大爆料：2016上半年九大尖端3D打印技術

在這個充滿競爭的時代，科學技術是第一生產力，這對于每個國家來說都是必然且必要。自3D打印技術全面踏入市場以來，其技術前進的腳步從未停頓；相反，其正以一股排山倒海之勢奔涌而來，匯入全球制造業“大改造”的潮流之中！今天，我們就來看看今年又出現了哪些充滿前景的3D打印技術吧：

　　新型金屬3D打印技術XJET

　　6月1日，在上海的第四屆世界3D打印博覽會的交流論壇上，有一個來自以色列的牛叉公司XJET，帶來了噴射成型的新型金屬3D打印技術。這家公司搞研發都投入了近億美金，“全球3D打印企業估值排行榜”中位列第7名。

噴射技術金屬3D打印機內部照片，和打印噴頭工作照

　　這種技術之所以獨特是因為采用的原理和材料與普通金屬3D打印工藝都不相同，并非使用激光燒結金屬顆粒粉末，而是噴射含有金屬納米顆粒的墨水。這種方式帶來的好處之一就是能使用普通的噴墨打印頭作為工具。當打印完成后，構建室會通過加熱將多余的液體蒸發，只留下金屬部分。獨特的支撐材料是這種技術的另一個亮點。這種材料無需借助任何外力即可通過專門的技術融化去除—與普通粉末燒結金屬3D打印工藝需要以同樣的材料建立支撐相比，這種方法不但更容易實現，能顯著減少浪費，從而降低成本，而且還能給予設計師更大的自由—因為它是通過融化去除的，所以理論上可以無限添加。

　　這種納米顆粒噴射技術每秒可沉積的液滴數量達到了2.21億。這與惠普的多射流熔融（MJF）3D打印技術類似。

　　惠普“牛牛噠”MJF 3D打印

　　我們都知道前段日子3D打印業內發生了一件大事，IT巨人惠普公司終于正式推出了備受市場期待的3D打印解決方案，而且一次推出了兩款產品，分別是HP Jet Fusion 3D 3200和HP Jet Fusion 3D 4200。其中3200主要是為快速原型而設計的，而4200則主要用于快速制造。惠普公司宣稱，這兩款產品都在體素（voxel）的基礎上實現了各種參數的控制，令3D打印速度提升了十倍，而每個打印對象的成本降至最低，材料的可重用性也大幅提升。設備的3D打印速度也提升了25%，冷卻速度提升了5倍，每個對象的打印成本更低，可以在正在進行的打印作業中添加額外的部件，以滿足緊急需要。這兩個系統的熱力學控制功能可以實時控制打印床上的900個點，從而可以使每一層粉末的質量保持一致 ，甚至可以根據需要進行逐層的糾正。這兩款機器都有3個打印頭，每個打印頭上都有1萬個噴嘴，分辨率可達1200 dpi。目前的尺寸精度為0.2毫米。

　　具體來講，MJF具備以下優勢：簡化工作流程并降低成本，實現快速成型;以突破性的經濟效益實現零部件制造;降低了使用門檻、并支持各行業新應用的開放式材料與軟件創新平臺。惠普3D打印業務總裁Stephen Nigro稱，HP 多噴嘴式熔融 3D打印解決方案以業內的創新方式實現了高速度、高質量和低成本的有效結合。這令企業和制造商可以重新思考為客戶設計和交付解決方案的方式。這也是目前業內最為先進的3D打印技術的一種。

　　武漢光電國家實驗室的最大激光3D打印

　　4月，由武漢光電國家實驗室完成的“大型金屬零件高效激光選區熔化增材制造關鍵技術與裝備（俗稱激光3D打印技術）”順利通過了湖北省科技廳成果鑒定。深度融合了信息技術和制造技術等特征的激光3D打印技術，由4臺激光器同時掃描，為目前世界上效率和尺寸最大的高精度金屬零件激光3D打印裝備。該裝備攻克了多重技術難題，解決了航空航天復雜精密金屬零件在材料結構功能一體化及減重等“卡脖子”關鍵技術難題，實現了復雜金屬零件的高精度成形、提高成形效率、縮短裝備研制周期等目的。

　　該項目率先在國際上提出并研制出成形體積為500×500×530mm3的4光束大尺寸SLM增材制造裝備，它由4臺500W光纖激光器、4臺振鏡分區同時掃描成形，成形效率和尺寸迄今為止同類設備中世界最大。而此前，該裝備最多使用兩臺光纖激光器，成形效率低。

