[科普中國(guó)]-還有什么是3D打印不能做的？

近日，媒體報(bào)道，研究人員利用水凝膠打印出多孔支架，并將卵泡細(xì)胞填充進(jìn)孔洞中，成功組成人造卵巢。含有生物假體的卵巢，讓小鼠成功誕下了健康的幼崽。

不禁令人想問(wèn)：神奇的3D打印，還有什么是“你”做不到的？

3D****打印 不能盲目迷信

不知從何時(shí)起，3D打印這個(gè)名詞開(kāi)始被媒體鋪天蓋地的提及。

如今，不知道這個(gè)詞的年輕人簡(jiǎn)直是有如上古神獸一般的化石級(jí)存在。但是要真的刨根問(wèn)底的話，恐怕就沒(méi)有幾個(gè)人能把3D打印到底是個(gè)什么東西說(shuō)清楚了，甚至從來(lái)沒(méi)見(jiàn)過(guò)3D打印機(jī)或者3D打印產(chǎn)品的人也絕對(duì)是大有人在。可謂是沒(méi)吃過(guò)豬肉，也沒(méi)見(jiàn)過(guò)豬跑，光知道豬咋叫喚。

從形式上來(lái)看，3D打印確實(shí)比較高大上，機(jī)器轟鳴、熱火朝天的場(chǎng)面變成了輕點(diǎn)鼠標(biāo)、纖塵不染，大汗淋漓、臉頰黢黑的工人師傅變成了一切盡在掌握的都市白領(lǐng)，一杯咖啡的功夫，任務(wù)完成，so easy！

圖1左：某工業(yè)用3D打印機(jī)，成型材料應(yīng)為塑料（來(lái)源網(wǎng)絡(luò)）；圖1右：以金屬作為原材料3D打印成的飾品（來(lái)源網(wǎng)絡(luò)）

那么，3D打印真的像媒體渲染的那么神乎其技嗎？

首先明確一點(diǎn)，**3D打印絕非21世紀(jì)的新生事物。**上世紀(jì)八十年代相關(guān)概念就已提出，商用產(chǎn)品也早已面世了。十多年以前我還是大學(xué)一年級(jí)的懵懂少年，在金工實(shí)習(xí)的基地就曾經(jīng)見(jiàn)過(guò)利用3D打印手段成型的產(chǎn)品。那是一個(gè)白色的人頭雕塑，類似于美術(shù)生臨摹的石膏像。

只不過(guò)，當(dāng)年3D打印這么洋氣的叫法還沒(méi)有流傳開(kāi)來(lái)，我們所用的說(shuō)法是相對(duì)土氣的“三維成型”（實(shí)際上3D打印是三維成型技術(shù)中比較有代表性的一種）。

于是乎，3D打印被媒體熱炒的起初，筆者是不屑一顧的。

我的英文名叫xiao shen yang

說(shuō)白了，3D打印就是一種材料成型（機(jī)械制造）技術(shù)，跟鍛造、鑄造、軋制、沖壓以及包括車鉗洗刨磨在內(nèi)的機(jī)械加工手段一樣，都可以把材料加工成具有某種形狀的部件。

與傳統(tǒng)加工手段相比 3D打印確實(shí)獨(dú)具特色

不過(guò)，3D打印又具有諸多獨(dú)到之處，不然也絕對(duì)不會(huì)與上述這些一直與人類同成長(zhǎng)、共進(jìn)退的元老級(jí)技術(shù)相提并論，并在媒體上大出風(fēng)頭了。

比如，用傳統(tǒng)的沖壓方式生產(chǎn)一個(gè)小型的車用零件，“攏共”要分幾步呢？

首先得有沖壓用的模具，這個(gè)模具好比月餅印一樣，決定了零件的形狀。一般是用專門的模具鋼制造，硬度高而且韌性好。模具分為上模和下模，上模安裝在壓力機(jī)上，可以以很高的速度壓向下模。要加工的材料好比是做月餅的面團(tuán)，被這么瞬間一壓，就變成了模具的形狀，之后用車床除去多余的部分，再進(jìn)行一些研磨拋光一類的機(jī)械加工，零件就完成了。

圖2：沖壓工藝制成的車用小型零件（來(lái)源：名古屋豐田博物館參觀紀(jì)念）

那么3D打印制作同樣的零件又是個(gè)什么套路呢？

首先，在電腦上繪制好零件的設(shè)計(jì)圖，然后將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D打印機(jī)，就可以開(kāi)始制造零件了。以熔融沉積式3D打印機(jī)為例，事先準(zhǔn)備好的低熔點(diǎn)線材如塑料，石蠟等經(jīng)由3D打印機(jī)的噴嘴加熱后噴出。

