3D打印概念（niàn）成为主流已近（jìn）40年（nián），倡导者称赞这项技术是“制造业的未（wèi）来”（future of manufacturing）。现在，3D打印的打印速（sù）度和规模得到极大提高，生（shēng）物医学应用（yòng）范围也逐步扩大。近（jìn）年来，这些进步均证明了3D打印技术（shù）正越来越靠（kào）近人们对它的预（yù）设。

当今最常见的3D打印种（zhǒng）类，即增材制造（zào），使用（yòng）光（guāng）线将液态（tài）塑料树（shù）脂逐层固化为固体。这个（gè）过程通常比较（jiào）慢，制造手持设备常（cháng）常需（xū）要（yào）大半（bàn）个下午（wǔ）。此外，各层之（zhī）间的（de）接口往（wǎng）往比（bǐ）较（jiào）脆弱，成品结（jié）构易（yì）碎。因此（cǐ），3D打印并没有（yǒu）取代（dài）传统的（de）制造过程，而是和（hé）一些非常特殊的用途联系起来。美国伊利（lì）诺伊州埃文斯顿西（xī）北（běi）大（dà）学（xué）工程学教授Chad Mirkin表示：“在很大程度上，3D打（dǎ）印主要局限于（yú）原型设计，因为它速度慢、产量（liàng）低、产品结构不稳定。”

大约（yuē）5年前，美（měi）国北（běi）卡罗（luó）来纳大学的工程师发（fā）明了一种新（xīn）型的（de）3D打印技术，即“连续液体界面生产”（CLIP），与同类技（jì）术相比，这种（zhǒng）技术的（de）生产速度提高了100倍（bèi）。这项技术获得极大的（de）进（jìn）步。位于美（měi）国（guó）加利福尼亚州雷德伍德（dé）市的一家名为Carbon公司获取了该项（xiàng）技术，该公司采用了一种半渗透窗，可以将氧气（qì）注入液体树脂，从而形成（chéng）一种能防止固化的（de）薄的“死区”（dead zone）。在该区域上（shàng）方，光线（xiàn）将树（shù）脂固化成固体。机械臂缓（huǎn）慢地（dì）将不断（duàn）增（zēng）长（zhǎng）的固体（tǐ）从树脂中拉出，使其他材料得以（yǐ）固化和黏附，这种（zhǒng）技术无需（xū）一系列层合界面，因此产品更加坚固。

尽管（guǎn）CLIP的速度提高备受关注——Carbon公司已与福特汽车公（gōng）司（sī）、阿迪达斯体育（yù）用品公司和里德尔体育公司达成协（xié）议，分别为它（tā）们生产汽（qì）车零件（jiàn）、运动鞋底（dǐ）和橄（gǎn）榄球头盔——但其固化过程会释放出大量热量（liàng），这可能导致（zhì）打印（yìn）的（de）零件翘（qiào）曲（qǔ）和（hé）破（pò）裂。为了（le）散热（rè），打印的成品尺（chǐ）寸实际上被限（xiàn）制为25 cm×25 cm×41 cm。Mirkin说：“Carbon公司证实（shí）了3D打（dǎ）印（yìn）可被用于（yú）制造业，而且（qiě）他们在（zài）许多行业做（zuò）得（dé）都非常好，但是他们还没有找到快速（sù）打印大型物体（tǐ）的（de）方法。”

在2019年年末，Mirkin的团队（duì）宣称（chēng）其开发（fā）了一项名为“高面积快速打印”（HARP）的新技术，该技术使液体冷（lěng）却剂在（zài）一桶液态（tài）树脂下面循环。冷（lěng）却剂是一种氟化油（yóu），在（zài）打印时（shí）会直接从正在打印的物体上（shàng）吸走热量，从而使它们在短（duǎn）短几个小时内就可以达到成年人的尺寸（cùn）（图1）。Mirkin将使用多台投影仪发出（chū）的光进行打印的方法（fǎ）称（chēng）为“平（píng）铺”（tiling）工艺，其打印尺寸可以达到（dào）约1 m×1 m×4 m。将（jiāng）来，其他投影仪可（kě）使HARP 能够（gòu）制造更大的物（wù）品。“从理（lǐ）论上讲（jiǎng），平铺工艺消除了（le）尺（chǐ）寸限（xiàn）制，”Mirkin说。

图1. 一种名为HARP的新型3D打印技（jì）术，该技术使一（yī）层（céng）液态冷却（què）剂在一（yī）大桶液态树（shù）脂下（xià）面循（xún）环（huán），从而消除物体打印（yìn）时随着体积不断扩大而产生的热量，使（shǐ）它们在短短几个小时（shí）内就可以（yǐ）达到成（chéng）年（nián）人（rén）的尺（chǐ）寸。这款HARP打印机高约4 m，带有0.76 m×0.76 m的打印床（chuáng），可以打印（yìn）一个大型的连续结构或（huò）许多（duō）不同的小（xiǎo）型结（jié）构。来源：美国伊利诺（nuò）伊（yī）州埃（āi）文斯（sī）顿西（xī）北大学（新闻稿）。