　　據了解，此項目攻克了多光束無縫拼接、4象限加工重合區制造質量控制等眾多技術難題，實現了大型復雜金屬零件的高效率、高精度、高性能成形。先后自主研制出SLM系列多種裝備，并采用國產的鈦合金、不銹鋼、高溫合金、鋁合金、鎂合金粉末，實現了各種復雜精密零件的成形，其關鍵技術指標與國外水平相當。首次在SLM裝備中引入雙向鋪粉技術，其成形效率高出同類裝備的20-40%，標志著我國自主研制的SLM成形技術與裝備達到了國際先進水平。已經有45種零件在20余種航天型號研制中得到應用，先后為航天發動機、運載火箭、衛星及導彈等裝備中6種型號20余種產品進行了樣件研制，5種產品通過了熱試車，其中4種產品已經定型。先后有多臺SLM裝備被航天科技集團三大總體研究院用于航天零件的研制與批產，所研制的零件不僅大大縮短了產品的研制周期，簡化了工序，更重要的是將結構-功能一體化，獲得性能優良的、輕質的零件。

　　中科院研發的連續打印的超快3D打印技術

　　中科院福建物構所林文雄課題組在國內首次突破了可連續打印的三維物體快速成型關鍵技術，開發出一款能夠連續打印的超級快速3D打印機。這款3D打印機采用數字投影技術，打印速度達到每小時600毫米，也就是可以在6分鐘內，打印出一個60毫米高的三維物體，而采用傳統的立體光固化成型工藝打印同樣物體，則需要約10個小時。

　　專家介紹說，目前針對液態材料的3D打印技術多采用立體光固化成型工藝，也就是用材料逐層固化、層層累積的方式來構造三維物體，層與層之間需中斷光照射，然后在已固化區域表面重新覆蓋或填充精確、均勻的光敏樹脂，再進行光照射形成新的固化層，這種方式系統復雜且耗時。2015年3月，美國Carbon3D公司率先提出“連續液面生長技術”。該技術采用透光透氣材料特氟龍引入氧氣作為固化抑制劑，使固化過程保持連續性，從而比傳統的3D打印速度快25倍至100倍，達到每小時500毫米。

　　在此基礎之上，福建物構所研究人員提出了一種特殊的半滲透性透明元件取代特氟龍，這種元件對氧氣的透過率比一般高分子聚合物高，因此氧氣或空氣均可作為固化抑制劑使用，實現全程固化的高速連續性。

　　MIT成功開發3D打印“玻璃縫紉機”

　　今年早期，麻省理工學院(MIT)媒體實驗室的Mediated Matter在之前開發出的玻璃3D打印機基礎之上，與該校著名數學家Pierre-Thomas Brun博士共同合作，針對這一玻璃3D打印機再次開發出了一種基于數學計算的“熔態玻璃縫紉機(molten glass sewing machine)”應用。

　　據了解，在“熔態玻璃縫紉機”應用中，其獨特的3D打印機噴嘴將搖擺著在一定的高度水平上連續擠出熔融玻璃，從一邊到另一邊，從而形成波浪和環狀，這一過程可以通過調節噴嘴的速度精確控制。因此，該應用可以使得Mediated Matter項目開發的玻璃3D打印機創建出復雜的3D打印玻璃器皿。如果熔化的玻璃下落速度比噴嘴前進的速度慢，那么噴嘴擠出的線將成波浪狀，而不是一條直線，如果噴嘴速度進一步降低，小的交替圓圈將出現在軌跡中，如果其前進的速度進一步降低，這些小圓圈將變成更大的線圈。針對該3D打印設備的用途，研究人員們稱，這個有趣的技術可以用于雕刻或者其他3D打印項目。

　　NASA科學家的等離子3D納米打印技術

　　之前，美國宇航局（NASA）的科學家們開發出了一種新型納米材料打印工藝，使人們可以用它更容易、更便宜地制造諸如可穿戴化學、生物傳感器、數據存儲器和集成電路之類的裝置，而且可以將其打印在彎曲的表面上，比如紙或者布等。該噴嘴通過氦等離子體的開關來噴射納米管。當等離子體關閉時，納米管的密度小。該等離子體能夠以很高的密度和良好的附著力將納米管聚集在基板上。