圖3左：某塑料熔融沉積式低端工業(yè)用3D打印機(jī)，白色線卷即為塑料原料；圖3右：該打印機(jī)的噴頭部位特寫，雙噴頭設(shè)計(jì)，可同時(shí)打印兩種不同塑料

在電腦的控制下，噴嘴在空間中由低到高逐層進(jìn)行描畫，最后形成零件，基本無(wú)須任何的后處理。

上面這個(gè)例子已經(jīng)把3D打印最為本質(zhì)的兩個(gè)特點(diǎn)反映得很清楚了。

首先，3D打印與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）以及計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）密不可分，任何3D打印的零件都要從電腦設(shè)計(jì)圖開(kāi)始自己的生命歷程。假如事先只有圖紙，沒(méi)有電腦可以直接利用的造型數(shù)據(jù)，也得重新在電腦中建立模型，繪制設(shè)計(jì)圖。

其次，3D打印是一種增材制造技術(shù)，也就是說(shuō)與傳統(tǒng)的車床機(jī)械加工一類減材制造技術(shù)不同，產(chǎn)品是由原料直接在空間中堆砌而成。可以把車床機(jī)械加工比作石雕，刀斧錘鑿齊上陣，最終的作品比起最初的原石只少不多。另外一方面，3D打印好比泥塑，塑造形象的組成部分不斷疊加，最終的作品比起最初的泥胚只多不少。有了這迥異于其他前輩的兩大特色，3D打印能在機(jī)械制造技術(shù)的武林之中自立門戶也就不足為奇了。

3D****打印為制造業(yè)帶來(lái)的變革

那么，3D打印到底為制造業(yè)帶來(lái)了怎樣的變革呢？下面的幾個(gè)例子可以提供一些參考。

鑄造技術(shù)，作為有著上千年歷史的古老技術(shù)，堪稱制造業(yè)的基石之一。中國(guó)先民們?cè)趦汕昵暗纳檀鸵呀?jīng)掌握了大型青銅器的鑄造技術(shù)，也留下了司母戊大方鼎，四羊方尊等等無(wú)價(jià)之寶。鑄造技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以形成復(fù)雜的形狀，也方便制造空心形態(tài)的產(chǎn)品，如發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)箱等。

圖4左：司母戊大方鼎（來(lái)源網(wǎng)絡(luò)）圖4中：四羊方尊（來(lái)源網(wǎng)絡(luò)）；圖4右：四羊方尊局部，體現(xiàn)出鑄造便于形成復(fù)雜形狀的特點(diǎn)（來(lái)源網(wǎng)絡(luò)）

傳統(tǒng)鑄造的通常工序是，首先利用容易成型的材料，比如石蠟，木頭等，加工出一個(gè)與產(chǎn)品有著類似外型的母模。然后，在這個(gè)母模的四周覆蓋上具有一定粘度的型砂，用機(jī)器震實(shí)后再取出母模，型砂中就會(huì)自然形成母模也就是產(chǎn)品的形狀，這樣的鑄模稱為砂型。最后，通過(guò)預(yù)留的澆注孔把熔融的金屬液灌入砂型中，冷卻后去掉周圍的砂型再進(jìn)行一定程度的機(jī)械加工即可。

圖5：典型的鑄件生產(chǎn)過(guò)程，木制母模取出后形成澆注空腔（來(lái)源網(wǎng)絡(luò)）

3D打印的出現(xiàn)，首先給鑄造行業(yè)帶來(lái)了前所未有的變革。

圖6左：傳統(tǒng)木制母模（來(lái)源網(wǎng)絡(luò)）圖6右：利用3D打印技術(shù)制成的塑料母模（來(lái)源網(wǎng)絡(luò)）

傳統(tǒng)工藝中的母模不需要再特意去加工了，用3D打印技術(shù)可以輕松的調(diào)整設(shè)計(jì)并實(shí)時(shí)生成母模，極大的節(jié)省了制作母模的時(shí)間和效率。好比用活字印刷代替了雕版印刷，無(wú)需因?yàn)橐粋€(gè)制版錯(cuò)誤就廢棄整塊板，可以隨時(shí)方便的進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)，3D打印生成的母模可以根據(jù)具體情況選擇不同的材質(zhì)，對(duì)耐久度要求高的場(chǎng)合可以采用金屬材料，對(duì)成本要求高的場(chǎng)合可以采取樹(shù)脂材料，無(wú)論是哪種情況都不存在傳統(tǒng)木模對(duì)溫度濕度敏感，易變形壽命低的缺陷。甚至制作母模的工序都可以略過(guò)，利用3D打印技術(shù)能夠直接生成鑄造砂型，當(dāng)然這個(gè)時(shí)候所用的原料就是可以耐高溫的陶瓷了。這種3D打印砂型可以最大限度的還原鑄件原本的形態(tài)，極大的提高了成品的精度和良率。

