大爆料：2016上半年九大尖端3D打印技术

在这个充满竞争的时代，科学技术是第一生产力，这对于每个国家来说都是必然且必要。自3D打印技术全面踏入市场以来，其技术前进的脚步从未停顿；相反，其正以一股排山倒海之势奔涌而来，汇入全球制造业“大改造”的潮流之中！今天，我们就来看看今年又出现了哪些充满前景的3D打印技术吧：

　　新型金属3D打印技术XJET

　　6月1日，在上海的第四届世界3D打印博览会的交流论坛上，有一个来自以色列的牛叉公司XJET，带来了喷射成型的新型金属3D打印技术。这家公司搞研发都投入了近亿美金，“全球3D打印企业估值排行榜”中位列第7名。

喷射技术金属3D打印机内部照片，和打印喷头工作照

　　这种技术之所以独特是因为采用的原理和材料与普通金属3D打印工艺都不相同，并非使用激光烧结金属颗粒粉末，而是喷射含有金属纳米颗粒的墨水。这种方式带来的好处之一就是能使用普通的喷墨打印头作为工具。当打印完成后，构建室会通过加热将多余的液体蒸发，只留下金属部分。独特的支撑材料是这种技术的另一个亮点。这种材料无需借助任何外力即可通过专门的技术融化去除—与普通粉末烧结金属3D打印工艺需要以同样的材料建立支撑相比，这种方法不但更容易实现，能显著减少浪费，从而降低成本，而且还能给予设计师更大的自由—因为它是通过融化去除的，所以理论上可以无限添加。

　　这种纳米颗粒喷射技术每秒可沉积的液滴数量达到了2.21亿。这与惠普的多射流熔融（MJF）3D打印技术类似。

　　惠普“牛牛哒”MJF 3D打印

　　我们都知道前段日子3D打印业内发生了一件大事，IT巨人惠普公司终于正式推出了备受市场期待的3D打印解决方案，而且一次推出了两款产品，分别是HP Jet Fusion 3D 3200和HP Jet Fusion 3D 4200。其中3200主要是为快速原型而设计的，而4200则主要用于快速制造。惠普公司宣称，这两款产品都在体素（voxel）的基础上实现了各种参数的控制，令3D打印速度提升了十倍，而每个打印对象的成本降至最低，材料的可重用性也大幅提升。设备的3D打印速度也提升了25%，冷却速度提升了5倍，每个对象的打印成本更低，可以在正在进行的打印作业中添加额外的部件，以满足紧急需要。这两个系统的热力学控制功能可以实时控制打印床上的900个点，从而可以使每一层粉末的质量保持一致 ，甚至可以根据需要进行逐层的纠正。这两款机器都有3个打印头，每个打印头上都有1万个喷嘴，分辨率可达1200 dpi。目前的尺寸精度为0.2毫米。

　　具体来讲，MJF具备以下优势：简化工作流程并降低成本，实现快速成型;以突破性的经济效益实现零部件制造;降低了使用门槛、并支持各行业新应用的开放式材料与软件创新平台。惠普3D打印业务总裁Stephen Nigro称，HP 多喷嘴式熔融 3D打印解决方案以业内的创新方式实现了高速度、高质量和低成本的有效结合。这令企业和制造商可以重新思考为客户设计和交付解决方案的方式。这也是目前业内最为先进的3D打印技术的一种。

　　武汉光电国家实验室的最大激光3D打印

　　4月，由武汉光电国家实验室完成的“大型金属零件高效激光选区熔化增材制造关键技术与装备（俗称激光3D打印技术）”顺利通过了湖北省科技厅成果鉴定。深度融合了信息技术和制造技术等特征的激光3D打印技术，由4台激光器同时扫描，为目前世界上效率和尺寸最大的高精度金属零件激光3D打印装备。该装备攻克了多重技术难题，解决了航空航天复杂精密金属零件在材料结构功能一体化及减重等“卡脖子”关键技术难题，实现了复杂金属零件的高精度成形、提高成形效率、缩短装备研制周期等目的。

　　该项目率先在国际上提出并研制出成形体积为500×500×530mm3的4光束大尺寸SLM增材制造装备，它由4台500W光纤激光器、4台振镜分区同时扫描成形，成形效率和尺寸迄今为止同类设备中世界最大。而此前，该装备最多使用两台光纤激光器，成形效率低。

