精彩！现实版哈利·波特魔法棒——3D打印技术，将空想变为现实

文章来源：今日新材料

《哈利·波特》带我们走进了一个奇幻的世界：在哥特式的建筑背景下，魔法师挥一挥魔杖，念几句咒语，便能实现自己的愿望。地室里太黑了？没问题，有照明咒语。家里太脏了？放心，清理咒帮着打扫。此外，还可以骑着扫帚飞上天，披着斗篷隐形不见。

其实，“魔法”离我们并不遥远。在现实世界里，有种叫作3D打印的技术， 能够帮助我们自由地创造心中所想的物体。在发动“魔法”之前，我们需要先设计好“咒语”。换句话说，就是使用计算机对想要创造的物体进行三维建模。之后，将“咒语”传入“魔杖”——3D打印机，并向它供应魔力——材料和电力。稍等片刻，一个想象中的物体就被创造出来了（图1）。想象力有多丰富，创造的舞台就有多大。

图1 神奇的3D打印技术

3D打印技术，又称作增材制造，已有近40年的历史。它以三维数字模型为基础，通过喷头挤出、高能束扫描等手段，将金属、陶瓷、树脂等材料基本单元有选择性地连接起来，构建三维实体。一般情况下，3D打印采用逐层堆积的方式，每层的制造过程都可以看作是在一张纸上绘制图案。当我们拿到一个刚刚打印好的构件时，会看到它的侧面上近乎平行的纹路，这便是逐层打印留下的痕迹。将它剖开，在显微镜下可以观察到内部的微观结构和组织。通过精心设计3D打印的材料和工艺，可以实现对微观结构和组织的调控以及对微观缺陷的抑制和消除。

目前，3D打印技术快速发展，在医疗器械、航空航天、国防等领域呈现出广阔的应用前景。一个具有代表性的应用案例是微格金属。微格金属是一种多孔结构，由金属网格构成，网格的尺寸从几十纳米到几十微米不等。从宏观上看，微格金属就像一块海绵。由于里面空气的体积分数可以超过99.9%，它被视为世界上最轻的金属材料。尽管如此，微格金属仍然具有较高的强度。除了微格金属，典型的案例还有火柴头大小的金属齿轮、比头发直径还小的动物模型等。简言之，肉眼看得见、看不见的东西，3D打印都能制造出来。

基于独特的技术优势，3D打印有望推动第四次工业革命（简称工业 4.0）。较之传统的减材加工和等材制造，3D打印提供了更高的设计自由度、更短的产品研制周期、更环保节能的制造工艺以及满足个性化需求的定制选项。在减材加工中，主要通过切除、磨削等方法去掉原材料上多余的部分，从而得到具有特定形状和尺寸的构件。在等材制造中，如铸造、锻造、焊接等，材料在外界约束下被赋予一定形状，但不发生质量上的增加或减少。相比而言， 3D打印是一个从无到有的过程。在这个过程中，可以大幅提高原材料和能量的利用效率。这符合“碳达峰、碳中和”“绿色制造”等国家战略要求。更重要的是，它将复杂三维形体的制造过程降维至简单二维平面的制造，提供了一种普适的制造模式，人们可以根据需要，尽情发挥自己的聪明才智和艺术天分，而不用受限于加工工艺。在未来的日常生活中，只需要设计好模型， 然后发送到云上的3D打印机，便可以得到独一无二的定制牙刷、文具、运动鞋、自行车、工艺品等。

3D打印发展到今天，形成了以粉末床熔融、定向能量沉积、材料挤出、 黏结剂喷射、光固化等为代表的主流技术，打印构件的尺寸越来越大，精度越来越高，速度也越来越快。在原有技术不断改进提高的同时，新的打印技术也在不断出现，如双光子聚合、计算机轴向光刻等。

1.粉末床熔融

在日常生活中，人们可能会由于运动伤害、高空坠落、车祸冲击等原因导致严重的骨缺损。针对这一问题，理想的方法是用与缺损部位一样的植入体来替代。但是，对于不同的情况，所需植入体的结构千差万别。下面将要介绍的粉末床熔融（Powder Bed Fusion）成型技术为人工植入体的个性化制造带来了福音。

