3D打印（yìn）概念成（chéng）为主流已（yǐ）近40年，倡导者称（chēng）赞这（zhè）项（xiàng）技术（shù）是“制造业的未来”（future of manufacturing）。现在，3D打印的打印（yìn）速度（dù）和规模得到极大提高，生物医学应用范围也逐步扩大。近年来，这（zhè）些进步均证明（míng）了3D打印技术正越来越靠（kào）近人们（men）对它（tā）的（de）预设（shè）。

当今最常（cháng）见的3D打印（yìn）种类，即增材制造（zào），使用光线将液态（tài）塑料树脂逐层（céng）固化（huà）为（wéi）固（gù）体。这个过程通常比较慢，制造手持设备常常需要大半个下午（wǔ）。此外，各层之间的接口往（wǎng）往比较脆弱，成品结构易碎。因此，3D打印并没（méi）有取代传统（tǒng）的制造过程，而（ér）是和一些非常特殊的用途联系起来。美国（guó）伊利诺伊州埃文斯顿西（xī）北大（dà）学（xué）工程（chéng）学教授Chad Mirkin表（biǎo）示：“在（zài）很大（dà）程度上，3D打印主要局限于原型设计（jì），因为它速度（dù）慢、产量低、产品结构不稳定（dìng）。”

大（dà）约5年前，美国北卡罗来（lái）纳大学的工程师发明了一种新型的（de）3D打印技术，即“连续（xù）液体界面生产”（CLIP），与同（tóng）类技术（shù）相比，这种技术的生产速度提高了100倍（bèi）。这项技术获得极大的进（jìn）步（bù）。位于（yú）美国加利福尼亚州雷德伍德市的一家名为Carbon公司获取了（le）该（gāi）项技术，该公司采用了一种半渗透窗，可以将氧气注入液体树（shù）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（jiāng）树脂固化（huà）成固体。机械（xiè）臂缓（huǎn）慢地将不断增（zēng）长的固体从（cóng）树脂中拉出，使其他材料得以固（gù）化和黏附，这种技术无需一系列层合界面，因此产品更加坚固。

尽管CLIP的速度提高备受关注——Carbon公司（sī）已与福特汽车（chē）公司、阿迪达斯体育用品公司和（hé）里德尔体（tǐ）育公司达成协（xié）议，分别（bié）为它们生产汽车零件、运动鞋底和橄榄球头（tóu）盔——但其（qí）固化过程会（huì）释放出大（dà）量热量，这可能导致打印的零（líng）件翘曲和破裂。为（wéi）了散热（rè），打印的成品尺寸实际上被限制为25 cm×25 cm×41 cm。Mirkin说：“Carbon公司证实了3D打印可被用于制（zhì）造业，而且（qiě）他们在许多行业（yè）做得都非常（cháng）好（hǎo），但是他（tā）们还没有（yǒu）找到快速打印大型物体的方法。”

在（zài）2019年年末，Mirkin的（de）团（tuán）队宣称其开发了一项名为（wéi）“高面积快速打印”（HARP）的（de）新技术（shù），该技术（shù）使（shǐ）液体冷却剂在一桶液态树脂下面循环。冷却剂（jì）是一种（zhǒng）氟化油，在打印时会直（zhí）接（jiē）从正在打印的物体上吸走热量（liàng），从而使它们在短短几个（gè）小时内就可（kě）以（yǐ）达到成年（nián）人（rén）的尺寸（图1）。Mirkin将使用多台投影仪发（fā）出的光进行（háng）打印的方（fāng）法称（chēng）为“平铺”（tiling）工艺，其打印尺寸可（kě）以（yǐ）达到约1 m×1 m×4 m。将来，其他投影仪（yí）可使HARP 能（néng）够制（zhì）造更大（dà）的（de）物（wù）品。“从理论上讲（jiǎng），平铺工艺消除了（le）尺（chǐ）寸限制，”Mirkin说。

图1. 一种名为（wéi）HARP的（de）新型3D打印技术，该技术使一层液（yè）态冷（lěng）却剂在（zài）一大桶液态树脂下面（miàn）循环（huán），从而消除物（wù）体（tǐ）打印时随着体积（jī）不（bú）断（duàn）扩大而（ér）产生的（de）热量，使（shǐ）它们在短短几个小时内就可以达到成年人的尺寸。这款HARP打印机高约4 m，带有0.76 m×0.76 m的打印床，可以（yǐ）打印（yìn）一个大型的连续结构或许（xǔ）多不同的小型结构。来（lái）源：美国（guó）伊利（lì）诺伊州（zhōu）埃文（wén）斯顿（dùn）西（xī）北（běi）大（dà）学（新闻稿）。