　　据了解，此项目攻克了多光束无缝拼接、4象限加工重合区制造质量控制等众多技术难题，实现了大型复杂金属零件的高效率、高精度、高性能成形。先后自主研制出SLM系列多种装备，并采用国产的钛合金、不锈钢、高温合金、铝合金、镁合金粉末，实现了各种复杂精密零件的成形，其关键技术指标与国外水平相当。首次在SLM装备中引入双向铺粉技术，其成形效率高出同类装备的20-40%，标志着我国自主研制的SLM成形技术与装备达到了国际先进水平。已经有45种零件在20余种航天型号研制中得到应用，先后为航天发动机、运载火箭、卫星及导弹等装备中6种型号20余种产品进行了样件研制，5种产品通过了热试车，其中4种产品已经定型。先后有多台SLM装备被航天科技集团三大总体研究院用于航天零件的研制与批产，所研制的零件不仅大大缩短了产品的研制周期，简化了工序，更重要的是将结构-功能一体化，获得性能优良的、轻质的零件。

　　中科院研发的连续打印的超快3D打印技术

　　中科院福建物构所林文雄课题组在国内首次突破了可连续打印的三维物体快速成型关键技术，开发出一款能够连续打印的超级快速3D打印机。这款3D打印机采用数字投影技术，打印速度达到每小时600毫米，也就是可以在6分钟内，打印出一个60毫米高的三维物体，而采用传统的立体光固化成型工艺打印同样物体，则需要约10个小时。

　　专家介绍说，目前针对液态材料的3D打印技术多采用立体光固化成型工艺，也就是用材料逐层固化、层层累积的方式来构造三维物体，层与层之间需中断光照射，然后在已固化区域表面重新覆盖或填充精确、均匀的光敏树脂，再进行光照射形成新的固化层，这种方式系统复杂且耗时。2015年3月，美国Carbon3D公司率先提出“连续液面生长技术”。该技术采用透光透气材料特氟龙引入氧气作为固化抑制剂，使固化过程保持连续性，从而比传统的3D打印速度快25倍至100倍，达到每小时500毫米。

　　在此基础之上，福建物构所研究人员提出了一种特殊的半渗透性透明元件取代特氟龙，这种元件对氧气的透过率比一般高分子聚合物高，因此氧气或空气均可作为固化抑制剂使用，实现全程固化的高速连续性。

　　MIT成功开发3D打印“玻璃缝纫机”

　　今年早期，麻省理工学院(MIT)媒体实验室的Mediated Matter在之前开发出的玻璃3D打印机基础之上，与该校著名数学家Pierre-Thomas Brun博士共同合作，针对这一玻璃3D打印机再次开发出了一种基于数学计算的“熔态玻璃缝纫机(molten glass sewing machine)”应用。

　　据了解，在“熔态玻璃缝纫机”应用中，其独特的3D打印机喷嘴将摇摆着在一定的高度水平上连续挤出熔融玻璃，从一边到另一边，从而形成波浪和环状，这一过程可以通过调节喷嘴的速度精确控制。因此，该应用可以使得Mediated Matter项目开发的玻璃3D打印机创建出复杂的3D打印玻璃器皿。如果熔化的玻璃下落速度比喷嘴前进的速度慢，那么喷嘴挤出的线将成波浪状，而不是一条直线，如果喷嘴速度进一步降低，小的交替圆圈将出现在轨迹中，如果其前进的速度进一步降低，这些小圆圈将变成更大的线圈。针对该3D打印设备的用途，研究人员们称，这个有趣的技术可以用于雕刻或者其他3D打印项目。

　　NASA科学家的等离子3D纳米打印技术

　　之前，美国宇航局（NASA）的科学家们开发出了一种新型纳米材料打印工艺，使人们可以用它更容易、更便宜地制造诸如可穿戴化学、生物传感器、数据存储器和集成电路之类的装置，而且可以将其打印在弯曲的表面上，比如纸或者布等。该喷嘴通过氦等离子体的开关来喷射纳米管。当等离子体关闭时，纳米管的密度小。该等离子体能够以很高的密度和良好的附着力将纳米管聚集在基板上。

