3D打印概念成为主（zhǔ）流已近（jìn）40年，倡导者称赞这项技术是“制造业的未来（lái）”（future of manufacturing）。现（xiàn）在，3D打印的打印速度和规（guī）模得到极（jí）大提（tí）高，生物（wù）医学应（yīng）用（yòng）范（fàn）围也（yě）逐步扩大。近年来，这些进（jìn）步均证（zhèng）明（míng）了（le）3D打印技术正越来（lái）越靠近人们对（duì）它的预设。

当今最常见（jiàn）的3D打印种类（lèi），即增材制造，使（shǐ）用光线将液态塑料树（shù）脂逐层固（gù）化为固体。这个过程通常（cháng）比较慢，制造手持设备常常需要大半个（gè）下午。此外，各层（céng）之间的接口往往比较脆弱，成品结构易碎。因此，3D打印并没有取代传统的制造过程（chéng），而是和一些（xiē）非（fēi）常（cháng）特殊的用（yòng）途联系（xì）起来（lái）。美国伊利诺伊州埃文斯顿西北大（dà）学工程学教授Chad Mirkin表示（shì）：“在很大（dà）程度上，3D打印主要局限于原型设计，因为它速（sù）度慢、产量低、产品结构不稳定。”

大（dà）约5年前，美（měi）国北卡罗来纳（nà）大学（xué）的工（gōng）程师发明了一种（zhǒng）新型的3D打（dǎ）印技（jì）术，即“连续液体界面生产”（CLIP），与同类技术相（xiàng）比，这种（zhǒng）技术的生产速度提（tí）高了100倍。这（zhè）项技术获得（dé）极大（dà）的（de）进步。位于美国加利（lì）福尼亚州雷（léi）德伍德（dé）市的一家名为Carbon公司（sī）获取了该项技术，该公司采用了（le）一种半渗（shèn）透（tòu）窗，可（kě）以将氧气注入（rù）液（yè）体树脂，从而形成一种能防止固化的薄的“死区”（dead zone）。在该区域上方，光线将树脂固化成固体。机械（xiè）臂（bì）缓慢地将（jiāng）不断增（zēng）长的固体从树脂中拉出，使其他材（cái）料得以固化和黏附，这种（zhǒng）技术无需一（yī）系列层合界面，因此产品更加坚固（gù）。

尽管CLIP的（de）速度提高备受关注（zhù）——Carbon公司已（yǐ）与福特（tè）汽车（chē）公司、阿迪达斯体育用品（pǐn）公司和（hé）里德尔体育（yù）公（gōng）司达（dá）成协议，分别为它们生产汽（qì）车零（líng）件、运（yùn）动鞋底和橄榄球头盔——但其固化过程会释放（fàng）出大量热（rè）量，这可能导（dǎo）致打印的零件翘曲和破裂。为（wéi）了（le）散（sàn）热，打印的（de）成品尺（chǐ）寸实际上被限（xiàn）制为（wéi）25 cm×25 cm×41 cm。Mirkin说：“Carbon公司证实了3D打印可被用于制造业，而且他们在许多（duō）行业做得都非常好，但是（shì）他们还没有找到快速（sù）打印大型物体的方法。”

在2019年年末，Mirkin的团队宣称其开发了一项名（míng）为“高面（miàn）积快（kuài）速打印”（HARP）的新技术，该技（jì）术使液体冷却剂在一桶液态（tài）树脂（zhī）下面循环。冷却剂（jì）是一种（zhǒng）氟化油，在（zài）打印时（shí）会直（zhí）接从正在打印的物体（tǐ）上（shàng）吸走热量，从而使它们（men）在短（duǎn）短几个小时（shí）内就（jiù）可以达到（dào）成年人的（de）尺寸（图（tú）1）。Mirkin将使用多台投影（yǐng）仪发（fā）出的光进行打印的方（fāng）法称为“平铺”（tiling）工（gōng）艺（yì），其打印尺寸可以达到（dào）约（yuē）1 m×1 m×4 m。将来，其他（tā）投影仪可使HARP 能够制造更大的物品。“从理论上（shàng）讲，平铺（pù）工艺消（xiāo）除了尺寸限制，”Mirkin说。

图1. 一种名为HARP的（de）新型3D打印技术，该技术使一层液（yè）态（tài）冷（lěng）却剂（jì）在一大桶液态（tài）树（shù）脂下面循环，从而消除物体打印时随着体积（jī）不断（duàn）扩大而（ér）产生的热（rè）量，使它们在短（duǎn）短几个小时内就可以（yǐ）达到成年（nián）人的尺（chǐ）寸。这款HARP打印机高（gāo）约4 m，带有（yǒu）0.76 m×0.76 m的打印床，可（kě）以打（dǎ）印一个大型的连（lián）续结构或许多不（bú）同的（de）小型结（jié）构。来源：美国伊利诺伊州（zhōu）埃文（wén）斯顿西北（běi）大学（新闻稿）。

