大爆料：2016上半年九大尖端3D打印技術(shù)

在這個充滿競爭的時代，科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，這對于每個國家來說都是必然且必要。自3D打印技術(shù)全面踏入市場以來，其技術(shù)前進(jìn)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(yè)“大改造”的潮流之中！今天，我們就來看看今年又出現(xiàn)了哪些充滿前景的3D打印技術(shù)吧：

　　新型金屬3D打印技術(shù)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(shù)。這家公司搞研發(fā)都投入了近億美金，“全球3D打印企業(yè)估值排行榜”中位列第7名。

噴射技術(shù)金屬3D打印機內(nèi)部照片，和打印噴頭工作照

　　這種技術(shù)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(jié)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(dāng)打印完成后，構(gòu)建室會通過加熱將多余的液體蒸發(fā)，只留下金屬部分。獨特的支撐材料是這種技術(shù)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(shù)融化去除—與普通粉末燒結(jié)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(xiàn)，能顯著減少浪費，從而降低成本，而且還能給予設(shè)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(shù)每秒可沉積的液滴數(shù)量達(dá)到了2.21億。這與惠普的多射流熔融（MJF）3D打印技術(shù)類似。

　　惠普“牛牛噠”MJF 3D打印

　　我們都知道前段日子3D打印業(yè)內(nèi)發(fā)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(chǎn)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(shè)計的，而4200則主要用于快速制造?；萜展拘Q，這兩款產(chǎn)品都在體素（voxel）的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了各種參數(shù)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(shè)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(jìn)行的打印作業(yè)中添加額外的部件，以滿足緊急需要。這兩個系統(tǒng)的熱力學(xué)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(zhì)量保持一致 ，甚至可以根據(jù)需要進(jìn)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(dá)1200 dpi。目前的尺寸精度為0.2毫米。

　　具體來講，MJF具備以下優(yōu)勢：簡化工作流程并降低成本，實現(xiàn)快速成型;以突破性的經(jīng)濟效益實現(xiàn)零部件制造;降低了使用門檻、并支持各行業(yè)新應(yīng)用的開放式材料與軟件創(chuàng)新平臺?；萜?D打印業(yè)務(wù)總裁Stephen Nigro稱，HP 多噴嘴式熔融 3D打印解決方案以業(yè)內(nèi)的創(chuàng)新方式實現(xiàn)了高速度、高質(zhì)量和低成本的有效結(jié)合。這令企業(yè)和制造商可以重新思考為客戶設(shè)計和交付解決方案的方式。這也是目前業(yè)內(nèi)最為先進(jìn)的3D打印技術(shù)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(qū)熔化增材制造關(guān)鍵技術(shù)與裝備（俗稱激光3D打印技術(shù)）”順利通過了湖北省科技廳成果鑒定。深度融合了信息技術(shù)和制造技術(shù)等特征的激光3D打印技術(shù)，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(shù)難題，解決了航空航天復(fù)雜精密金屬零件在材料結(jié)構(gòu)功能一體化及減重等“卡脖子”關(guān)鍵技術(shù)難題，實現(xiàn)了復(fù)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(qū)同時掃描成形，成形效率和尺寸迄今為止同類設(shè)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(jù)了解，此項目攻克了多光束無縫拼接、4象限加工重合區(qū)制造質(zhì)量控制等眾多技術(shù)難題，實現(xiàn)了大型復(fù)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(chǎn)的鈦合金、不銹鋼、高溫合金、鋁合金、鎂合金粉末，實現(xiàn)了各種復(fù)雜精密零件的成形，其關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)與國外水平相當(dāng)。首次在SLM裝備中引入雙向鋪粉技術(shù)，其成形效率高出同類裝備的20-40%，標(biāo)志著我國自主研制的SLM成形技術(shù)與裝備達(dá)到了國際先進(jìn)水平。已經(jīng)有45種零件在20余種航天型號研制中得到應(yīng)用，先后為航天發(fā)動機、運載火箭、衛(wèi)星及導(dǎo)彈等裝備中6種型號20余種產(chǎn)品進(jìn)行了樣件研制，5種產(chǎn)品通過了熱試車，其中4種產(chǎn)品已經(jīng)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(chǎn)，所研制的零件不僅大大縮短了產(chǎn)品的研制周期，簡化了工序，更重要的是將結(jié)構(gòu)-功能一體化，獲得性能優(yōu)良的、輕質(zhì)的零件。

　　中科院研發(fā)的連續(xù)打印的超快3D打印技術(shù)

