××××工程6（2020）590新闻亮点3D打印在多个方面取得进展克里斯·帕尔默高级技术作家自3D打印概念成为主流以来已经过去了近40年，倡导者将该技术称为“制造业的未来”。现在，打印速度和尺寸的大幅增加以及生物医学应用的扩展证明，最新的进展正在使3D打印更接近其承诺。今天最常见的3D打印版本，也称为增材制造，使用光将液体塑料树脂逐层固化成固体物体。这个过程就像听起来一样慢;手持物品通常需要下午的大部分时间来制造。此外，各层之间的界面往往很脆弱，使得成品在结构上很脆弱。其结果是，3D打印并没有取代传统的制造工艺，而是被降级到非常特定的用途。‘‘3D printing, for the most part, hasbeen primarily confined to prototyping due to a lack of speed, lowthroughput, and product instability,” said Chad Mirkin, professorof engineering at North- western University in Evanston, IL,大约五年前，北卡罗来纳大学的工程师发明了一种名为连续液体界面生产（CLIP）的新型3D打印工艺，与竞争技术相比，该工艺将生产时间缩短了100倍。这种方法，因为分拆成一家公司称为碳（红木城，加利福尼亚州，美国），采用了半渗透窗口，允许氧气注入液体树脂，以创造一个薄的在这个区域之上，光将树脂固化成固体。一个机械臂慢慢地把不断增长的固体从树脂中拉出来，使额外的材料固化和粘附，而不需要一系列的层压界面，从而形成更加坚固的物体。虽然CLIP为了散热，印刷对象是有效有限在大小到25厘米25厘米41厘米。‘‘Carbon began to validate the argument that 3D printing couldbe used in manufacturing and they have done some really nicework in a variety of industries, but they have not found a way toprint big objects fast,” Mirkin在2019年底，Mirkin液体冷却剂在一桶液体树脂下面循环[3]。冷却剂是一种氟化油，在打印时直接从生长的物体中吸收热量，使它们在短短几个小时内达到成人的大小。利用来自多个投影仪的光线，Mirkin称之为“平铺”的过程，打印尺寸可以达到约一米一米四米。在未来，更多的投影机将使HARP可以制作更大的物品。‘‘Tiling theoretically eliminates sizerestrictions,” Mirkin为 了 将 HARP 商 业 化 ， Mirkin 及 其 同 事 成 立 了 Azul 3D 公 司（Skokie，IL，USA），预计将在2021年底前开始销售打印机。Mirkin希望HARP能够改变3D打印的商业模式。他说：“几乎所有的3D打印公司都必须从他们的硬件中获得大量的收入，因为他们根本没有使用足够的树脂来通过销售来使其成为一个好的业务。有了HARP，该公司不需要仅仅依靠销售硬件的收入，因为他们也可以通过销售生产大量零件所需的树脂来赚钱。通过这种方式，HARP降低了屏障Fig. 1. 一种名为HARP的新型3D打印技术使用一层液体冷却剂在一桶液体树脂下循环，以去除生长物体的热量，它们被打印出来，使它们在几个小时内就能达到成年人的大小。这台HARP打印机高约4米，打印床为0.76米×0.76米，可以一次打印大型连续结构或许多不同的小型结构。信贷：西北大学（新闻稿）。https://doi.org/10.1016/j.eng.2020.04.0052095-8099/©2020 THE CONDITOR.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志主页：www.elsevier.com/locate/eng×C. Palmer /工程6（2020）590-592591因为最初的硬件成本变得几乎无关紧要。”在另一个快速发展的领域，3D打印正在显示其在操纵微小物体方面的潜在价值。将传统3D打印机中使用的“墨水”（塑料、聚合物和金属合金）替换为嵌入生物介质中的活细胞，该技术成为生物医学应用的有趣工具，有可能在未来的某一天制造替代组织。3D生物打印已经被用于制造简单的组织，如皮肤、软骨和心肌。随着技术的进步，更复杂的器官，如视网膜，肾脏和肺，可能会随之而来[3]。主要的挑战包括包装在各种各样的细胞类型组成的器官并提高分辨率，以打印出输送氧气和清除废物的微小血管。“我怀疑我们永远不会到达那里-有所有不同的细胞类型和维持它们存活所需的脉管系统，器官太复杂了，”美国明尼苏达州明尼阿波利斯市明尼苏达大学机械工程教授Michael McAlpine说。错误一直是试图准确地复制生物学。也许有了聚合物和电子器件，你就可以制造出一种功能类似肝脏的设备，但实际上比自然界产生的效果更好。然而，3D生物打印已经找到了更直接的应用，包括药物发现和消费品测试[4]。在McAlpine虽然3D生物打印主要集中在非常小的，但在尺寸范围的另一端，德克萨斯州的创新者正在使用非常大规模的3D打印来建造房屋（图2）。发达由德克萨斯州奥斯汀的建筑技术公司Icon开发的一款名为Vulcan II的3D打印机可以在24小时内打印出37平方米的两居室房屋的墙壁。Vulcan II是专门为偏远的农村地区设计的，由于资源有限，天气不可预测和电源不可靠，传统的建筑几乎是不可能的。这台高3.5 m、重1725 kg的机器连续地堆积一排高2.5 cm、宽5 cm的可延展混凝土，称为Icon目前正在奥斯汀东北部为无家可归者开发的51英亩（1英亩=4046.873平方米）的房屋中打印数十个房屋，以及墨西哥塔巴斯科农村小镇的约50个家庭。虽然火神二号减少了建造房屋的劳动力，但建筑不是一个一蹴而就的过程;工人们仍然需要打下基础并安装图二、 Icon（Austin，TX，USA）Vulcan II 3D打印机沉积了一条2.5 cm 5 cm的混凝土基材料线，称为“lavacrete”，用于在大约24小时内建造37 m 2房屋的墙壁，就像这个完成的房屋一样。图像来源：Icon（Press Release）图3.第三章。 Icon的Vulcan II 3D打印机位于三个建筑的远端，用于在美国德克萨斯州奥斯汀的一个基础上创建三个37平方米房屋的墙壁，这些房屋具有不同的平面图。图片来源：Icon，with permission.屋顶除了3D打印房屋节省时间的方面外，打印平滑弯曲和倾斜墙壁的能力可能会使其设计相对于其他低成本房屋具有更大的自由度。