为了（le）使HARP商业（yè）化，Mirkin和同事成立（lì）了Azul 3 D公司（位（wèi）于美（měi）国伊利诺伊州斯科基市），该公司预计在2021年年底前开（kāi）始销售打印机（jī）。Mirkin希望HARP能改变3D打印（yìn）的（de）商业模（mó）式。“几乎所有的（de）3D打印公（gōng）司都必须从（cóng）他（tā）们的硬件上（shàng）获（huò）得可观的收入，因（yīn）为他们根本没有（yǒu）使（shǐ）用足够的（de）树脂（zhī）来使（shǐ）此项技术具（jù）有良好（hǎo）的商业（yè）模式。”他（tā）表示（shì），“借助（zhù）HARP，该公司不需要仅依靠（kào）销售硬（yìng）件来获得收入（rù），因为他（tā）们还可以通过销售生产大量零件所需的树脂来赚钱（qián）。这样，由于初始硬件（jiàn）成本几乎变（biàn）得无（wú）关紧要，所以HARP降低了进入门槛。”

在另一个快速发展的领域，3D打印技术正显示出其在处（chù）理微小（xiǎo）物体方面的潜在价值。将传统3D打印机中使用的（de）“墨水”（塑料、聚合物和金属合金）换成嵌入生物介（jiè）质中（zhōng）的活细胞（bāo），这项技术将（jiāng）成为生物医学应用的（de）一个有趣（qù）工具，未（wèi）来有可能被用（yòng）于制造替代组织。3D生物打印已（yǐ）被用于制造简单的（de）组织，如（rú）皮肤、软骨和部分（fèn）心肌。随着技术（shù）的进步（bù），3D生物打（dǎ）印可（kě）能会被用于制造更（gèng）复（fù）杂的器官，如视网膜、肾（shèn）脏和肺。主（zhǔ）要的挑战包（bāo）括（kuò）组成器官的各种各样的细胞类型，以及需要（yào）提高足够（gòu）的分辨率来（lái）打印输送氧气和清除废物的微小（xiǎo）血管。

“我不知（zhī）道我们能否达成这个目标——有各种不同的细胞（bāo）类型和维持它们存（cún）活所需（xū）的血管系（xì）统，器官实在是太复杂了。”美（měi）国明尼苏（sū）达州明尼苏达大学机械工程学教授Michael McAlpine说，“我们（men）一直以来的错误在于（yú）试图完全复（fù）制生物学。也许通（tōng）过（guò）聚合物和电子技术，你可以制造出一个能像肝脏一样工作的设备，但实际上该（gāi）设（shè）备比（bǐ）大自然创（chuàng）造（zào）出来（lái）的要好得多。”

然而，3D生物打印已得到了更直接的应用，其中包（bāo）括药物发现和消费品测试。在McAlpine的（de）许多项目中，有一（yī）个可用于脊髓再生的3D打印设备和嵌入有可监测患者生理和生化标志（zhì）物的传感器的电子纹身。

虽然3D生物打（dǎ）印主（zhǔ）要（yào）集中在很小的领域，但是美国得克萨斯州的（de）创新者正在使用超大规模的3D打印（yìn）来建造房屋（图2）。位于得（dé）克萨（sà）斯州奥斯汀（tīng）市的建筑技术公司Icon开发了一台名为Vulcan II的（de）3D打印（yìn）机，该打印机可以（yǐ）在（zài）大约24 h内打印37 m²的（de）两居室房屋（wū）的墙（qiáng）壁。Vulcan II是专门为偏远农村的房屋（wū）建造而设计的，由于有（yǒu）限的资源、无法预测的天（tiān）气以及（jí）不（bú）稳定的（de）电源，使用传统的建筑方式几乎是（shì）不（bú）可能完成房（fáng）屋建造的。这（zhè）台高 3.5 m、重1725 kg的机器连（lián）续堆积了一层高2.5 cm、宽（kuān） 5 cm的被称（chēng）为“lavacrete”的可延展（zhǎn）型（xíng）混凝（níng）土基线（xiàn）材料，并（bìng）将其硬化成（chéng）墙（图（tú）3）。

图2. Icon公司（位于美国得克萨斯州奥斯汀（tīng）市）的Vulcan II 3D打印机堆积了一层大约2.5 cm×5 cm的名为（wéi）“lavacrete”的（de）混凝土基线材料，建造了如（rú）图所示的37 m2 房屋的（de）墙壁，花费了约24 h。来源：Icon公（gōng）司（新闻（wén）稿）。

图3. Icon公司的Vulcan II 3D打印（yìn）机（jī）位（wèi）于三个（gè）结构的（de）最末（mò）端，该打印机在美国（guó）得克萨斯（sī）州（zhōu）奥斯汀市的（de）一个地基（jī）上创建了三座37 m² 房屋的墙壁（bì），这些（xiē）房屋的平面图各不（bú）相同。来源：Icon公司。