生物相關(guān)的3D打印也是該項(xiàng)技術(shù)的亮點(diǎn)應(yīng)用。

比如文初提到的3D打印人造卵巢?，F(xiàn)在，醫(yī)用鈦合金人工骨，人工關(guān)節(jié)等已經(jīng)廣泛采用了3D打印技術(shù)。首先通過(guò)CT或者核磁共振等成像技術(shù)獲知患者身體的精確三維結(jié)構(gòu)，然后將數(shù)據(jù)利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理并完成個(gè)性化設(shè)計(jì)。之后利用3D打印生成獨(dú)一無(wú)二的專屬人工骨，極大的提升了患者的治療質(zhì)量。

圖7左：利用3D打印技術(shù)制成的人工骨（白色部分）（來(lái)源網(wǎng)絡(luò)）；圖7右：利用3D打印技術(shù)制成的隱形牙套（來(lái)源網(wǎng)絡(luò)）

又如，3D打印在口腔醫(yī)學(xué)，尤其是口腔正畸醫(yī)學(xué)界也呈現(xiàn)星火燎原之勢(shì)。時(shí)下十分流行的隱形牙套，就無(wú)法缺少3D打印技術(shù)的支持。該技術(shù)利用功能強(qiáng)大的行業(yè)軟件，精確分析患者經(jīng)過(guò)佩戴正畸牙套后牙齒的移動(dòng)情況，再配合3D打印技術(shù)生產(chǎn)出一系列適應(yīng)于不同階段的牙套。這樣的隱形牙套不影響美觀，對(duì)牙齒和口腔傷害很小，并且不影響進(jìn)食，患者只需要遵照電腦計(jì)算的結(jié)果定期更換牙套即可。

最后的一個(gè)例子來(lái)自于較為前沿的一項(xiàng)研究。美國(guó)西北大學(xué)的一個(gè)課題組上周在國(guó)際頂級(jí)期刊上發(fā)表了關(guān)于3D打印的最新研究成果，他們利用3D打印技術(shù)將明膠打印成類似于卵巢組織的結(jié)構(gòu)，然后將從小鼠體內(nèi)提取出的卵泡和激素生成細(xì)胞植入這種明膠骨架，得到3D打印的人工卵巢組織。該人工卵巢在移植入摘除卵巢的小鼠體內(nèi)后，表現(xiàn)出了功能健全卵巢的特性，可以正常排卵，在小鼠經(jīng)過(guò)多代繁殖后也未見(jiàn)后代異常（圖8）。雖然離人工制造組織或者器官這樣的人類終極夢(mèng)想仍然遙遠(yuǎn)，3D打印還是幫助我們邁出了開(kāi)拓性的一步。

圖8左：將明膠用3D打印技術(shù)制成與卵巢組織類似的結(jié)構(gòu)（來(lái)源網(wǎng)絡(luò)）；圖8右：人工卵巢排出的卵子繁殖出的小鼠，利用基因編輯技術(shù)，處理植入人工卵巢的卵子，繁殖后的小鼠將通體呈現(xiàn)熒光。綠色熒光作為標(biāo)記，以便于確定小鼠確實(shí)繁殖于該人工卵巢（來(lái)源網(wǎng)絡(luò)）

3D****打印絕非完美 缺陷不少

3D打印雖然在特定的領(lǐng)域具有獨(dú)到的應(yīng)用價(jià)值，目前該技術(shù)本身仍然存在諸多缺陷。

首先，3D打印可以成型的材料雖然種類日漸廣泛，離我們生活較近的消費(fèi)級(jí)3D打印機(jī)卻只能打印塑料。這是因?yàn)闊o(wú)論是陶瓷成型還是金屬成型，都需要極高的溫度和能耗，適用于上述兩種材料的激光加熱和電子束加熱方式，很難出現(xiàn)在消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品上。

此外，一臺(tái)幾千人民幣的消費(fèi)級(jí)電子打印機(jī)可以給你帶來(lái)什么呢？筆者個(gè)人除了打印一些劣質(zhì)DIY手辦以外基本想不出別的點(diǎn)子來(lái)。

