位于美国西北大学的实验室中有一台树脂打印机 ， 它可以在几小时内制造出与人体尺寸相当的结构 。 图片来源：西北大学 。
运动服装厂、航空航天制造商和医疗器械公司都十分渴望有效利用3D打印的优势 。 哈佛大学的材料科学家Jennifer Lewis说：“虽然短期内我们还不能在家里快速打印出修理汽车所需的零件 ， 但这一技术已被主流制造公司采用 。 ”
这项最新技术也有望给研究人员带来经济收益 ， 像 Lewis 和 Mirkin一样 ， 他们中的很多人已经开始对自己的成果进行商业化的尝试 。 英国谢菲尔德大学的冶金学家Iain Todd表示：“3D打印技术的进步可以让我们通过超乎想象的方式来利用这些材料 ， 这让材料科学家们十分兴奋 ， 也将让人们逐渐习惯于3D打印的全新事物 。 ”
从零件到产品
3D打印技术也被称为增材制造 ， 与从整块的原料切削和磨削制造或从利用熔融金属和模具进行铸造的传统工艺流程不同 ， 3D打印是一种自底向上的制造过程 。 它具有较低的材料消耗和高度的定制化能力 ， 能够制造像网格这样传统方法难以制造的复杂结构 。
业余爱好者使用的低成本机器通过将塑料成分的原料线源源不断送入加热后的喷嘴中 ， 随后喷嘴将融化后的塑料不断挤出 ， 一层接一层地向上构建设计的结构 ， 这也被称为熔融沉积成型工艺（fused deposition modelling ， FDM） 。 但3D打印所涵盖的技术远远不止于此 ， 最早的方法之一就是利用紫外激光对光敏树脂进行逐层扫面固化 ， 这一概念可以追溯到1984年Chars Hu[2]的专利 ， 他同时也是美国南卡罗来纳州3D Systems公司的创始人 。
最新的3D打印技术 ， 包括Mirkin的技术在内 ， 仍然在使用光敏树脂 ， 但随着北卡罗来纳大学教堂山分校的化学家、材料科学家Joseph DeSimone领导的团队在2015年报告出改进方法后[3] ， 3D打印的速度和尺寸都有了大幅提升 。 早期的3D打印机速度较慢 ， 打印的尺寸较小 ， 并且容易产生分层、有瑕疵的脆弱结构 。 这种打印技术只能有限地应用于快速原型设计 ， 为基于传统方法的正式生产制造塑料模型 。 作为研究领域来说 ， 这种打印技术还无法令研究人员满意 ， 澳大利亚墨尔本莫纳什大学的高分子科学家Timothy Scott表示：“用这种方法只能制造一些小零件和小玩意儿 ， 那对于一个高分子化学家来说十分无趣 。 ”
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2015年 ， 北卡罗来纳大学教堂山分校的Joseph DeSimone提出了一种可以加速3D打印的技术 。 图片来源：Carbon 3D Inc
DeSimone随后发现了一种可以将光敏树脂打印速度相较于传统打印机提升100倍的新途径[3] 。 这种方法将工作台浸没于树脂容器中 ， 随后用投影仪将预先编程过的图像通过容器底部的透明窗口照射到工作台上 。
这种方法可以让光一次性固化整层树脂 。 该方法的优势在于底部的窗口可以透过氧气 ， 这会阻止固化反应并在窗口上方产生一层很薄的缓冲层（也称为死区） ， 让每次打印出的树脂层不会粘附在容器底部 。 随着工作台不断地上升 ， 新层不断打印出来 ， 已完成的部分则被不断拉出液态树脂 。
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