粉末床熔融成型是目前发展较为成熟、应用较为广泛的3D打印技术之一。该技术一般使用激光束或者电子束作为热源熔化粉末。在激光粉末床熔融成型的过程中，粉末床往往需要置于惰性气体（如氩气）的氛围中，对于金属材料来说，这可以防止其在高温环境下发生氧化；而在电子束粉末床熔融成型中，则需要高度真空的环境，如果存在气体分子，电子束会与气体分子发生碰撞，造成能量的损失和方向的改变。

在3D打印开始之前，需要采用软件对三维实体模型进行切片分层，并且规划好打印的路径和工艺参数。这一步完成后，使用刮刀在基板平台上铺一层薄而均匀的粉末颗粒。接着，如图2所示，高能束线沿着预设的轨迹扫描，将粉末熔化和融合。待束线扫过后，熔化的金属迅速凝固，形成沉积层。当一层粉末完成打印后，重复上述的铺粉和扫描加热过程。在这个过程中，除当前粉末层的熔化外，之前的沉积层也会有一部分被重新熔化，两者相互交叠，融合成一个整体。通过这样的层层堆积，最终，一个与模型相同的三维物体就被打印出来了。

在金属粉末床熔融成型的过程中，加热和冷却的速率都很快(10E3-10E8 K/s)。一般情况下，这有利于细化晶粒，获得更高的机械强度。然而，急速冷却容易造成较大的应力和变形。为了适当降低冷却速度，可以对基板平台进行预热或者对粉末床进行预扫描，以提高粉末床的温度。

图2 粉末床熔融成型的原理示意图

相比电子束，激光粉末床熔融成型的精度较高。这源于后者使用了较小的束斑尺寸和粉末粒径。一般情况下，激光的束斑尺寸小于100μm，粉末的颗粒直径小于50μm。但是，精度提升的同时牺牲了成型的效率。为了克服这一缺点，部分商业化设备同时使用多束激光进行加工。这背后需要更为强大的软件和控制系统作为支撑。

2. 定向能量沉积

除粉末床熔融成形外，目前应用较为广泛的另一项3D打印技术是定向能量沉积（Directed Energy Deposition）成型。如图3所示，它通过喷粉或送丝的方式使材料进入激光束、电子束等热源的作用范围。当热源离开后，熔融的材料快速冷却和凝固，与之前的沉积层形成一个整体。这样的沉积过程逐层反复，最后完成构件的打印。与粉末床熔融成形类似，为了避免金属在高温下发生氧化，可以通过喷嘴送入惰性气体，营造出局部保护环境。与粉末床熔融成型相比，定向能量沉积成型的精度稍差。但是，该技术在结构和成分的控制方面具有更高的自由度。第一，不需要额外的腔体，也就没有了腔体尺寸的限制，可以打印出尺寸更大的构件。第二，利用多轴系统调整喷嘴的角度，可以在斜面和曲面上沉积材料，并配合铣削、磨削等传统工序，去除多余的材料。第三，可以同时使用多个喷嘴在不同的位置进行不同材料的打印，也可以通过实时地改变材料的配比来自由地控制合金的成分。此外，由于使用了更大的束斑尺寸，能同时熔化更多的材料、形成更大的熔池，所以，定向能量沉积成型的打印速度也要更快。

图3 定向能量沉积成型的原理示意图

3. 材料挤出

早在商朝以前，人们就开始用泥条逐层堆叠的手艺来制作各式各样的陶器。下面将要介绍的挤出式3D打印技术与这种原始工艺有着异曲同工之妙。材料挤出成型使用本身或者加热后具有一定流动性的材料，将其以细丝状从喷嘴沿着指定的轮廓挤出，经过冷却凝固、化学交联等方式形成沉积层。

熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling）是最为人们熟知的一种挤出式3D打印技术。该技术一般使用高分子丝材。如图4所示，丝材被滚轮送进加热器，待加热至熔融态后从喷嘴挤出，最后很快冷却固化。除了丝材，也可以采用螺杆挤出颗粒原料，这样更利于不同材料之间的均匀混合，拓宽适用材料的范围。

图4 材料挤出成型的原理示意图

另一类挤出式3D打印技术称为墨水直写技术（Direct Ink Writing）。其工艺原理类似于生活中经常见到的注射器。如图4所示，材料直接在压力的驱动下从喷嘴中流出并固化。这里所说的“墨水”，并不是像水那样流动性极好的液体，而是类似于奶油的黏稠浆料。这种特殊的墨水在挤出后具有保持原状的能力，不会四处流动，最后通过光照、加热、化学反应等辅助手段实现固化成型。