　　而且該基于等離子打印系統并不需要熱處理階段，事實上，整個過程只需要40攝氏度左右的溫度，而且也不要求打印材料一定是液態的。這種3D打印方法非常靈活，很容易就能擴展——只需添加更多的噴嘴即可。例如，一個花灑式的系統就可以一次打印很大的表面。或者它可以設計得像一個軟管，在三維曲面上噴涂納米材料。這種技術還能夠將電池材料打印到很薄的金屬（比如鋁）板上，然后將該金屬板卷起來，制造出非常小，但是功能卻非常強大的電池，以用在手機或者其他設備上。

　　生物打印厚實血管組織技術

　　日前，哈佛大學John A. Paulson工程與應用科學學院（SEAS）與哈佛Wyss生物工程研究所組成的一個科學家團隊已經發明了一種方法，可以用人類干細胞、細胞外基質和內襯血管內皮細胞的循環通道3D打印出厚實的血管化組織構造。最終形成的包含在深層組織內的血管網絡能夠使液體、營養物質和細胞生長因子均勻地灌注于整個組織。這項重大突破已經于2016年3月7日發表在了《 Proceedings of the National Academy of Sciences》雜志上。

　　據了解，在其之前工作的基礎上，Lewis她的團隊將可3D打印的組織厚度增加了近10倍，從而為下一步的組織工程與修復開辟了廣闊的道路。該方法將血管管路與活細胞和細胞外基質結合起來，使該結構能夠像活體組織那樣發揮作用。在研究中，Lewis及其研究團隊證明，他們3D生物打印的組織可以維持像活組織結構那樣的功能超過六個星期！

　　這種全新的3D生物打印方法主要使用一種可自定義的3D打印硅膠模具來容納和扶持打印的組織結構。在這種模具里，研究人員首先打印出血管管路網格，然后再在上面打印含有活體干細胞的油墨。需要指出的是，這些油墨是可以自我支撐的，其強度足以在該結構尺寸隨著逐層沉積而不斷增長的過程中保持形狀。在這個基礎性血管網格內部的交叉路口，研究人員會打印血管立柱，這些血管網格相互連接，就在整個干細胞堆積的組織內部形成了一個無所不在的微血管網絡。在打印之后，一種由成纖維細胞和細胞外基質組成的液體會填進3D打印組織周圍的開放區域，交聯其整個結構。

　　最終產生的軟組織充滿了血管，然后研究人員通過該硅膠模具兩端的出入口可以向該組織灌注營養物質，以保證細胞存活。而無所不在的血管系統則通過將細胞生長因子運送至整個組織的所有地方來促進干細胞的分化。研究人員們稱，如果要實現各種形狀、厚度和成分的組織，可以通過設計3D打印硅膠模具的形狀以及調制擁有不同細胞類型的細胞油墨來實現。

　　我國創首臺太空3D打印機

　　中科院重慶研究院與中科院空間應用中心近日共同研制成功我國首臺空間3D打印機，并于日前在法國波爾多完成了拋物線失重飛行試驗，其可打印最大零部件尺寸超過美國國家航空航天局(NASA)3月26日運至國際空間站的升級版3D打印機打印尺寸。記者在中科院重慶研究院看到，一臺保險箱大小的3D打印機，打印出不同類型的零部件，包括扳手、螺帽、連接桿等。無論如何傾斜，這臺空間3D打印機都能正常工作。

　　中科院重慶研究院智能制造技術研究所副所長、3D打印技術研究中心主任段宣明介紹，經過兩年努力，該院與空間應用中心研發出我國首臺空間3D打印機，可打印最大零部件尺寸達到200×130mm，該尺寸是NASA首臺空間在軌打印機打印尺寸的2倍以上，并超過今年3月26日NASA運至國際空間站的升級版3D打印機打印尺寸。該3D打印機曾在法國波爾多完成了拋物線失重飛行試驗，通過93次失重測試，驗證了微重力環境下3D打印裝備的關鍵技術與工藝，實現了塑料和復合材料兩種材料，以及失重、超重和正常重力3類工藝參數的4種模型的微重力打印，獲得了微重力環境對3D打印工藝參數影響的實驗數據，為我國2020年完成空間站建造及后期運營奠定了基礎。而空間在軌3D打印制造是解決空間站維修保障需求的有效方法，是完成未來深空探測任務的必要保證。

