3D打印（yìn）概念成（chéng）为主流（liú）已近40年，倡导者称赞这（zhè）项技术（shù）是“制造业（yè）的未来”（future of manufacturing）。现在（zài），3D打印的打（dǎ）印速（sù）度和规模得到（dào）极大提高，生物医学应用范围也逐步扩大。近年来，这些进步（bù）均证（zhèng）明了3D打印技术正越来越靠近（jìn）人们对（duì）它的（de）预设。

当今最常见的3D打印种类，即增（zēng）材制造，使（shǐ）用光线将液态塑料树（shù）脂逐层固化（huà）为固体。这个（gè）过（guò）程通常比较慢，制造手持（chí）设（shè）备常常需要大半个（gè）下午。此外，各层之（zhī）间的（de）接口往往比较脆弱，成品结构易碎。因此（cǐ），3D打（dǎ）印（yìn）并没有取代传统（tǒng）的制造过程，而（ér）是和一（yī）些（xiē）非常（cháng）特殊的（de）用途联系起来。美国伊利诺伊州埃文斯顿（dùn）西北大学工（gōng）程（chéng）学教（jiāo）授Chad Mirkin表（biǎo）示（shì）：“在很大程度（dù）上，3D打印主（zhǔ）要局限于（yú）原型设计，因为它速度慢、产量低、产品结构不稳定。”

大（dà）约（yuē）5年前，美国（guó）北卡（kǎ）罗来纳大学的工程师（shī）发明了一（yī）种新型（xíng）的3D打印技术，即“连续液（yè）体界面生（shēng）产（chǎn）”（CLIP），与同类（lèi）技术相比（bǐ），这种技（jì）术（shù）的生产速度提高了100倍。这（zhè）项技术（shù）获得极大的进步。位（wèi）于美国加利福尼亚州（zhōu）雷德伍德（dé）市（shì）的一家名为（wéi）Carbon公司获取（qǔ）了该项技术（shù），该公司采（cǎi）用了（le）一种半渗透窗，可以将氧气（qì）注入（rù）液体（tǐ）树脂，从而形成一种（zhǒng）能防止固化的薄的“死区”（dead zone）。在该区域（yù）上方，光线将树（shù）脂（zhī）固化成固体。机械臂缓慢地将不断增长的固体从树脂中拉出（chū），使其（qí）他材料得（dé）以固（gù）化和黏附，这种（zhǒng）技术无需一（yī）系列层合界面（miàn），因此产品更加坚固（gù）。

尽管CLIP的速度提高备受关（guān）注（zhù）——Carbon公司已与福特汽车公司（sī）、阿迪达斯（sī）体育用品公（gōng）司和里德尔体育公司达成协议，分（fèn）别为它们生产汽车零件（jiàn）、运动鞋底和橄榄球头盔——但（dàn）其固化过程会（huì）释放出（chū）大量热量，这可能导致打印（yìn）的零（líng）件翘（qiào）曲和破裂。为了散热，打印的（de）成品尺寸（cùn）实际上被限制为25 cm×25 cm×41 cm。Mirkin说：“Carbon公司证实了3D打（dǎ）印（yìn）可被用于制（zhì）造业，而且他们（men）在许多（duō）行业做得都（dōu）非常好（hǎo），但是（shì）他们还没有找到快速打印大（dà）型物体的方法。”

在2019年年末，Mirkin的（de）团队宣称其开发了一项名（míng）为“高面积快速打印”（HARP）的新技术，该技术使液（yè）体（tǐ）冷却（què）剂在一桶（tǒng）液态树（shù）脂下面循环（huán）。冷（lěng）却剂（jì）是一种氟化（huà）油，在打印时会直接从正在打（dǎ）印的（de）物体上吸走热量（liàng），从而使它们在短短几个小时内就（jiù）可以达到成年人的尺寸（图（tú）1）。Mirkin将使用多台（tái）投影仪发出（chū）的光进行打印的方法称为“平铺”（tiling）工艺，其打（dǎ）印尺寸可以达到约（yuē）1 m×1 m×4 m。将来，其他投影（yǐng）仪（yí）可使HARP 能够制（zhì）造更大的物（wù）品。“从理论（lùn）上（shàng）讲，平铺工（gōng）艺消除了尺寸限制，”Mirkin说。

图1. 一种名为HARP的新型3D打印技术，该技术使（shǐ）一层液态冷却剂在一大桶液态树脂下面循环，从而消除物（wù）体（tǐ）打印时随着体积（jī）不断扩大而（ér）产生的热量（liàng），使它们在短短几个小时内就可以达到成年（nián）人的（de）尺寸（cùn）。这款HARP打印机（jī）高（gāo）约4 m，带有0.76 m×0.76 m的打印床，可以打印一个大型的连（lián）续结构或许多不同的小（xiǎo）型结构。来（lái）源（yuán）：美（měi）国（guó）伊利诺伊州埃文斯顿西（xī）北大学（新闻（wén）稿）。