挤出式3D打印技术的成型精度取决于喷嘴口径。针对不同的材料和应用场合，这一参数目前最小可达到数十微米，如用于微电子器件的导电油墨打印，最大可达到分米级，如用于建筑的混凝土打印。简单的设备、低廉的成本以及优异的可集成性使得这项技术无论在研究中还是应用中都经久不衰。

4. 黏结剂喷射

黏结剂喷射（Binder Jetting）成型是一种使用黏结剂有选择性地粘接粉末的技术（图5）。由于表面张力的影响，黏结剂不能完全填充粉末之间的空 隙，所以打印出的构件具有疏松多孔的内部结构。这些构件往往需要进行热处理，以进一步固化和强化。而在某些应用场合下，这种疏松多孔的结构反而成了优势。例如，铸造用的型芯需要这种微小孔隙，以具备一定的透气性以及铸件成型后便于除砂。再如，药物载体需要具有较大的比表面积，以便在体内能够快速降解。

图5 黏结剂喷射成型的原理示意图

黏结剂喷射成型也可以用来制造较为致密的构件。为了达到这个目的，需要进行一道称作排胶的工序。该工序可以去除粉末颗粒间的黏结剂，同时保证构件形状的完好。目前，一般使用高温加热的方法，将黏结剂分解为气体排出。待黏结剂完全消除后，需要升高温度进行第二道工序，即烧结。在这个过程中，粉末颗粒发生表面熔化而形成烧结颈。随着烧结颈的长大，构件发生收缩和致密化。这种体积的收缩（10%～20%）会影响构件的尺寸精度，可以通过放大打印的模型进行适当的补偿。这项技术不仅适用于金属，还适用于陶瓷等材料。但是，限于工艺特点，一般只能用在对力学性能要求不是很苛刻的场合。

5. 光固化

液态的光敏树脂受到光照后，会发生固化而转变为坚硬的固体。光固化 （Vat Polymerisation）就是利用了这一特性，一般使用紫外线选择性地固化液态树脂，进而得到需要的三维结构。

最早被提出的光固化技术是立体光刻（Stereolithography）。如图6所示， 打印平台被浸入盛有光敏树脂的容器中，并与容器的底面间隔一定距离。计算机按照模型的分层结果，操控激光对间隙内的树脂薄层进行扫描固化。每扫描完一层，平台便会向上移动一个层高。待新的树脂充填间隙后，再进行下一层的扫描。最终成型的构件还要在紫外灯箱中进一步固化。

图6 光固化的原理示意图

传统的立体光刻技术使用点状光源，固化效率很低。于是，人们考虑使用投影仪代替点状光源，直接向树脂表面投影图案，对整个树脂薄层同时进行固化，这种方法叫作数字光处理（Digital Light Processing），并由此衍生出了连续液面制造（Continuous Liquid Interface Production）等打印效率更高的光固化技术。

无论采用哪种光固化形式，构件的成型精度都会受到紫外线的光斑尺寸或者投影图像的像素尺寸的影响，一般为数十微米。但是，树脂材料不耐高温，强度也不高，所以，光固化3D打印技术最初主要用于手办、产品样件等对材料性能要求不高的场合。后来，科学家想到将金属或陶瓷粉末均匀分散到光敏树脂中，利用所得浆料进行光固化3D打印，再通过热处理去除树脂，就可以得到表面质量和致密度良好的金属或陶瓷构件。这一方法拓宽了光固化技术的适用范围，并在一些领域成了不可替代的方案。

6. 双光子聚合技术

光固化技术一般利用紫外光照射液态光敏材料，通过单光子吸收实现固化。因此，激光只能对树脂表层进行加工。此外，加工的最小区域受到光学衍射极限的限制，所以，普通的光固化技术难以达到微 / 纳米级的精度。

随着纳米医学、微电子等领域对于微 / 纳米三维结构的需求越来越大，一种名为双光子聚合（Two-Photon Polymerisation）的成型技术引起了人们的关注。不同于普通的光固化，双光子聚合一般采用近红外波段的飞秒激光（光子能量较低）在焦点局部区域完成聚合固化。如图7所示，在这个过程中，材料只有在极短的时间内同时吸收两个光子才能固化，是一种非线性光学效应。利用这种方法，科学家制造出了标志性作品——纳米牛。