在另一个大规模的应用中，总部位于洛杉矶的公司RelativitySpace，Inc.（相对论）已经开发出一种名为Stargate的3D打印机（图4），用于建造更少的地面物体：30米高的火箭船。Relativity计划3D打印其第一批火箭，称为Terran-1，除了电子设备，电缆和一些移动部件。相比之下，SpaceX，Blue Origin和其他公司也在使用3D打印，但只是用于选择部分[8]。相对论公司与少数卫星运营商签订了发射有效载荷的合同，并同意使用美国国家航空航天局约翰C。Stennis航天中心，汉考克县，MS，美国。该公司还获得了从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地的16号发射场发射Terran-1火箭的权利，其中第一枚火箭预计将在2021年的某个时候飞行。虽然火箭通常由数千个单独的部件组成，但相对论设计的部件包含几个传统上单独制造并随后组装的部件。因此，他们的火箭将比同类火箭少100倍。更少的部件意味着更少的接口和更少的出错机会。此外，虽然大多数制造商必须重新装备他们的设施，以制造每一个额外的硬件，相对论只需要运行一个新的程序在打印机的软件，使图四、Relativity Space（美国加利福尼亚州洛杉矶）Stargate 3D打印机使用定向能量沉积来制造巨大的金属物体，例如火箭这台打印机高9米，有三个巨大的机械臂。一个机械臂使用强大的激光熔化金属丝，金属丝被一层一层地沉积，为火箭制造零件。另外两个手臂持有的工具，完成印刷的组成部分。图像来源：Relativity Space，Inc.维基共享资源（CC BY-SA 4.0）.592C. Palmer /工程部 6 （2020年）590设计变更也比传统火箭制造更容易，成本更低[10]。‘‘Traditionally the space industry is risk averse, preferringconfidence in launch success over novel concepts,” said IanChristensen, ‘‘How the market will respond to something sofully novel as a 3D-printed rocket is an open仅仅因为3D打印的现实已经开始与其承诺相匹配，并不排除更雄心勃勃的目标。Relativity不满足于仅仅建造火箭将卫星送入轨道，它的目标是将打印机运到火星，在红色星球上打印火箭，将土壤样本送回地球。克里斯滕森说：“这种样本返回的概念在理论上很有趣，但几乎可以肯定的是，它需要融入政府的太空探索和行星科学计划，这些计划进展缓 慢 。 ”‘‘The policy and institutional challenges may be assignificant as the technical引用[1] Tumbleston JR ， Shirvanyants D ， Ermoshkin N ， Janusziewicz R ， JohnsonAR ， Kelly D ， et al. Continuous liquid interface production of 3D objects.Science2015;347（6228）：1349-52.[2] 尚克兰这家初创公司希望3D打印你的下一双跑鞋或假牙。旧金山：CNET; 2019年6月25日[引用2020年3月22日]。可查阅：https://www.cnet.com/news/carbon-3d-pushes-new-3d-printing-technology-like-using-multiple-materials/。[3] Walker DA，Hedrick JL，Mirkin CA.使用移动液体界面进行快速、大批量、热控3D打印。Science2019;366（6463）：360-4.[4] Zhang B ，Luo Y ， Ma L ， Gao L ，Li Y ， Xue Q ，et al. 3D Bioprinting ：anemergingtechnology full or opportunities and challenges. Bio-DesManuf 2018;1（1）：2-13。[5] 3D printedstem-cell derived neural progenitors generate spinal cord scaffolds.Adv FunctMater 2018;28（39）：1801850.[6] ZhuZ，Guo S，Hirdler T，Eide CR，Fan X，Tolar J，et al. 在移动的自由曲面上3D打印功能和生物材料。Adv Mater 2018;30（23）：1707495.[7] 杰森·S 3-D打印房屋：一个概念正在变成一个实体。华盛顿特区：华盛顿邮报;2020 年 3 月 6 日 [ 引 用 2020 年 3 月 7 日 ] 。 可 从 以 下 网 站 获 得 ：https://www.washingtonpost.com/realestate/3d-printed-homes-a-concept-turns-into-something-solid/2020/03/05/61 c8 b 0 d2 - 36 e4 - 11 ea-bf30-ad313e4ec754_story.html。[8] 奥伯豪斯D大型AI机器人正在3D打印整个火箭。旧金山：连线; 2019年10月14日[ 引 用 2020 年 3 月 7 日 ] 。 可 查 阅 ： https://www.wired.com/story/massive-ai-powered-robots-are-3d-printing-entire-rockets/。[9] 沃尔M Relativity Space将在加利福尼亚州长滩的新自主工厂3D打印火箭。巴斯 ： 太 空 ; 2020 年 2 月 28 日 [ 引 用 2020 年 3 月 22 日 ] 。 可 查 阅 ：https://www.space.com/relativity-space-autonomous-rocket-factory.html。[10] 萨尔米湾世界纽约：IEEE Spectrum; 2019年10月25日[引用于2020年3月7日]。可 从 ： https://spectrum.ieee.org/aerospace/space-flight/the-worlds-largest-3d-metal-打印机是粗制滥造火箭。
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