为了使HARP商（shāng）业（yè）化，Mirkin和（hé）同事成立了Azul 3 D公司（位于美（měi）国伊利诺（nuò）伊州斯科（kē）基市（shì）），该公司预计（jì）在2021年年底前开始（shǐ）销（xiāo）售打（dǎ）印机。Mirkin希望HARP能改（gǎi）变3D打印（yìn）的商业模（mó）式（shì）。“几乎（hū）所有的3D打印（yìn）公司都必须从（cóng）他（tā）们的硬件上获得可观的收入（rù），因（yīn）为（wéi）他们根本没（méi）有使（shǐ）用足够的（de）树脂来（lái）使此项技术具有（yǒu）良好（hǎo）的（de）商业模式（shì）。”他表示，“借助（zhù）HARP，该公司不（bú）需要仅依靠销售硬件来获得收入，因为他们还可以通过（guò）销售生产大量零件所需的树脂来赚钱。这样，由于初始硬件成本几乎变得（dé）无关紧要，所以（yǐ）HARP降低了进入门槛。”

在另一个快速发展的领域，3D打印（yìn）技（jì）术正显示出其（qí）在处理微小（xiǎo）物体方（fāng）面的潜在价值。将传统（tǒng）3D打印机中（zhōng）使用的（de）“墨水”（塑（sù）料、聚合（hé）物和金（jīn）属（shǔ）合金（jīn））换成（chéng）嵌入生物介质（zhì）中的活细胞，这项（xiàng）技术将（jiāng）成为生物医学应用（yòng）的一个（gè）有趣工具（jù），未来有可（kě）能被用于制造替代组织。3D生物打印已被用于制（zhì）造简单的组织，如皮肤、软骨和部分（fèn）心肌。随着技术的进（jìn）步，3D生物打印可能会被用于（yú）制（zhì）造更复杂的器官，如视（shì）网膜、肾脏和肺（fèi）。主要的（de）挑战包（bāo）括组成器官（guān）的各种各样（yàng）的（de）细胞类型，以及需（xū）要提（tí）高足够的分辨率来（lái）打印输（shū）送氧气和清除废物（wù）的微小血管。

“我不知道我（wǒ）们（men）能否（fǒu）达成这个目（mù）标——有（yǒu）各种不（bú）同的细胞（bāo）类型和维持它们存活所（suǒ）需的血管系统，器官实在是太复（fù）杂（zá）了（le）。”美国（guó）明尼苏达州明尼苏达大学机械工（gōng）程学教（jiāo）授Michael McAlpine说（shuō），“我们一直以来（lái）的错误在于试图完全复制（zhì）生物（wù）学。也许通过聚合物和（hé）电子技术，你可以制造出一个能像（xiàng）肝脏一样工作的设备，但实际上该设备比大自然创造出来的要好得多。”

然而（ér），3D生物打印已得（dé）到了更直接的应用（yòng），其中包括药物发现（xiàn）和（hé）消费品测试。在McAlpine的许多（duō）项目中，有（yǒu）一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（biāo）志物的传感器的电（diàn）子纹（wén）身。

虽然3D生物（wù）打印主要（yào）集（jí）中（zhōng）在（zài）很小的领域（yù），但是美（měi）国得克萨斯（sī）州（zhōu）的创新者（zhě）正在使用超（chāo）大规模的（de）3D打（dǎ）印来（lái）建造房（fáng）屋（wū）（图（tú）2）。位于得克萨斯州奥斯汀市的建（jiàn）筑（zhù）技术公司Icon开发了一台（tái）名为Vulcan II的3D打印机（jī），该打（dǎ）印机可（kě）以在大约24 h内打印37 m²的两居室房屋的墙壁。Vulcan II是专门为偏（piān）远农（nóng）村的房屋建（jiàn）造而设计（jì）的（de），由于有限的资源、无法预测的天气以及不稳（wěn）定的电源，使用传统的建筑方式几乎是不可（kě）能（néng）完成（chéng）房屋建（jiàn）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的被称为“lavacrete”的可延（yán）展型混凝土基线材料，并（bìng）将其硬（yìng）化成墙（图3）。

图2. Icon公司（位于美国得克萨斯州奥斯（sī）汀市）的（de）Vulcan II 3D打印机堆积（jī）了（le）一层大约2.5 cm×5 cm的名为“lavacrete”的混凝土（tǔ）基线材料，建造（zào）了如（rú）图所示的37 m2 房屋的（de）墙壁，花费了约（yuē）24 h。来源：Icon公（gōng）司（新（xīn）闻稿）。

图3. Icon公司（sī）的Vulcan II 3D打（dǎ）印机位于（yú）三个结构的最末端，该（gāi）打印（yìn）机在美国得克萨（sà）斯州奥（ào）斯汀市的一个地基上创建了三座（zuò）37 m² 房屋（wū）的墙壁，这（zhè）些房屋的（de）平面（miàn）图（tú）各不相同。来源：Icon公司。