图7 双光子聚合技术的原理示意图

双光子聚合技术可以使用高黏度树脂，不必添加额外支撑。通过调节光强，使其略高于双光子吸收的阈值，能够使成型精度突破光学衍射极限，达到纳米尺度，如10nm。同时，极短的脉冲时间也使得热量难以扩散，保证了加工的精度。

最近，有研究团队通过设计新的光敏树脂和引发剂体系，实现了引发剂对激光能量的两步吸收。其中，第一步吸收使分子处于中间态，而第二步吸收使分子变为激发态。与前文双光子吸收不同的是，这里材料对光子的两步吸收不需要同时进行，因此，这项新的技术可以使用比飞秒激光器价格更低、体积更小的低功率连续激光器。在成型精度方面，该技术能够与双光子聚合技术相媲美。但显然，无论采用何种原理，这类利用非线性光学特性的微 / 纳米尺度3D打印技术难以高效制备大尺寸结构。通过和其他成型技术相结合，可以更好地发挥其精度优势，推动微 / 纳米器件的功能化和集成化发展。

7. 计算机轴向光刻技术

传统的3D打印是一个逐道、逐层堆积的过程，所以打印出来的构件往往存在力学性能上的各向异性。而体积成型技术（Volumetric Additive Manufacturing）可以直接通过光照将构件整体同时成型。由于没有分层，构件的表面十分光滑。

计算机轴向光刻（Computed Axial Lithography）技术便是其中的一种， 它受到了计算机断层扫描（Computed Tomography）的启发，利用投影仪对盛有光敏树脂的容器进行旋转投影，如图8所示，在容器沿中轴线连续旋转的过程中，投影仪实时投影对应的图案，使一个三维区域内的树脂同时固化成型。你可能会疑惑：为什么其他受到光照的部分不会固化呢？这是因为光敏树脂中溶解有抑制固化的氧气。通过计算控制各个投影的强度，使得要成型区域的氧气先于其他区域耗尽，便能够固化该区域的树脂，而剩余的树脂仍会保持液态。

图8 计算机轴向光刻技术的原理示意图

与传统的方法相比，计算机轴向光刻技术的打印速度要快得多。例如，它能在1min内制造出拳头大的物体，而其他方法可能需要数小时。此外，计算机轴向光刻技术可以使用高黏度树脂，打印时甚至无需支撑。但是，它需要反馈系统实时进行计算优化，这增加了设备成本，需要高性能计算的支撑。

1. 单晶与类单晶

航空发动机被誉为“工业皇冠上的明珠”。其核心构件是涡轮叶片，需要在近千摄氏度的高温下长时间承受巨大载荷。这对材料的性能有着严苛的要求。镍基单晶高温合金在高温下仍然具有足够的力学性能，是制造涡轮叶片等热端零部件的理想选择。

通常来说，金属是多晶材料，由许多取向明显不同的晶粒构成。晶粒之间的结合界面称作晶界。晶界在高温和长时间载荷下容易产生裂纹。而单晶不同，在理想情况下，只由一个晶粒构成，没有晶界。实际上，还存在着晶粒数量较少、晶粒尺寸较大的晶体，称为类单晶或者准单晶。虽然不及理想的单晶，但相较于多晶，类单晶的性能已有很大提升。

目前，单晶组织多通过液态金属的定向凝固获得。在激光3D打印中， 由于熔池尺寸小、激光能量密度高，熔池内部的温度梯度峰值可以达到106～108K/m，具有比传统铸造工艺更强的定向凝固特征。这里以定向能量沉积技术为例，来说明类单晶构件的打印过程。如图9所示，在单晶基板上熔覆第一层时，在极高的温度梯度下，柱状枝晶依附于基板现有的晶粒表面，沿一致的方向外延生长。但是，在熔覆层的顶部会产生细小的杂晶。这可能与凝固前沿的自发形核有关。在熔覆第二层时，前一层顶部的杂晶会被重熔，并进行外延生长。重复上述过程后，类单晶不断长大，最终得到具有一定结构的构件。成型结束后，构件的表层存在杂晶，往往需要进行机械加工和热处理。

