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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( 三 )


规模变大
当化学家们致力于研究更为智能的3D方法来打印复杂的树脂构件 ， 工程师们则不断拓展着3D混凝土打印的边界——利用计算机和机器人来精确地自动化浇筑过程 。
世界上第一座3D打印的混凝土行人桥梁 ， 由西班牙巴塞罗那的加泰罗尼亚先进建筑研究所的研究人员设计建造 ， 并于2016年安装在了马德里附近阿尔科文达斯的一座公园里 。 这座桥长12m ， 外形呈现出网格状结构 ， 这是由算法优化后以最大化强度和最小化金属用量的处理结果 。 清华大学的工程师在上海也建造了一座类似的26m长的桥梁 。 另外 ， 来自中国和荷兰公司的团队也建造了3D打印的样板房 。
然而这些建筑并不是由一个整体的打印件构成 ， 而是通过多个打印好的部件拼接而成 。 通过更为便宜和高效的方式建造桥梁和房屋 ， 3D打印可以减少混凝土的碳排放 ， 但是也会鼓励工程师建造更多 。
并不只有混凝土才能打印大型构件 ， 来自阿姆斯特丹的MX3D公司就利用不锈钢打印了一座桥 ， 它于2018年首次公开展示 ， 目前安装了一系列传感器进行测试 ， 之后计划安装到阿姆斯特丹的一条运河上 。
洛杉矶的初创公司Relativity Space正在建造几乎全部由3D打印制造的火箭 ， 其目标是将1250千克的物资送入低地轨道 ， 计划于2021年进行首次发射测试 。 Relativity Space的CEO Tim Ellis表示 ， 打印的金属可能并不总是具有传统方法所制金属构件的散热性能 ， 但3D打印可以增加一系列传统制造方法无法生产的几何构型的制冷通道 。 同时 ， 火箭几乎是一次性或者只用几次的用品 ， 所以长期来看 ， 火箭的结构无需像飞机的合金一样坚固、耐受数万次的压力循环 。
这些大规模的金属打印项目利用机械臂将金属丝送入到激光熔融区域来构建物体 。
像波音、劳斯莱斯、普拉特·惠特尼等航空公司开始使用3D打印来制造喷气式发动机的金属部件 ， 这种方法比铣削更便宜并使得复杂构件更为轻巧 。
但3D打印的金属具有一系列会降低产品强度的结构缺陷 。 Spadaccini等人正尝试利用传感器阵列和高速相机来观察结构中的非规则性 ， 包括应变积累点和温度热点 ， 并作出实时调整 。
很多科学家还致力于改进打印金属构件的内在强度 ， 例如通过控制材料的微结构来实现 。 2017年10月 ， 一个美国团队报告称 ， 利用高温和急冷的方法处理3D打印的不锈钢材料 ， 可以改变金属的微结构 ， 并实现了超过铸造工艺的产品强度[7] 。 两个月前 ， 美国和澳大利亚的研究团队报告了具有相似的强度优势的钛铜合金[8] 。 先前的3D打印方法会使得钛合金在固化时形成圆柱状的结构晶粒 ， 而铜则可以加速固化过程 ， 使得晶粒更小并向各个方向发展 ， 从而增强了目标整体的结构强度 。
Mark Easton是澳大利亚皇家墨尔本理工大学的一名材料工程师 ， 也是上述合金项目的负责人之一 。 他已经与对这种材料的应用前景感兴趣的航空航天企业展开对话 ， 他表示这种材料同样可以用于像人工关节之类的医疗植入物中 。
很多适用于金属的打印技术也同样可以用于陶瓷 ， 潜在应用包括制造牙冠和骨科植入物 。 它们的模具目前已经开始利用3D打印制造 ， 而后利用传统的铸造手段来制造 。 但利用3D打印整个产品 ， 可以大大节省看牙和看外科的时间 。
伦敦帝国理工学院的材料与陶瓷科学家Eduardo Saiz表示 ， 目前还较难控制3D打印陶瓷中的微结构 ， 几乎所有的陶瓷打印技术都涉及大量的烧结后处理 ， 这会造成部件的变形或翘曲 ， “依我看 ， 陶瓷的实际应用将落后于聚合物与金属 。 ”他说 。
不断发展的打印技术
这一领域的未来方向被称为“4D打印” ， 其中3D打印的物体会具有一定的机械运动能力——类似人造肌肉 。 这种技术通常会结合形状记忆聚合物 ， 这些材料会在环境温度和湿度改变的情况下作出反应 。


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