拿筆者實(shí)驗(yàn)室的一臺(tái)加熱熔融式塑料電子打印機(jī)為例，起初購(gòu)買的目的是為了能制造一些實(shí)驗(yàn)中可能用到的小型夾具，治具等等。后來(lái)打印了一個(gè)電鍍用夾具后，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，這個(gè)塑料小零件的致密度太低，低到漏水。這是因?yàn)?D打印機(jī)在工作時(shí)都是以層為單位向上堆積，為了實(shí)現(xiàn)最經(jīng)濟(jì)的堆積，并不是整個(gè)空間都會(huì)填充上塑料。

圖9左：外弱中干，年少體虛的3D打印小兔子；圖9右：3D打印的逐層掃描疊層堆積構(gòu)造，可見(jiàn)致密度相當(dāng)?shù)?/p>

這就好比建筑房屋，想讓房頂不塌下來(lái)只要有幾道承重墻就好了。這個(gè)例子從一個(gè)側(cè)面說(shuō)明現(xiàn)階段的消費(fèi)級(jí)3D打印機(jī)在性能上的表現(xiàn)仍然不夠出色，成本和價(jià)格方面尚存大量下行空間。

**在傳統(tǒng)的重工業(yè)領(lǐng)域，3D打印機(jī)雖然已有一定的高光表現(xiàn)，仍然不能作為主流技術(shù)看待，**大型零件的首選加工方式在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)仍然會(huì)是以鑄造、鍛造等為代表的傳統(tǒng)技術(shù)。

比如，C919大型客機(jī)的機(jī)翼已經(jīng)有部分鈦合金構(gòu)件采用了3D打印技術(shù)。這固然可喜可賀，不過(guò)要說(shuō)3D打印已經(jīng)全面進(jìn)軍大型零件制造這一領(lǐng)域，恐怕是言之過(guò)早。

首先，即便是最為大型的金屬3D打印設(shè)備，也只能制造大概一個(gè)長(zhǎng)沙發(fā)那么大的零件。而實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中的大型零件，卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)這一尺寸。比如包裹核電站堆芯的壓力容器，就是直徑數(shù)米，高度幾十米的龐然大物，且在幾十年的服役期間內(nèi)，不能有任何的質(zhì)量隱患，目前為止也只有傳統(tǒng)的鍛造方式可以加工（圖10）。

又如三峽各個(gè)機(jī)組的水輪機(jī)，每片葉輪都高達(dá)十幾米，因?yàn)樾螤钐厥?，目前只能采用鑄造的方式加以生產(chǎn)，每片葉輪價(jià)格達(dá)到兩百萬(wàn)元。所以，我們?cè)诼?tīng)取媒體關(guān)于3D打印的報(bào)道時(shí)，一定要區(qū)分真正的技術(shù)進(jìn)展和商業(yè)噱頭。比如所謂的3D打印蛋糕，技術(shù)上毫無(wú)新意，不過(guò)是滿足公眾獵奇心理的營(yíng)銷手段罷了。

圖10左：核電站壓力容器吊裝（來(lái)源網(wǎng)絡(luò)）；圖10中：三峽水電站某水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪出廠儀式（來(lái)源網(wǎng)絡(luò)）；圖10右：該水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片鑄造完成后的形態(tài)（來(lái)源網(wǎng)絡(luò)）

機(jī)械制造技術(shù)的江湖上風(fēng)起云涌，門派眾多，各大幫會(huì)瓜分天下，目前誰(shuí)也沒(méi)有能力鯨吞寰宇，今后也很難有某種技術(shù)可以雄霸武林。3D打印作為其中的新生力量，雖有蓬勃奮起之勢(shì)，卻終無(wú)改天換日之能。

同時(shí)，我們必須要注意到3D打印得以興盛的時(shí)代背景，那就是計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的穩(wěn)步前進(jìn)和相關(guān)軟件的功能提升。

3D打印技術(shù)誕生以來(lái)的30多年里，相關(guān)的材料和機(jī)電等領(lǐng)域并未發(fā)生革命性的重大突破，然而計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力卻提高到了當(dāng)年的上千倍，并最終徹底的改變了我們的生活和生產(chǎn)形態(tài)，也極大地促成了3D打印技術(shù)的大發(fā)展。

一言以蔽之，3D打印僅僅是數(shù)字化浪潮中的一朵浪花，與其說(shuō)是英雄造時(shí)勢(shì)，不如說(shuō)是時(shí)勢(shì)造英雄。