目前，杂晶仍然是3D打印单晶金属的主要障碍。熔覆层间的重熔可以有效地转化前一层顶部的杂晶，但是，由于逐层的热量累积减小了熔池的温度梯度，这反而促进了熔覆层表面杂晶的形成，因而对工艺参数的精确控制提出了要求。但无论如何，得不到重熔的顶层杂晶仍然很难抑制，尤其是制造空心、多孔等复杂结构时，内部杂晶的去除极为困难。

虽然困难重重，但随着服役温度不断提高，涡轮叶片的冷却结构日趋复杂，3D打印技术的优势就尤为明显。随着快速凝固理论和增减材复合技术的发展，在未来，短流程、高可靠地制造严格意义上的单晶构件有望成为现实。

图9 3D打印类单晶涡轮叶片

2. 金属玻璃

早期，人们普遍认为，金属由原子排列长程有序的晶粒构成，而玻璃中的原子排列是长程无序的。1960年，科学家偶然发现，快速冷却制备的Au-Si合金具有和玻璃相似的X射线衍射图谱，这意味着两种材料具有相似的原子排列结构。那么是什么原因导致了这种奇怪的现象呢？如图10所示，液态金属在极高的冷却速率下（如105～106K/s），还没有等混乱运动的原子“排好队”，就已经完全凝固了，所以，液态时的微观结构被封存在固态金属中。这类材料称为金属玻璃或者非晶合金。

图10 3D打印快速冷却制备金属玻璃

由于没有晶界、位错等微观缺陷，金属玻璃具有优异的耐腐蚀性、耐磨性和强度，有些还表现出良好的软磁性、催化性等功能特性。迄今为止，已经发现了上千种适合制备金属玻璃的合金体系，但是受到冷却速率的限制，绝大部分都难以得到厚度超过10mm的块体金属玻璃，严重阻碍了其工程化应用。激光3D打印中熔池非常小，有望解决冷却速率不足的问题。

目前制备金属玻璃，使用最广泛的技术是激光粉末床熔融成型。其打印过程可以看作一个个熔池凝固后得到小块金属玻璃，然后不断连接形成大的块体。此外，可以通过设计粉末材料的成分，有效地调节金属玻璃的性能。例如，向粉末中混入较软的材料，这可以帮助克服金属玻璃脆性大的缺点，从而获得兼具强度和塑性的金属玻璃复合材料。

尽管如此，3D打印逐层沉积、重复加热的特性也带来了一定的问题。由于受到上层熔池的热影响，下方区域可能发生晶化，所以，最终得到的并不是全非晶组织。有趣的是，在一定的工艺参数下，晶化粉末可以打印出全非晶的块体，非晶粉末也可以打印出完全晶化的块体。这说明除合金成分外，工艺参数对材料的微观结构和性能也有直接影响。

总之，利用3D打印技术制造金属玻璃，突破了传统方法对于尺寸和结构复杂程度的限制，这为金属玻璃更好地发挥性能优势、更广泛地应用于航空航天、精密仪器等关键领域带来了新的机遇。

3. 高中熵合金

传统的合金，例如我们生活中熟悉的钢铁，一般以一种金属元素为主体，再往其中加入一些微量元素来提升性能。近年来，科学家们发现，如果将多种金属元素不分主次地混合，形成的合金会表现出比传统合金更优异的性能。这类多主元合金，由于“混合熵”比较高（图11），所以被称为高熵合金或者中熵合金。前者由五种及五种以上主元金属元素组成，而后者由两到四种主元金属元素组成。

图11 多主元合金中的“混合熵”

高中熵合金往往具有高强度、高硬度、耐磨、耐腐蚀等优异性能。但是，因为这些优异的性能，锻压、切削等传统制造方法很难对其进行加工，制造形状复杂的构件更加困难。采用3D打印技术，则不会遇到这些问题。常用的打印技术包括粉末床熔融成型和定向能量沉积成型。在打印的过程中，加热和冷却速率极快（如103～108K/s），可能形成超细晶、非晶等微观组织，获得更好的力学性能。

除了制造构件，3D打印技术还可用于制备高中熵合金激光熔覆涂层。例如，利用定向能量沉积技术，通过激光束将合金粉末与基材表层熔融，冷却后即在基材表面形成涂层。这种方法可以使切削刀具变得内韧外强，也可以使船体抗腐蚀的能力增强。

