盤點2016年即將爆發的3D打印技術

最近許多針對3D打印行業的預測普遍認為：2016年是世界3D打印行業市場的爆發年。或許我們對這種看法已經見怪不怪了。像去年，人們無時無刻不在說3D打印將爆發，但大都被看作是行業炒作。但今年這些預測或許有據可依，因為在經歷了2015年的跌跌宕宕之后，3D打印逐漸從過去的“虛浮縹緲”變得更加明了。而如今的市場也不會像2015年初那樣被瘋狂炒作。因為，隨著惠普、東芝、三星、微軟等國際性大企業的陸續加盟，整個行業將會迎來一場新的變革，而這些大公司恰恰起到了推動和引領作用。在這種大趨勢下，2016年將會出現更多3D打印新技術，推動3D打印產業向前發展。接下來我們就來看看，2016年哪些3D打印技術將“火”起來：

　　1.納米3D打印

　　或許你還對去年10月習主席獲英國帝國理工學院贈送的中國長城模型記憶猶新，這是一段只有100微米長的中國長城。這項技術由Hamlyn中心醫療機器人部的研究人員開發，并由NanoScribe公司的Photonic Professional GT 3D打印機打印出來的。

　　這種技術是通過三維激光直寫系統通過超短的激光脈沖曝光，預先勾勒出三維立體微納米結構的輪廓；再經過顯影程序，最終獲得可自行支撐的立體結構固著于襯底材料上，從而實現了納米3D打印。其類似于光固化快速成型技術，是一種“納米光學”3D打印法，這種基于選擇性固化液體物質的3D打印技術是雙光子聚合技術，通過實用“飛秒脈沖激光”選擇性逐層固化感光性樹脂，打印機分辨率達到0.0001毫米，打印出來的東西比細菌還小。這種技術不但可以制造能夠游泳的微型機器人，精確高效地將藥物送至到身體的目標區域，而且可以制作極小的手術工具成為顯微外科手術所需的納米工具。在科研上的潛力價值體現在，醫生可以精確的將癌癥治療藥物送至目標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生完成極其復雜的眼部手術而無需擔心會對眼鏡造成傷害。

　　如今，這種納米3D打印技術的市場越來越凸顯出來，而且應用面積非常廣泛，目前已經應用在了諸如細胞生物學（三維細胞生物支架）、組織工程學、光子－光半導體和材料、鑄造－PDMS結構復制工程、光子線鍵－芯片互連技術、超材料－機械微晶結構、微桁架和微流控芯片等各種領域。

　　2.碳纖維3D打印

　　碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維“外柔內剛”，質量比金屬鋁輕，但強度卻高于鋼鐵，并且具有耐腐蝕、高模量的特性，在國防軍工和民用方面都是重要材料。而針對碳纖維作材料的3D打印技術近期也在全球陸續興起，各大企業和研究機構也都是看中了碳纖維材料相對普通材料的極大優勢，這成為碳纖維打印技術快速發展的動力之一。

　　據悉，其中比較高端的是由美國硅谷的Arevo Labs推出的一個可擴展的以機器人為基礎的增材制造設備用來打印復合材料。該平臺由一個市售的機械臂，復合沉積端執行器和一個全面的軟件套件組成，根據機器人的大小，打印體積可以從1000立方毫米達到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，并用內置熱源把它們融合在一起。最后，由一名技術人員將不需要的材料移除，打印過程就算完成了，打印完成后的零部件要比使用傳統熱塑性材料3D打印出來的部件強度要高2倍-10倍，打印成品可以抵抗許多惡劣的環境，可見碳纖維3D打印技術的優勢非同一般。

　　而國際上并非都是關于機械臂或者僅限于大型工業級碳纖維打印，還有一種桌面級碳纖維3D打印產品叫做Mark One，其機器長寬高分別為575*322*360mm，成型尺寸為305*160*160mm。其優勢在于，一是可使用碳纖維作為打印材料，二是使用復合材料，直接制作高強度的部件和工具。該機型采用雙擠出頭，可兼容碳纖維、玻璃纖維、尼龍和PLA耗材；制作實際部件時能夠選擇合適的材料，兼顧強度和成本；3D打印的部件甚至能夠取代經過金屬加工的部件，這是碳纖維3D打印實現輕便化一大重要例證。故此，在往后的不斷發展中，傳統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也將逐漸與碳纖維材料融合實現真正的高強度，高質量。

　　3.多射流熔融技術

　　惠普公司（HP Inc.）即將進軍3D打印市場已經不是新聞，而在去年的時候該公司還發布了其號稱將徹底改變3D打印行業的多射流熔融（MJF）3D打印技術，該技術基于他們現有的高分辨率2D熱噴墨技術，據稱比現有的大多數工業級3D打印機快10倍。