　　中科院福建物構(gòu)所林文雄課題組在國內(nèi)首次突破了可連續(xù)打印的三維物體快速成型關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)出一款能夠連續(xù)打印的超級快速3D打印機。這款3D打印機采用數(shù)字投影技術(shù)，打印速度達(dá)到每小時600毫米，也就是可以在6分鐘內(nèi)，打印出一個60毫米高的三維物體，而采用傳統(tǒng)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(tài)材料的3D打印技術(shù)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(gòu)造三維物體，層與層之間需中斷光照射，然后在已固化區(qū)域表面重新覆蓋或填充精確、均勻的光敏樹脂，再進(jìn)行光照射形成新的固化層，這種方式系統(tǒng)復(fù)雜且耗時。2015年3月，美國Carbon3D公司率先提出“連續(xù)液面生長技術(shù)”。該技術(shù)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(xù)性，從而比傳統(tǒng)的3D打印速度快25倍至100倍，達(dá)到每小時500毫米。

　　在此基礎(chǔ)之上，福建物構(gòu)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(xiàn)全程固化的高速連續(xù)性。

　　MIT成功開發(fā)3D打印“玻璃縫紉機”

　　今年早期，麻省理工學(xué)院(MIT)媒體實驗室的Mediated Matter在之前開發(fā)出的玻璃3D打印機基礎(chǔ)之上，與該校著名數(shù)學(xué)家Pierre-Thomas Brun博士共同合作，針對這一玻璃3D打印機再次開發(fā)出了一種基于數(shù)學(xué)計算的“熔態(tài)玻璃縫紉機(molten glass sewing machine)”應(yīng)用。

　　據(jù)了解，在“熔態(tài)玻璃縫紉機”應(yīng)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(xù)擠出熔融玻璃，從一邊到另一邊，從而形成波浪和環(huán)狀，這一過程可以通過調(diào)節(jié)噴嘴的速度精確控制。因此，該應(yīng)用可以使得Mediated Matter項目開發(fā)的玻璃3D打印機創(chuàng)建出復(fù)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(jìn)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(jìn)一步降低，小的交替圓圈將出現(xiàn)在軌跡中，如果其前進(jìn)的速度進(jìn)一步降低，這些小圓圈將變成更大的線圈。針對該3D打印設(shè)備的用途，研究人員們稱，這個有趣的技術(shù)可以用于雕刻或者其他3D打印項目。

　　NASA科學(xué)家的等離子3D納米打印技術(shù)

　　之前，美國宇航局（NASA）的科學(xué)家們開發(fā)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(xué)、生物傳感器、數(shù)據(jù)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(guān)來噴射納米管。當(dāng)?shù)入x子體關(guān)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(tǒng)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(tài)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(tǒng)就可以一次打印很大的表面?；蛘咚梢栽O(shè)計得像一個軟管，在三維曲面上噴涂納米材料。這種技術(shù)還能夠?qū)㈦姵夭牧洗蛴〉胶鼙〉慕饘伲ū热玟X）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(shè)備上。

　　生物打印厚實血管組織技術(shù)

　　日前，哈佛大學(xué)John A. Paulson工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）與哈佛Wyss生物工程研究所組成的一個科學(xué)家團隊已經(jīng)發(fā)明了一種方法，可以用人類干細(xì)胞、細(xì)胞外基質(zhì)和內(nèi)襯血管內(nèi)皮細(xì)胞的循環(huán)通道3D打印出厚實的血管化組織構(gòu)造。最終形成的包含在深層組織內(nèi)的血管網(wǎng)絡(luò)能夠使液體、營養(yǎng)物質(zhì)和細(xì)胞生長因子均勻地灌注于整個組織。這項重大突破已經(jīng)于2016年3月7日發(fā)表在了《 Proceedings of the National Academy of Sciences》雜志上。

　　據(jù)了解，在其之前工作的基礎(chǔ)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(fù)開辟了廣闊的道路。該方法將血管管路與活細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)合起來，使該結(jié)構(gòu)能夠像活體組織那樣發(fā)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。在這種模具里，研究人員首先打印出血管管路網(wǎng)格，然后再在上面打印含有活體干細(xì)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(jié)構(gòu)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(chǔ)性血管網(wǎng)格內(nèi)部的交叉路口，研究人員會打印血管立柱，這些血管網(wǎng)格相互連接，就在整個干細(xì)胞堆積的組織內(nèi)部形成了一個無所不在的微血管網(wǎng)絡(luò)。在打印之后，一種由成纖維細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)組成的液體會填進(jìn)3D打印組織周圍的開放區(qū)域，交聯(lián)其整個結(jié)構(gòu)。