4. 形状记忆材料和结构

生物在受到外界温度、压力等信号刺激时，能够表现出应激反应。例如，当我们触摸含羞草时，它展开的叶片会迅速合拢，而将手拿开一段时间后，叶片又会慢慢恢复原状。通过向大自然学习，利用3D打印技术，我们可以赋予无生命构件以“智慧”，使其能感知环境变化，并执行相应动作（图12）。这里，除空间三维坐标系外，还引入了时间维度，所以，我们将这种技术称为4D打印。那么，如何获得“智慧”呢？一方面，我们可以采用形状记忆智能材料进行打印；另一方面，也可以对非智能材料进行结构设计，打印出智能结构。

图12 3D打印赋能形状记忆

顾名思义，形状记忆材料是一种能够“记住”自己形状的智能材料。它在受力产生变形后，遇到特定的外界激励又能恢复至初始形状。例如，利用能响应温度变化的钛镍合金制造的空间可展开天线，可以先被揉成体积很小的线团装入卫星舱内，当发射至太空后，天线受到太阳辐射而升温，逐渐恢复至展开状态。再如，记忆合金血管支架可以微创植入人体后自动撑开，减轻患者的手术痛苦。

智能结构，具体来说，就是赋予特定部位以特定的材料成分和宏微观结构，使构件各个部分具有不同的变形特性，从而实现整体形状的可控变化。例如，用刚性的聚乳酸模拟翅脉、用弹性的热塑性聚氨酯弹性体模拟节肢弹性蛋白，就能得到仿昆虫膜翅的折纸结构，可完成折叠和展开动作。

目前，许多4D打印构件尚处于演示阶段。要想实现智能构件变形、变性能、变功能的精确控制，还需要进行大量的研究工作。但不可否认，4D打印为智能构件的设计和制造提供了新的思路，在航空航天、生物医疗、仿生机器人等领域具有巨大的应用前景。

5.碳纤维复合材料

复合材料由两种或两种以上的材料混合而成。碳纤维复合材料具有密度小、强度高的特点。其传统成型方法不仅工序繁多，而且难以实现自动化生产。相比较而言，使用将材料熔化并以丝状挤出的3D打印方法，可以很方便地使构件的成型和碳纤维在空间中的分布同步完成。根据纤维的长度，打印方法有所不同。短纤维可以与热塑性颗粒混合后进行熔融沉积成型。纤维在挤出时受到剪切力的作用，会形成一定的取向。长纤维则可以以同轴的形式预先嵌入打印丝材中。这省去了编织碳纤维预制体的流程，大大提高了构件设计的自由度。

经纤维增强后，3D打印构件的拉伸性能得到显著提高。同时，纤维的嵌入还增加了构件的稳定性，能够减少打印过程中可能出现的变形。通过计算机的精确控制，我们还可以将材料按照指定的间距和角度打印，制成特定的结构。例如，栅状纤维结构具有较好的电磁屏蔽性能，可以用于隐形战机的外壳。

6. 生物材料

当一个人器官损坏甚至功能丧失时，器官移植是战胜病魔的一个好方法。然而，目前可供移植的器官缺口巨大，而且免疫排斥反应也可能导致器官移植失败。为了解决这些问题，我们可以尝试利用3D打印技术直接打印出与人体相容的器官，如心脏（图13）。

生物打印一般使用材料挤出成型技术，以生物墨水为原料。这种材料由细胞、培养液和其他生物相容性材料混合而成，既能保证细胞的正常生存，又有各种神奇的特性。例如，它在经受温度变化、光照、接触生物酶时，可以发生固化。在打印过程中，生物墨水准确固化，将生物相容性材料和细胞组装成三维结构，细胞进一步生长，理论上有可能得到可供移植的器官。

图13 3D打印“心脏”

3D打印器官可以进行个性化定制生产，但是，目前离实际应用还有很长的路要走。面临的问题之一是细胞的存活率。打印过程中压力或温度变化以及生物墨水中的有毒成分等环境中微小的刺激就可能导致细胞死亡。另一个问题是血管系统的搭建。器官要想发挥应有的功能，充足的养料供应必不可少，但毛细血管的构建是一项巨大的挑战。人体内毛细血管的直径只有6～8μm，甚至比红细胞还要窄。尽管近年来，有科学家通过同轴式喷头挤出夹芯导线式的材料，再使芯部材料溶解，实现了血管化器官原型的制造， 但是这仍然难以实现临床应用。