　　而且该基于等离子打印系统并不需要热处理阶段，事实上，整个过程只需要40摄氏度左右的温度，而且也不要求打印材料一定是液态的。这种3D打印方法非常灵活，很容易就能扩展——只需添加更多的喷嘴即可。例如，一个花洒式的系统就可以一次打印很大的表面。或者它可以设计得像一个软管，在三维曲面上喷涂纳米材料。这种技术还能够将电池材料打印到很薄的金属（比如铝）板上，然后将该金属板卷起来，制造出非常小，但是功能却非常强大的电池，以用在手机或者其他设备上。

　　生物打印厚实血管组织技术

　　日前，哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院（SEAS）与哈佛Wyss生物工程研究所组成的一个科学家团队已经发明了一种方法，可以用人类干细胞、细胞外基质和内衬血管内皮细胞的循环通道3D打印出厚实的血管化组织构造。最终形成的包含在深层组织内的血管网络能够使液体、营养物质和细胞生长因子均匀地灌注于整个组织。这项重大突破已经于2016年3月7日发表在了《 Proceedings of the National Academy of Sciences》杂志上。

　　据了解，在其之前工作的基础上，Lewis她的团队将可3D打印的组织厚度增加了近10倍，从而为下一步的组织工程与修复开辟了广阔的道路。该方法将血管管路与活细胞和细胞外基质结合起来，使该结构能够像活体组织那样发挥作用。在研究中，Lewis及其研究团队证明，他们3D生物打印的组织可以维持像活组织结构那样的功能超过六个星期！

　　这种全新的3D生物打印方法主要使用一种可自定义的3D打印硅胶模具来容纳和扶持打印的组织结构。在这种模具里，研究人员首先打印出血管管路网格，然后再在上面打印含有活体干细胞的油墨。需要指出的是，这些油墨是可以自我支撑的，其强度足以在该结构尺寸随着逐层沉积而不断增长的过程中保持形状。在这个基础性血管网格内部的交叉路口，研究人员会打印血管立柱，这些血管网格相互连接，就在整个干细胞堆积的组织内部形成了一个无所不在的微血管网络。在打印之后，一种由成纤维细胞和细胞外基质组成的液体会填进3D打印组织周围的开放区域，交联其整个结构。

　　最终产生的软组织充满了血管，然后研究人员通过该硅胶模具两端的出入口可以向该组织灌注营养物质，以保证细胞存活。而无所不在的血管系统则通过将细胞生长因子运送至整个组织的所有地方来促进干细胞的分化。研究人员们称，如果要实现各种形状、厚度和成分的组织，可以通过设计3D打印硅胶模具的形状以及调制拥有不同细胞类型的细胞油墨来实现。

　　我国创首台太空3D打印机

　　中科院重庆研究院与中科院空间应用中心近日共同研制成功我国首台空间3D打印机，并于日前在法国波尔多完成了抛物线失重飞行试验，其可打印最大零部件尺寸超过美国国家航空航天局(NASA)3月26日运至国际空间站的升级版3D打印机打印尺寸。记者在中科院重庆研究院看到，一台保险箱大小的3D打印机，打印出不同类型的零部件，包括扳手、螺帽、连接杆等。无论如何倾斜，这台空间3D打印机都能正常工作。

　　中科院重庆研究院智能制造技术研究所副所长、3D打印技术研究中心主任段宣明介绍，经过两年努力，该院与空间应用中心研发出我国首台空间3D打印机，可打印最大零部件尺寸达到200×130mm，该尺寸是NASA首台空间在轨打印机打印尺寸的2倍以上，并超过今年3月26日NASA运至国际空间站的升级版3D打印机打印尺寸。该3D打印机曾在法国波尔多完成了抛物线失重飞行试验，通过93次失重测试，验证了微重力环境下3D打印装备的关键技术与工艺，实现了塑料和复合材料两种材料，以及失重、超重和正常重力3类工艺参数的4种模型的微重力打印，获得了微重力环境对3D打印工艺参数影响的实验数据，为我国2020年完成空间站建造及后期运营奠定了基础。而空间在轨3D打印制造是解决空间站维修保障需求的有效方法，是完成未来深空探测任务的必要保证。