为了使HARP商业化，Mirkin和同事成（chéng）立了（le）Azul 3 D公司（位于美国伊利诺伊州斯科（kē）基（jī）市），该公司预计（jì）在2021年年底前开始销售打印机。Mirkin希望（wàng）HARP能改变3D打印的商业模式。“几乎所有的3D打印公司都必须从他们的硬（yìng）件上获（huò）得可观的收入，因（yīn）为（wéi）他们根本（běn）没有使（shǐ）用足够（gòu）的（de）树脂（zhī）来（lái）使此（cǐ）项技术（shù）具有（yǒu）良好的商业模式。”他表示，“借助HARP，该（gāi）公司不需要仅依靠销售（shòu）硬件（jiàn）来获得收入，因为他们（men）还可以通过销售生产大量零件所需的树脂来赚钱（qián）。这样，由于初（chū）始硬件成本几乎变得无关紧要（yào），所以HARP降低了（le）进入（rù）门槛。”

在另一个快速发展的领域，3D打印（yìn）技术正显示出其在处理（lǐ）微小物体（tǐ）方（fāng）面的潜在价值。将传统3D打印机中（zhōng）使（shǐ）用的“墨水”（塑（sù）料、聚（jù）合物和金属合（hé）金）换成嵌入生（shēng）物介质中的活细胞，这项（xiàng）技术将成为生物医学应用的一个有趣（qù）工具，未（wèi）来有可能被用于制造替代组织。3D生物打（dǎ）印已被用于制（zhì）造简单（dān）的组织，如皮肤、软骨和部分心肌（jī）。随着技术的进步（bù），3D生物打印可能会（huì）被（bèi）用于制（zhì）造更复杂的器官（guān），如视（shì）网膜、肾脏（zāng）和肺。主要（yào）的挑战包括（kuò）组（zǔ）成器官（guān）的各种各样的细胞类型，以（yǐ）及需要提高足够的分辨率（lǜ）来打印输送氧气（qì）和清除废（fèi）物（wù）的微小血管。

“我不知道我们能否达成这个目标——有（yǒu）各种不同（tóng）的细胞类型和（hé）维持它们存活所需（xū）的血管系统，器（qì）官实在是太复杂了。”美（měi）国明尼苏达州明尼苏达大（dà）学机械工程学教授Michael McAlpine说，“我们一直（zhí）以来的错（cuò）误在于（yú）试图完全复制生物学。也许通过聚合物和电子技（jì）术，你可以制造（zào）出一个能（néng）像肝脏一样工作的设备，但实际上该设备比（bǐ）大（dà）自然创造出来的要好得多。”

然而（ér），3D生物打印已（yǐ）得到了更直接的（de）应（yīng）用，其中（zhōng）包括（kuò）药物（wù）发现（xiàn）和消费品测试（shì）。在McAlpine的许多项目中，有一个可用于脊髓再生的3D打印设（shè）备（bèi）和（hé）嵌入（rù）有（yǒu）可监测患者生理和（hé）生化标志物的（de）传感器的电子纹身。

虽然3D生物打（dǎ）印主（zhǔ）要集中（zhōng）在很小的领域，但（dàn）是美国得克萨斯（sī）州的创新者（zhě）正在使用（yòng）超大规模（mó）的3D打印来建造房屋（图2）。位于得克萨（sà）斯州奥斯汀市（shì）的建筑技术公司（sī）Icon开发了一台名（míng）为Vulcan II的3D打印机，该打印机（jī）可（kě）以在大约24 h内打印37 m²的两（liǎng）居室房屋的墙壁。Vulcan II是专门（mén）为偏远农村（cūn）的房屋建造而设计（jì）的，由于有限的资源、无法预测（cè）的天气以及（jí）不（bú）稳定（dìng）的电源（yuán），使用传统（tǒng）的（de）建筑方式（shì）几乎（hū）是不可能完成房屋建造的。这台高 3.5 m、重1725 kg的机器连续堆积了一层（céng）高2.5 cm、宽 5 cm的（de）被称（chēng）为（wéi）“lavacrete”的可延（yán）展型混凝（níng）土基线材料（liào），并将（jiāng）其（qí）硬化成墙（图3）。

图2. Icon公（gōng）司（sī）（位于美国（guó）得克（kè）萨斯州奥（ào）斯汀（tīng）市）的Vulcan II 3D打印机堆（duī）积了一层大约2.5 cm×5 cm的名为（wéi）“lavacrete”的混凝土基线材料，建（jiàn）造了如图（tú）所示的37 m2 房（fáng）屋的（de）墙壁，花费了（le）约24 h。来（lái）源（yuán）：Icon公司（sī）（新闻（wén）稿）。

图3. Icon公司（sī）的（de）Vulcan II 3D打印（yìn）机位于三个结构的最末（mò）端（duān），该打（dǎ）印机（jī）在美国得（dé）克萨斯州奥斯汀市的（de）一个地基上创建了三（sān）座（zuò）37 m² 房（fáng）屋的墙壁，这些房屋的平面图各不相同。来源：Icon公司。