7. 锂电池材料

在2019年的诺贝尔化学奖颁奖词中，诺贝尔委员会说：“锂离子电池的发明和应用，让人类实现无化石能源的社会成为可能。”今天，锂离子电池的广泛应用在为“碳达峰、碳中和”作出贡献。

传统工艺制造的平板电极很难保证同时获得高能量密度和高功率密度。能量密度是单位质量（或者体积）的能量储量，而功率密度则是单位质量（或者体积）的能量释放速率。高能量密度意味着增加电极的质量，进而增加电极厚度，但这就会导致电极内部的离子和电子为了到达表面放电，需要移动更远的距离，从而降低功率密度。利用3D打印技术，我们可以通过设计更加精巧的电极结构解决这个矛盾。例如，多孔结构可以为锂离子的移动提供距离更短的通道，而“曲折”的电极结构（图14）则能够增大电极板与电解质的接触面积。

图14 3D打印锂电池

除了提升电池的性能，3D打印技术还为制造各种形状的锂离子电池提供了可能，而不局限于传统的圆柱或立方体。这在可穿戴电子产品领域具有一定的应用价值。

8. 珠宝材料

你是否想过，人们手指上的戒指、手腕上的手镯、脖颈上的项链，或许也可以利用3D打印技术制造出来。是的，3D打印悄然进入了珠宝首饰行业。

在传统的珠宝制造过程中，雕蜡师根据设计师的图纸用蜡雕刻出蜡版， 然后通过压制模具等工艺制造出蜡模。这个过程工序复杂、生产成本高。而利用3D打印技术，可以有效缩短制造蜡模的工艺流程。如图15所示，只需要将首饰的模型导入计算机，3D打印机就能直接打印出蜡模。这种方法不仅效率高，而且成型的精度很高，能够打印出比传统蜡模更为精细复杂的结构。除此之外，还可以直接使用贵金属打印珠宝首饰。得益于以上优点，珠宝设计师们可以更加自由地放飞想象，也能够在更短的时间里把新想法转换成展柜里的新产品。

3D打印的使用也为消费者个性化首饰的定制插上了翅膀。传统的珠宝制造流程成本很高，如果消费者想要定制个性化首饰，往往需要承担高昂的设计加工费用。而如果采用3D打印技术，一般情况下，由于加工成本与首饰的个性化程度或者复杂程度没有关系，所以，主要成本变成了设计师的设计费用。可以预见，定制个性化首饰将会越来越普及。

图15 3D打印珠宝首饰

9. 建筑材料

在古代，人们将砖块和黄泥一层层地堆叠起来，就能砌起一堵墙，盖成一间屋。现在，借助电力、机械和计算机，3D打印在建筑领域开始得到应用和推广。相比较而言，3D打印建筑的一大优势是环保，可以大大减少碳排放，同时也能解放工人的双手。

如图16所示，在3D打印房屋的过程中，一台大型喷头被安装在可以旋转伸缩的吊机上，按照房屋的图纸模型一层层地挤出混凝土。之后通过人工在预留的通道中插入钢筋，并浇筑混凝土进行加固。别看这里介绍得简单，要想打印出稳定的墙体，首先就要“驯服”混凝土，使其具有合适的凝固速度，不能太快，需要保证沉积层之间的连接强度；也不能太慢，需要下方的沉积层具有足够的支撑强度。同时，对混凝土进行改性可以提高其力学性能，从而减少甚至避免钢筋的使用。

3D打印技术给建筑师带来了新的设计灵感。而且，有些打印建筑的性能甚至超过行业标准，并已经投入使用。值得一提的是，对于这项技术，科学家们将目光放到了更遥远的未来。假如我们能够在月球上就地取材，利用3D打印技术建造基地，这无疑将大大推动对月球资源的研究和利用，为人类社会可持续发展提供新的机遇。