Icon公司目前正在51英亩（mǔ）土地（dì）上为（wéi）美国奥斯汀东北部地（dì）区的无家可归者打印数十套（tào）房屋（wū），并为墨西哥塔巴斯（sī）科小镇约50个家庭提（tí）供（gòng）房屋。虽然Vulcan II减（jiǎn）少了建造房屋的工（gōng）作量，但建造过程并非一步到位，工人仍然需要打下地基并（bìng）安装屋顶。3D打（dǎ）印（yìn）房屋除（chú）了能（néng）节省时间外，与其（qí）他低成本住（zhù）房相比，它还能（néng）够打印平滑（huá）曲线和（hé）倾斜墙壁以（yǐ）实现其更自由（yóu）的设计。

在（zài）另一项大规模应（yīng）用（yòng）中，总（zǒng）部位于美国加利福尼亚州洛杉矶市的（de）Relativity Space公司开发（fā）了一种名（míng）为“Stargate”的3D打印机（图（tú）4），用于建造几乎不以地（dì）面为（wéi）基础的物体（tǐ），即30 m高的（de）火箭飞船。Relativity Space公（gōng）司计划用3D打（dǎ）印技术打印第一枚火箭的整个生产（chǎn）线，即 Terran-1，但不包括电（diàn）子设备、电缆和（hé）少（shǎo）量活动（dòng）部件。相比之下（xià），SpaceX、Blue Origin和（hé）其他公司（sī）也使用3D 打印技术（shù），但仅用于（yú）生（shēng）产部分零件。Relativity Space 公司与许（xǔ）多（duō）卫（wèi）星运营商签订（dìng）了（le）发射（shè）有效载荷的（de）合同，并同意他们使用美国国家航空航天局位于密西（xī）西比州汉考（kǎo）克县的John C.斯坦尼斯航（háng）天中心的两个测试（shì）设施。该公司还获（huò）得了（le）从（cóng）美国佛罗里达（dá）州卡纳维拉尔角空军基（jī）地的“Launch Complex-16”发射“Terran1”火箭的权利，其中第一枚（méi）火箭有（yǒu）望在2021年发射。

图4. Relativity Space公司（sī）（总部位于美国加（jiā）利福尼亚州洛（luò）杉矶市（shì））的 Stargate 3D打（dǎ）印机使（shǐ）用定（dìng）向能量沉积制造巨大的金属物体，如（rú）火箭（jiàn）的燃料箱和发动机。打印机高9 m，且具有3个庞（páng）大的机（jī）械（xiè）臂。一只机械（xiè）臂使用强大的激光来熔化金属（shǔ）丝，金属丝会逐层沉积以（yǐ）形成火箭的零件（jiàn）。另外两（liǎng）只机械（xiè）臂用于（yú）固定工具以完成（chéng）打印（yìn）的部件。来源：Relativity Space公司，维（wéi）基共享资源（CC BY-SA4.0）。

尽管火箭通常由（yóu）数千个单独的零件组（zǔ）成（chéng），但Relativity Space公司设计的（de）零件却合并了一（yī）些（xiē）部（bù）件，这（zhè）些部件（jiàn）通常是（shì）被（bèi）分（fèn）开制造然（rán）后组装的。所以，他（tā）们的火箭零（líng）件数量将是同类火（huǒ）箭的（de）零件数量的1/100。更少（shǎo）的零件意味着（zhe）更少的接口（kǒu）和更（gèng）少的出错机会。此（cǐ）外（wài），尽管大多数制造商（shāng）必须（xū）重（chóng）新配置其设（shè）备以（yǐ）制造额外的硬件，但Relativity Space公司只需要在打印机软（ruǎn）件（jiàn）中（zhōng）运（yùn）行一个新程序即可创建下一个零件。而且（qiě）与传统的火（huǒ）箭制造（zào）相比，该公（gōng）司的3D打印机进行设计更改也更容易（yì）且成本更低。

“一（yī）般，航天工业要规避风（fēng）险，相较于（yú）创新，更希望（wàng）有更多的信心实现成功（gōng）发射。”安全世界基金会私营部门（mén）项目主任Ian Christensen说，该基金会总部位于美国科罗拉多州布鲁姆菲（fēi）尔德市（shì），其致力（lì）于促（cù）进（jìn）和平可持续的外层空间的（de）利（lì）用（yòng）。“像3D打印火箭这样完全新（xīn）颖的东西（xī），市场（chǎng）将如（rú）何反应，这（zhè）是一个（gè）悬而未决的问题。”

仅（jǐn）仅因为（wéi）现实中3D打印已（yǐ）经开始满足人们对它的期（qī）望，但人们仍有更（gèng）多雄心（xīn）勃勃的目标。Relativity Space公司不仅不满足于通过制造火箭将卫星送入轨道，还着眼于将打（dǎ）印机运送到火（huǒ）星，以（yǐ）便在火星上打印火箭，从而将（jiāng）土壤样本（běn）送（sòng）回地球。“这种采样返（fǎn）回的概（gài）念在理论上是有趣的，但几乎（hū）可以肯定，它需要与政（zhèng）府的太空探索和行星科学项目（mù）相结合，而这些项目进展缓（huǎn）慢。”Christensen说，“像在技（jì）术（shù）方面（miàn）的（de）挑战一（yī）样，这（zhè）一概念在政策及体制（zhì）方面也面临着挑（tiāo）战。”