Icon公（gōng）司目前正在51英亩（mǔ）土地上为美国奥斯汀东北部地区的无家可（kě）归（guī）者（zhě）打印数十套（tào）房屋，并（bìng）为墨（mò）西哥塔巴斯（sī）科小镇约50个家（jiā）庭提供（gòng）房屋。虽然Vulcan II减少了建（jiàn）造房屋的（de）工（gōng）作量，但建造过程（chéng）并非一步到（dào）位，工人仍然（rán）需（xū）要打下地基并（bìng）安装屋顶。3D打印房屋除了能节省时间外（wài），与其他（tā）低成本住房相比，它还能够打印（yìn）平滑曲线和（hé）倾斜墙壁以（yǐ）实现其更自由的设（shè）计。

在另一项大规模应用中，总部位（wèi）于美国（guó）加（jiā）利（lì）福尼亚州洛杉矶市的Relativity Space公司开发了一种名为“Stargate”的3D打印机（jī）（图4），用于建（jiàn）造（zào）几乎不以（yǐ）地面（miàn）为（wéi）基（jī）础的物体，即30 m高的火箭飞船。Relativity Space公司计划用（yòng）3D打印技术（shù）打印第（dì）一（yī）枚火箭的整个生（shēng）产线，即 Terran-1，但不包括电子设备、电缆和少量活动部件。相比之下，SpaceX、Blue Origin和其他公司也使用3D 打印技（jì）术，但仅用于生（shēng）产部分零件。Relativity Space 公司与许多（duō）卫星运营（yíng）商签订了发射有效载荷的合同，并同意他们使（shǐ）用美国国家航空（kōng）航天局位（wèi）于密西西比州汉（hàn）考克县（xiàn）的John C.斯坦尼（ní）斯航天中心（xīn）的两个测试设施。该公司还（hái）获得了从美国佛罗里（lǐ）达州卡纳维拉尔角（jiǎo）空军基地（dì）的“Launch Complex-16”发射“Terran1”火箭的（de）权利，其中（zhōng）第（dì）一枚火箭有望在2021年发（fā）射。

图4. Relativity Space公司（总部位（wèi）于美国（guó）加利福尼亚州洛杉矶市）的（de） Stargate 3D打印机使用定（dìng）向能（néng）量（liàng）沉积（jī）制造巨大的金属物体，如（rú）火箭的燃料箱（xiāng）和发动（dòng）机。打印机（jī）高9 m，且具有3个庞大的机械臂。一只机械臂使（shǐ）用（yòng）强大的激光来熔化金属丝，金属丝会逐层沉积以形（xíng）成火箭的零件（jiàn）。另外两只机械臂用于固定工具以（yǐ）完成打印的（de）部件（jiàn）。来源（yuán）：Relativity Space公司，维基共享资源（CC BY-SA4.0）。

尽管（guǎn）火箭通常由数（shù）千个单独的零件组成，但Relativity Space公司设计的（de）零件却合并了一些部件，这些部件通常是被（bèi）分开（kāi）制造然后组装的。所以，他（tā）们的火箭零件数量将是（shì）同类火箭的（de）零件数量的1/100。更少的零件意（yì）味着更少的接口和更少的出错机（jī）会。此外，尽管大多（duō）数制造（zào）商必须重新配置其（qí）设备以（yǐ）制造（zào）额外的硬件，但Relativity Space公司只需要在打（dǎ）印机软（ruǎn）件中运行（háng）一个新程序即（jí）可创建（jiàn）下一个零件。而且与（yǔ）传统的火（huǒ）箭（jiàn）制造（zào）相比，该公司（sī）的3D打印机进行设计（jì）更改也更容易且成本（běn）更低。

“一（yī）般（bān），航（háng）天工业要规避风险（xiǎn），相较于创新（xīn），更希望有（yǒu）更多的信心（xīn）实现成（chéng）功（gōng）发射。”安全世界基金会私（sī）营部门项目主任Ian Christensen说（shuō），该基金会总部位于美国科（kē）罗拉多（duō）州布鲁姆菲（fēi）尔德市，其致力于促进和（hé）平可持续的外层空间的利用（yòng）。“像（xiàng）3D打印火箭（jiàn）这（zhè）样完全（quán）新颖的东西，市场将如何反应，这是一个（gè）悬而未决的问题。”

仅仅（jǐn）因为（wéi）现实（shí）中3D打（dǎ）印已经开（kāi）始满足人们对它（tā）的（de）期望，但人（rén）们仍有更多雄心勃勃的目标。Relativity Space公司不仅不满足于通过制造火箭将（jiāng）卫（wèi）星送入轨道，还着眼于将打（dǎ）印机运送到火星，以便在火星上打印火箭，从而将土壤样本送回地（dì）球。“这（zhè）种采样返回的概念在理论上是有趣的，但几乎可以肯定（dìng），它需要与政府（fǔ）的太空（kōng）探索和（hé）行星科学项目相（xiàng）结合，而这些项目进展（zhǎn）缓慢。”Christensen说，“像在（zài）技术方面的挑战一样，这一概念（niàn）在政（zhèng）策及体制方（fāng）面也面临（lín）着挑战（zhàn）。”