　　最終產(chǎn)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(yǎng)物質(zhì)，以保證細(xì)胞存活。而無所不在的血管系統(tǒng)則通過將細(xì)胞生長因子運送至整個組織的所有地方來促進(jìn)干細(xì)胞的分化。研究人員們稱，如果要實現(xiàn)各種形狀、厚度和成分的組織，可以通過設(shè)計3D打印硅膠模具的形狀以及調(diào)制擁有不同細(xì)胞類型的細(xì)胞油墨來實現(xiàn)。

　　我國創(chuàng)首臺太空3D打印機

　　中科院重慶研究院與中科院空間應(yīng)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(shù)研究所副所長、3D打印技術(shù)研究中心主任段宣明介紹，經(jīng)過兩年努力，該院與空間應(yīng)用中心研發(fā)出我國首臺空間3D打印機，可打印最大零部件尺寸達(dá)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(huán)境下3D打印裝備的關(guān)鍵技術(shù)與工藝，實現(xiàn)了塑料和復(fù)合材料兩種材料，以及失重、超重和正常重力3類工藝參數(shù)的4種模型的微重力打印，獲得了微重力環(huán)境對3D打印工藝參數(shù)影響的實驗數(shù)據(jù)，為我國2020年完成空間站建造及后期運營奠定了基礎(chǔ)。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(wù)的必要保證。

　　據(jù)了解，在沒有空間在軌3D打印制造技術(shù)前，空間站需要準(zhǔn)備和儲存?zhèn)溆昧悴考糜诰S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(shù)的打印速度為10—30毫米/秒，可以在一到兩天內(nèi)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(wù)中有不可或缺的作用，能方便、快捷地幫助宇航員在失重環(huán)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(shù)量及運營成本，降低空間站對地面補給的依賴性。

　　中國航發(fā)破世界尖端增材制造技術(shù)

　　由中國華中某科技大學(xué)研發(fā)的大型3D打印技術(shù)應(yīng)經(jīng)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(jìn)度金屬零件加工技術(shù)已經(jīng)可以進(jìn)入到實際應(yīng)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(chǎn)上鋪平道路，甚至起到推倒”把脖子“技術(shù)瓶頸的至關(guān)重要的作用。這對中國航空發(fā)動機制造來說絕對是個好消息！

　　未來這種大型3D打印技術(shù)最主要的應(yīng)用就是在發(fā)動機關(guān)鍵金屬部件上使用，比如航空發(fā)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(fù)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(chǎn)時間都會成倍的縮短。尤其是現(xiàn)在航空航天設(shè)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(fā)展，所以這種大型3D打印設(shè)備的應(yīng)用空間非常廣泛。這回中國攻克3D激光打印技術(shù)，全稱為“大型金屬零件高效激光選區(qū)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(shù)，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(lǐng)域的追捧，不過大家也都清楚的了解到這種技術(shù)在制造大型設(shè)備領(lǐng)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(shù)，誰就可以獲得領(lǐng)先地位。

　　目前歐美國家已經(jīng)開始試驗使用3D金屬打印技術(shù)來打印發(fā)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(chǎn)，這正是中國可以大有作為的領(lǐng)域。由于中國在大功率激光器領(lǐng)域具備國際領(lǐng)先優(yōu)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(chǎn)，所以中國在3D金屬打印領(lǐng)域取得了相當(dāng)大的成績?，F(xiàn)在國產(chǎn)的火箭發(fā)動機、運載火箭、衛(wèi)星、導(dǎo)彈、20多個號產(chǎn)品上都有中國3D金屬打印產(chǎn)品。

　　長期以來，在渦扇發(fā)動機領(lǐng)域的發(fā)動機葉片要承受高溫和高壓的持續(xù)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(fā)動葉片生產(chǎn)是需要采用定向凝固法才可以實施，加工復(fù)雜成型難度大。這種加工方法是正常澆注時配合電磁鐵產(chǎn)生定向磁場讓高溫合金緊密排列。加工難度大，制造復(fù)雜，所以最適合先進(jìn)3D打印技術(shù)進(jìn)行替換升級。中國目前掌握的這項技術(shù)，不僅可以為中國的戰(zhàn)斗機的發(fā)動機葉片進(jìn)行升級改造，同時對于中國大飛機的發(fā)動機研制和其他結(jié)構(gòu)件的制造打開一片新的思路。

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