Icon公司目前正（zhèng）在51英（yīng）亩土地上为美国奥斯汀东北部（bù）地区的无家可归者打印数十套（tào）房屋，并为墨（mò）西哥（gē）塔巴（bā）斯科小（xiǎo）镇约50个家庭提供房屋。虽然Vulcan II减少了建造房屋的（de）工作量，但建造过程并（bìng）非（fēi）一步到位，工人仍然（rán）需要（yào）打（dǎ）下（xià）地（dì）基并安装屋顶。3D打印房屋除（chú）了能节省时间外，与其（qí）他低成（chéng）本住房相比（bǐ），它（tā）还能（néng）够打（dǎ）印平（píng）滑曲（qǔ）线（xiàn）和倾（qīng）斜墙（qiáng）壁（bì）以实现（xiàn）其（qí）更自由的（de）设（shè）计。

在另一项大规模（mó）应用中，总部位于（yú）美国加利福尼亚（yà）州（zhōu）洛杉矶市的Relativity Space公司开发了一种名为（wéi）“Stargate”的3D打印机（图4），用（yòng）于建造几乎不以地面为（wéi）基（jī）础的物体，即30 m高（gāo）的火箭飞船。Relativity Space公司计划用3D打（dǎ）印技术打印第一枚火箭（jiàn）的整个生产线，即 Terran-1，但不包括电子设备、电缆和少量活动（dòng）部（bù）件。相比之下，SpaceX、Blue Origin和（hé）其他公司也使（shǐ）用（yòng）3D 打印技术，但仅用于生产（chǎn）部分零件。Relativity Space 公（gōng）司与许多卫星运营商签订了发射（shè）有效载荷的（de）合同，并同意他们（men）使用美国国家航空航天局位于密（mì）西西比州汉考克（kè）县（xiàn）的John C.斯（sī）坦尼斯航天中心的两个测试设（shè）施。该公司还获得了从（cóng）美国佛罗里（lǐ）达州卡纳维拉（lā）尔角（jiǎo）空（kōng）军基地（dì）的“Launch Complex-16”发射（shè）“Terran1”火箭的权利，其中第（dì）一枚火（huǒ）箭有望在2021年发射。

图4. Relativity Space公司（总部（bù）位于美国加利福尼亚州洛杉矶（jī）市）的 Stargate 3D打印机使用定向能量（liàng）沉（chén）积制造巨大的金属（shǔ）物体（tǐ），如火箭的燃（rán）料箱和发动机。打印（yìn）机高9 m，且具（jù）有3个庞大的机械臂。一只机械臂使用强大的激光来熔化（huà）金属丝（sī），金属丝会逐层（céng）沉积以形成（chéng）火箭的零件。另外两只机械臂用于固定工（gōng）具以完成打印的部件。来源：Relativity Space公司，维基共享资源（CC BY-SA4.0）。

尽管火箭通常（cháng）由数（shù）千个单（dān）独的零件组（zǔ）成，但Relativity Space公司设计的零件却合并了（le）一些部件（jiàn），这些部（bù）件（jiàn）通常是被分开制造然后组装的。所以，他们的火箭零件数量将是同类火箭的（de）零件数量的1/100。更（gèng）少的（de）零件意味着更少的接（jiē）口和更少（shǎo）的（de）出错机（jī）会。此外，尽（jìn）管（guǎn）大多数（shù）制造商（shāng）必须重新配置（zhì）其设（shè）备以（yǐ）制（zhì）造额外的硬件，但Relativity Space公司只需（xū）要（yào）在打印（yìn）机（jī）软件中运行一个新程序即（jí）可创建下一（yī）个零件。而且与传统的火箭制造相（xiàng）比，该（gāi）公司（sī）的3D打（dǎ）印机（jī）进行设计更改也更容易且（qiě）成本更低。

“一般，航天工业要规避风险，相较于（yú）创（chuàng）新，更希望有更多的（de）信心实现成（chéng）功发（fā）射。”安（ān）全世界基（jī）金（jīn）会（huì）私营部门项目主（zhǔ）任Ian Christensen说，该（gāi）基金会总部位于美国（guó）科（kē）罗拉多州布鲁（lǔ）姆（mǔ）菲（fēi）尔德市，其致力于促进和平可持续的外层（céng）空间（jiān）的利用。“像3D打印火箭这样完（wán）全新颖的东西，市场将如何反（fǎn）应，这是（shì）一个悬（xuán）而未决的（de）问题。”

仅仅因为现实中3D打印已经开始（shǐ）满足人们对它的期望，但人们仍有（yǒu）更多雄心（xīn）勃勃的目标。Relativity Space公司不（bú）仅不满足于通过制造火箭将卫星送入轨道，还着眼于将打印机运送到（dào）火星，以（yǐ）便在火星上打印火箭，从而将土壤样本送（sòng）回地球（qiú）。“这种采样返回的（de）概念在理论上是有趣的，但几（jǐ）乎可以肯定（dìng），它需要与政府的（de）太空探（tàn）索和行星科学项目（mù）相结（jié）合（hé），而这些项目进（jìn）展缓（huǎn）慢。”Christensen说，“像在（zài）技术方面的挑战一（yī）样，这（zhè）一概念（niàn）在政（zhèng）策及体制方面也面临着挑战。”