　　據惠普公司爆料，該技術的工作方式簡單來說就是：先鋪一層粉末，然后噴射熔劑，與此同時還會噴射一種精細劑，以保證打印對象邊緣的精細度，然后再在上面施加一次熱源。惠普公司表示，這將使其打印速度比選擇性激光燒結（SLS）技術、熔融沉積成型（FDM）技術快10倍，而且不會犧牲部件的精細度。得益于其易疊放的噴墨組件的設置，MJF 3D打印機的可打印尺寸范圍相當大，從4.25英寸直到40英寸寬都可。但這個數字會受到固化時間和支撐材料生成能力的限制。我們的猜測是，其最大打印高度可能會在8至12英寸之間。綜合惠普在Autodesk University2015大會上披露出來的信息，其全彩MJF 3D打印機對打印過程中對象屬性的控制達到了3D空間中體素級的水平。這給了他們對最終打印對象的材料屬性更多的控制權，尤其是與傳統的3D打印技術相比。MJF 3D打印機將能夠控制對象部件的密度、強度、摩擦系數、紋理，甚至包括部件的電學和熱性能。

　　傳統的3D打印技術往往需要犧牲精度和表面光潔度來實現零件的強度，或者相反。而MJF 3D打印工藝將使打印部件的質量無論是強度還是表面質量都類似注塑成型的產品。他們將在其專有的打印工藝中通過使用多種粘合劑和固化劑來實現這一目標。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象特定的點上以獲得最大的粘合度，同時，使用一種精細的介質，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。該技術的打印速度和廣泛的適用性都是其它3D打印技術無法望其項背的。

　　4. 熱熔玻璃縫紉機

　　早在2015年8月，麻省理工學院(MIT)媒體實驗室的Mediated Matter項目成功地開發出了具有相當精度的玻璃3D打印機。而近期，Mediated Matter與該校玻璃實驗室以及著名數學家Pierre-Thomas Brun博士共同合作，借助流體動力學研發了“熱熔玻璃縫紉機”技術，從字面上就不難理解，這個技術將會讓打印出來的玻璃以螺旋狀的形式存在，然后再進行“編織”構成更為復雜的模型。

　　由于在制作工藝上很像是用縫紉機將一條條線織成一塊布，因此 Pierre Thomas Brun 才會以“（縫紉機）”來給其命名。這種編織的方式打造出來的玻璃制品將會提供一定“整體柔韌性”，玻璃束越細，那么編織出來的產品柔韌性更強，如果與其他材質相融合的話，或許能夠做成一種功能性相當不錯的“服裝”，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打印玻璃器皿和其他產品，這項技術的突破性在于大大凸顯了3D打印應用于玻璃造型工業的巨大潛力，未來有望在玻璃產品制造產業大展宏圖。

　　不過目前此項技術相比傳統的堆棧式打印要昂貴不少，好在諸如 HP這樣的大公司已經開始著手玻璃 3D打印的相關工作，未來將此技術普及化并不是什么大問題，成本降低也是遲早的事，畢竟這項技術還存在著改善光導纖維的制程與降低成本等各種優點。

　　5.智能增材制造技術

　　如今，隨著智能加工和機器人技術的進步，人類干預的必要性可能很快就會成為過去的事情了。近日，由神戶大學教授Shirase Keiichi領導的一群研究人員開發出了一種機床原型，它能夠像3D打印機那樣制造精密部件。神戶大學研究團隊開發的這臺機器與大多數3D打印機或者機加工切削工具所不同的是，這實際上是一臺可以自己決定根據一個加工信息和切削條件的數據庫制訂優化加工流程的機器。

　　據該校工程研究生學院的研究人員稱，這一進展可以加速定制產品的制造，比如牙科植入物和人工骨等。Keiichi還期望它能夠為智能制造系統的持續開發鋪平道路，這種系統能夠通過減少錯誤和提高生產效率來降低成本和縮短制造時間。該項目的出現主要是為了解決金屬制造當前所面臨的一些問題：一方面，金屬切削需要大量的勞動來創造出指導機器的程序；另一方面，一旦切削過程開始之后，機器就無法對預想不到的問題做出調整，這意味著，如果出現問題，整個過程將不得不從頭開始。

　　使用這種智能增材制造機床之后，用戶要做的只是準備目標部件的一個3D模型和材料模型，而該機床將使用一個加工信息和切削條件的數據庫自行確定最佳加工過程，然后相應地自動選擇它的指令。業內普遍表明這種智能化3D打印技術在未來會很有市場，而目前這個3D打印機式的機床原型實際上是日本神戶大學正在進行的關于智能機床研究的一部分，并在最近舉辦的國際上三大機床貿易展之一的Emo Milano 2015上進行了展示，并受到了業內的廣泛關注。

　　6.生物細胞打印

　　在很多人還不清楚生物3D打印究竟是何處神圣的情況下，這項技術已經漸漸走向了商業化。近日，一家專門研究生物3D打印的美國企業——Organovo宣布正式成立商業部，專注于提供3D打印人類肝臟細胞。此前，Organovo公司和耶魯大學醫學院合作研發用于器官移植研究的3D打印組織，制作出了一個3D打印肝臟，可以用來檢測藥物的毒性，為生物3D打印開啟了一扇全新的大門。

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

　　通過Organovo這一舉措我們不難猜測，日后提供商業化服務的同類公司肯定會越來越多。從某一程度上來說，這對生命醫學研究有著積極的影響。當然，3D打印人體肝臟細胞只是Organovo宏偉目標的一小步，和眾多奮戰在該領域的研究人員一樣，他們的最終目的是通過3D打印實現器官移植。