图16 3D打印未来房屋

10. 仿生结构

经过数十亿年的演化，自然界的生物进化出了令人惊叹的功能结构。例如，荷叶表面密集的微凸起结构使得荷叶“出淤泥而不染”；鲨鱼皮肤表面粗糙的V形皱褶能够大大减小水流的摩擦阻力；蝴蝶翅膀上“沟壑纵横”的微 / 纳米结构使得蝴蝶翅膀兼具超疏水性和结构显色功能。利用多材料打印技术，3D打印有望制造出复杂精妙的仿生结构。

贝壳的珍珠层由文石晶片和有机物两种低强度材料组成。但是，凭借高度有序的“砖泥结构”，它具有人工合成材料难以比拟的力学性能。受此启发，科学家们利用材料挤出技术，同时使用刚性材料和柔性材料打印出仿珍珠层结构的构件。相比单一组分，这种仿生设计使构件的韧性提高了一个数量级。

另外，在生物体中，许多部位具有连续渐变的成分和结构。这样的特征有利于充分发挥不同成分各自的独特优势，又避免了成分突变的界面，从而使它们能够协同配合。例如，人的髋臼在与股骨头接触的表面具有较高的致密度和硬度，可以减缓磨损，而其内部充满了孔隙，可以为组织生长、养分输送提供通道。基于此，科学家使用Ti6Al4V和CoCrMo材料，利用多喷头定向能量沉积技术制造出了仿生的髋臼杯（图17）。通过调整激光的扫描路径和粉末层厚，可以方便地控制材料的孔隙率，进而实现构件功能的分级。这种基于3D打印的仿生设计和制造，使产品更加贴近真实环境下的应用需求。

图17 3D打印人类髋臼杯

经过近40年的发展，3D打印行业已经初具规模，正在深刻影响着人们生产、生活的方式以及全球产业的格局。但是，目前3D打印仍然有很多瓶颈问题需要解决，如经济成本、适用材料、成型缺陷等。可以预见，在未来相当长的一段时期，它将与传统的制造技术互补并存。

首先，3D打印的经济成本仍然很高。虽然家用型3D打印机的价格日趋低廉，但一台高性能的工业级金属3D打印机，其售价一般高达上百万元。同时，3D打印耗材的费用也比较高昂。例如，用于熔融沉积成型的ABS塑料价格基本在200元/kg以上，光固化技术中使用的光敏树脂则在200元/L以上。此外，目前得到应用的3D 打印技术仍然是逐层叠加的制造方式，较慢的打印速度也带来了较高的时间成本。打印一个构件通常需要半小时到几天不等的时间，而且往往还需要进行后处理。相比于传统汽车工业中每分钟生产十几件汽车零件的冲压流水线，这样的速度显然是汽车供应商不能接受的。因此，3D打印技术在当下主要作为一种定制化产品的制造方案，而难以承担大规模生产的任务。

其次，3D打印可选材料的成分和形态仍然有限，并且目前主要是单种材料打印。例如，在金属3D打印中，常用的材料包括不锈钢、铝合金、钛合金、镍基合金等，它们大多是铸造用合金，并不一定能完美适配3D打印特殊的加工条件。同时，这些金属只有制成专用的粉末或者线材才能满足工艺要求。虽然金属材料有成千上万种，但并不是所有的材料都适合用来3D打印。有一些高性能合金含有容易汽化的成分（如锌元素），在打印时很容易产生元素损失，从而影响构件的性能。目前，实际应用到生产中的3D打印材料只是庞大材料家族的冰山一角，3D打印专用金属、陶瓷、高分子及其复合材料的研发方兴未艾。

更重要的是，3D打印的构件仍然存在很多成型缺陷。在金属3D打印中，常见的缺陷包括气孔、局部未熔合、氧化、残余应力、微裂纹、粗糙表面等。这些缺陷可能会严重影响产品的力学性能和抗腐蚀性能，从而限制了产品的实际应用。如当熔池内的气体未在熔池凝固前逃逸出来，就会在构件中留下气孔。存在于构件表面或者近表面的气孔，会造成局部的应力集中。当构件承受周期性载荷时，裂纹容易从这些气孔位置萌生，大大降低构件的使用寿命（疲劳寿命）。

尽管如此，由于无限的自由度，3D打印赋予了人类想象的翅膀以在云端驰骋，不受物理和空间的限制。希望中国能够作为制造强国立于世界之林。这将依赖于青少年一代，需要他们彻底解放思想，以迎接工业4.0的到来。彼时，以量制价的生产方式将成为过去。

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