为了（le）使（shǐ）HARP商业化，Mirkin和同事成立了Azul 3 D公司（位于美（měi）国伊利诺伊（yī）州斯（sī）科基市），该公（gōng）司预（yù）计在（zài）2021年年底前（qián）开（kāi）始销售打印机。Mirkin希望HARP能改（gǎi）变3D打（dǎ）印的商业模式。“几（jǐ）乎所有的（de）3D打印公司都必（bì）须（xū）从他们的硬件上获得可观的收（shōu）入（rù），因为他们根本没有使用足够的树脂来使此项（xiàng）技术（shù）具有（yǒu）良好的商业模（mó）式。”他表（biǎo）示，“借助（zhù）HARP，该公司不需要仅依靠销（xiāo）售硬件来（lái）获得收入（rù），因为他们还可以通过销售生产（chǎn）大量（liàng）零件所需的树脂来（lái）赚钱。这样，由于初始（shǐ）硬件成本几乎变得无关紧要，所以HARP降低了进（jìn）入门槛。”

在（zài）另一（yī）个快速（sù）发展的领域，3D打印技（jì）术（shù）正显示出其在处理微小物体方（fāng）面的潜（qián）在价值。将传统3D打印机中使用的“墨水”（塑料（liào）、聚合（hé）物和金属合金（jīn））换成嵌入生（shēng）物（wù）介质中（zhōng）的活细胞，这项技术将成为生物医学应用（yòng）的一（yī）个有趣工（gōng）具，未来有可（kě）能被用于制造替（tì）代（dài）组（zǔ）织。3D生（shēng）物打印（yìn）已被用（yòng）于（yú）制造（zào）简（jiǎn）单的组织（zhī），如皮肤、软（ruǎn）骨和部分心肌（jī）。随着技术的进步，3D生物打印可能会被（bèi）用于制造（zào）更复杂的器官，如视（shì）网膜、肾脏（zāng）和肺。主要（yào）的挑战包（bāo）括组成器官（guān）的各种各样的细胞类型，以及需（xū）要提高（gāo）足（zú）够的分辨率来打印输送氧气和清除废物（wù）的微（wēi）小血管。

“我不知道我们（men）能否达成这（zhè）个目标——有各种不同（tóng）的细胞类型和（hé）维持它们存活所需的（de）血管（guǎn）系统（tǒng），器官实在是太复杂了。”美国明尼苏达州（zhōu）明尼（ní）苏达大（dà）学机械工（gōng）程学教授Michael McAlpine说，“我们（men）一（yī）直以来的错误在（zài）于（yú）试图完全复（fù）制生（shēng）物学。也许通（tōng）过聚合（hé）物（wù）和电子技术，你可以（yǐ）制（zhì）造出一个能像肝脏一（yī）样（yàng）工作（zuò）的（de）设备，但实际上该设备（bèi）比大（dà）自然创造（zào）出来的要（yào）好得多。”

然而，3D生物（wù）打印已得到了更直接（jiē）的应用（yòng），其中包（bāo）括药物（wù）发现和（hé）消费品（pǐn）测试。在（zài）McAlpine的许多项目中，有一个可用于脊髓再生的3D打印设备和（hé）嵌（qiàn）入有可监测患者生理（lǐ）和生化标志物的传感器（qì）的电（diàn）子（zǐ）纹身（shēn）。

虽然3D生物（wù）打印主要集中在（zài）很小的领域，但是美国得克萨（sà）斯州的创新者正在使用超大（dà）规模的3D打印来建（jiàn）造房（fáng）屋（图2）。位于得克萨斯州奥斯汀（tīng）市的建筑技术公司Icon开发了（le）一台（tái）名（míng）为Vulcan II的3D打印机（jī），该（gāi）打印（yìn）机可以在大约24 h内打印37 m²的两居室房屋的墙壁。Vulcan II是（shì）专（zhuān）门为（wéi）偏远农（nóng）村的房（fáng）屋建造而设计（jì）的，由于有限的资源、无法预测的天气以及（jí）不稳（wěn）定（dìng）的电（diàn）源，使用传统的建筑方（fāng）式几乎是不（bú）可能（néng）完成房屋建（jiàn）造的。这台高 3.5 m、重1725 kg的（de）机器（qì）连续堆积了（le）一（yī）层（céng）高2.5 cm、宽 5 cm的被称（chēng）为“lavacrete”的可延展型混（hún）凝土（tǔ）基（jī）线材料，并将其硬化成墙（qiáng）（图3）。