　　据了解，在没有空间在轨3D打印制造技术前，空间站需要准备和储存备用零部件用于维修和更换，如果缺乏备用件，只能通过货运飞船运抵空间站，时间长，花费高。段宣明教授说，空间3D打印制造技术的打印速度为10—30毫米/秒，可以在一到两天内打印出需要更换的零部件，且适用于绝大部分零部件，在空间站运营、深空探测等任务中有不可或缺的作用，能方便、快捷地帮助宇航员在失重环境下自制所需的实验和维修工具及零部件，大幅度提高空间站实验的灵活性和维修的及时性，减少空间站备品备件的种类、数量及运营成本，降低空间站对地面补给的依赖性。

　　中国航发破世界尖端增材制造技术

　　由中国华中某科技大学研发的大型3D打印技术应经通过了国家验收，这说明这种世界上效率最高，打印尺寸最大的高进度金属零件加工技术已经可以进入到实际应用中。而且这种大型装备可以为我国的航空航天高精尖金属零件的研制和生产上铺平道路，甚至起到推倒”把脖子“技术瓶颈的至关重要的作用。这对中国航空发动机制造来说绝对是个好消息！

　　未来这种大型3D打印技术最主要的应用就是在发动机关键金属部件上使用，比如航空发动机的叶片，航天火箭燃料泵的涡轮等加工要求精度高，加工复杂的金属件上。一次性高精度成型，无论是样品试制的时间或者直接量产时间都会成倍的缩短。尤其是现在航空航天设备都要求轻量化、可靠性要求高，寿命要长、成本更低的方向发展，所以这种大型3D打印设备的应用空间非常广泛。这回中国攻克3D激光打印技术，全称为“大型金属零件高效激光选区熔化增材制造装备“，其实是一种采用自动铺金属粉末堆叠后使用激光融化后再成型技术，简单的说就是类似于玩蜡烛一样。加工精度高，后期不需要过度加工，所以广受国际上新材料领域的追捧，不过大家也都清楚的了解到这种技术在制造大型设备领域存在成型效率低，成型尺寸小的缺陷，所以谁能率先攻克大尺寸高效率的3D打印技术，谁就可以获得领先地位。

　　目前欧美国家已经开始试验使用3D金属打印技术来打印发动机叶片的工艺，不过受制于效率问题，只是处于试验阶段尚未拖入量产，这正是中国可以大有作为的领域。由于中国在大功率激光器领域具备国际领先优势，所以在核心部件上不存在被人制约的情况。而且打印所需的钛合金、不锈钢、高温合金、铝合金、镁合金粉末都可以完全自主国产，所以中国在3D金属打印领域取得了相当大的成绩。现在国产的火箭发动机、运载火箭、卫星、导弹、20多个号产品上都有中国3D金属打印产品。

　　长期以来，在涡扇发动机领域的发动机叶片要承受高温和高压的持续炙烤和离心拉伸。而且要求具备良好的抗氧化性能和耐疲劳程度和拉伸韧性。以前发动叶片生产是需要采用定向凝固法才可以实施，加工复杂成型难度大。这种加工方法是正常浇注时配合电磁铁产生定向磁场让高温合金紧密排列。加工难度大，制造复杂，所以最适合先进3D打印技术进行替换升级。中国目前掌握的这项技术，不仅可以为中国的战斗机的发动机叶片进行升级改造，同时对于中国大飞机的发动机研制和其他结构件的制造打开一片新的思路。

　　在传统发动机领域，俄罗斯确实是中国师傅辈，但是在新型材料和制造技术领域，俄罗斯却一直是个短板，尤其是3D打印领域，俄罗斯一直没有把它列为国家战略。所以俄罗斯很多有技术积累的公司都主动和中国展开技术合作。当听说中国把3D打印技术列为国家战略后，甚至相当迫切的直接找上门来跟中国在这些领域建立联合实验室开发研究。此次俄罗斯总统普京在访华行程中，就会有关于新型制造业的合作讨论，有充分理由相信大型3D金属打印技术也会列入此番合作意向中，很有可能会实现中国制造对俄再出口，这无疑将会是继船用发动机、大型补给设备后另一项突破性进展。