　　據了解，在沒有空間在軌3D打印制造技術前，空間站需要準備和儲存備用零部件用于維修和更換，如果缺乏備用件，只能通過貨運飛船運抵空間站，時間長，花費高。段宣明教授說，空間3D打印制造技術的打印速度為10—30毫米/秒，可以在一到兩天內打印出需要更換的零部件，且適用于絕大部分零部件，在空間站運營、深空探測等任務中有不可或缺的作用，能方便、快捷地幫助宇航員在失重環境下自制所需的實驗和維修工具及零部件，大幅度提高空間站實驗的靈活性和維修的及時性，減少空間站備品備件的種類、數量及運營成本，降低空間站對地面補給的依賴性。

　　中國航發破世界尖端增材制造技術

　　由中國華中某科技大學研發的大型3D打印技術應經通過了國家驗收，這說明這種世界上效率最高，打印尺寸最大的高進度金屬零件加工技術已經可以進入到實際應用中。而且這種大型裝備可以為我國的航空航天高精尖金屬零件的研制和生產上鋪平道路，甚至起到推倒”把脖子“技術瓶頸的至關重要的作用。這對中國航空發動機制造來說絕對是個好消息！

　　未來這種大型3D打印技術最主要的應用就是在發動機關鍵金屬部件上使用，比如航空發動機的葉片，航天火箭燃料泵的渦輪等加工要求精度高，加工復雜的金屬件上。一次性高精度成型，無論是樣品試制的時間或者直接量產時間都會成倍的縮短。尤其是現在航空航天設備都要求輕量化、可靠性要求高，壽命要長、成本更低的方向發展，所以這種大型3D打印設備的應用空間非常廣泛。這回中國攻克3D激光打印技術，全稱為“大型金屬零件高效激光選區熔化增材制造裝備“，其實是一種采用自動鋪金屬粉末堆疊后使用激光融化后再成型技術，簡單的說就是類似于玩蠟燭一樣。加工精度高，后期不需要過度加工，所以廣受國際上新材料領域的追捧，不過大家也都清楚的了解到這種技術在制造大型設備領域存在成型效率低，成型尺寸小的缺陷，所以誰能率先攻克大尺寸高效率的3D打印技術，誰就可以獲得領先地位。

　　目前歐美國家已經開始試驗使用3D金屬打印技術來打印發動機葉片的工藝，不過受制于效率問題，只是處于試驗階段尚未拖入量產，這正是中國可以大有作為的領域。由于中國在大功率激光器領域具備國際領先優勢，所以在核心部件上不存在被人制約的情況。而且打印所需的鈦合金、不銹鋼、高溫合金、鋁合金、鎂合金粉末都可以完全自主國產，所以中國在3D金屬打印領域取得了相當大的成績。現在國產的火箭發動機、運載火箭、衛星、導彈、20多個號產品上都有中國3D金屬打印產品。

　　長期以來，在渦扇發動機領域的發動機葉片要承受高溫和高壓的持續炙烤和離心拉伸。而且要求具備良好的抗氧化性能和耐疲勞程度和拉伸韌性。以前發動葉片生產是需要采用定向凝固法才可以實施，加工復雜成型難度大。這種加工方法是正常澆注時配合電磁鐵產生定向磁場讓高溫合金緊密排列。加工難度大，制造復雜，所以最適合先進3D打印技術進行替換升級。中國目前掌握的這項技術，不僅可以為中國的戰斗機的發動機葉片進行升級改造，同時對于中國大飛機的發動機研制和其他結構件的制造打開一片新的思路。

　　在傳統發動機領域，俄羅斯確實是中國師傅輩，但是在新型材料和制造技術領域，俄羅斯卻一直是個短板，尤其是3D打印領域，俄羅斯一直沒有把它列為國家戰略。所以俄羅斯很多有技術積累的公司都主動和中國展開技術合作。當聽說中國把3D打印技術列為國家戰略后，甚至相當迫切的直接找上門來跟中國在這些領域建立聯合實驗室開發研究。此次俄羅斯總統普京在訪華行程中，就會有關于新型制造業的合作討論，有充分理由相信大型3D金屬打印技術也會列入此番合作意向中，很有可能會實現中國制造對俄再出口，這無疑將會是繼船用發動機、大型補給設備后另一項突破性進展。