图2. Icon公司（位于美国得克萨斯（sī）州（zhōu）奥斯汀（tīng）市）的Vulcan II 3D打（dǎ）印机堆积了一层大约（yuē）2.5 cm×5 cm的名为“lavacrete”的混（hún）凝（níng）土（tǔ）基线材料，建造了如图所示的（de）37 m2 房屋（wū）的墙壁，花（huā）费（fèi）了（le）约24 h。来源（yuán）：Icon公司（新闻稿（gǎo））。

图3. Icon公司的Vulcan II 3D打（dǎ）印机位于三个结构的最（zuì）末端，该（gāi）打（dǎ）印机在美国得克萨斯（sī）州奥（ào）斯汀市的一个地基上创（chuàng）建了（le）三座37 m² 房屋的墙壁，这（zhè）些房屋的平（píng）面图（tú）各不相同。来源（yuán）：Icon公（gōng）司。

Icon公司目前正（zhèng）在51英亩（mǔ）土（tǔ）地上为美国奥斯汀东北（běi）部地区（qū）的（de）无（wú）家可归者打印数十套房屋，并为墨西哥塔巴（bā）斯科小镇约50个家（jiā）庭提供房屋。虽然Vulcan II减少了建（jiàn）造房屋（wū）的工作量，但建（jiàn）造过程并（bìng）非一步到位，工人仍然（rán）需要打下地基并安装屋顶（dǐng）。3D打印房屋除了（le）能节省时间外，与其他低成本住（zhù）房（fáng）相比，它还能够打印平滑曲线和（hé）倾斜墙壁（bì）以实现其更自由的设计。

在（zài）另一项（xiàng）大规模应（yīng）用中，总部位于美国加利（lì）福尼亚州洛杉矶（jī）市的Relativity Space公司（sī）开（kāi）发了一（yī）种名为“Stargate”的3D打印机（图4），用于建造几乎不以地（dì）面为基础的物体，即30 m高的火箭飞船。Relativity Space公司计划用3D打印技术打印第一枚火箭的整（zhěng）个（gè）生产线，即 Terran-1，但不包（bāo）括电（diàn）子设（shè）备、电缆和少量活动（dòng）部件。相（xiàng）比（bǐ）之下，SpaceX、Blue Origin和其（qí）他公司也使用（yòng）3D 打（dǎ）印技术，但仅用于生产部分零件（jiàn）。Relativity Space 公司与许多卫星运营商（shāng）签订（dìng）了发射有效载荷的合同，并同意他们使用（yòng）美（měi）国国（guó）家航空航天局位于（yú）密西西比州（zhōu）汉考克县的John C.斯（sī）坦尼斯航天中心的两个测试设施（shī）。该公司（sī）还获（huò）得了从美国佛（fó）罗（luó）里达州卡纳维拉尔角空军基（jī）地的“Launch Complex-16”发射“Terran1”火（huǒ）箭的权利（lì），其中第一枚火（huǒ）箭有望在2021年（nián）发射（shè）。

图4. Relativity Space公司（总部（bù）位于美国（guó）加利（lì）福尼亚州（zhōu）洛杉矶市）的 Stargate 3D打印机使用（yòng）定（dìng）向能量沉积制造巨大的金属物体，如火箭的燃料箱和发动机。打印（yìn）机（jī）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（jī）光来熔（róng）化金属丝，金（jīn）属丝会逐（zhú）层沉（chén）积以形成火箭的零件。另外两只（zhī）机械臂用于固定（dìng）工（gōng）具以完（wán）成打（dǎ）印的部件。来源：Relativity Space公（gōng）司，维（wéi）基共享资源（CC BY-SA4.0）。

尽管火箭通常由数（shù）千个单（dān）独的零件（jiàn）组成，但Relativity Space公司设计的（de）零件却合并了（le）一些部件，这些部件通常是被（bèi）分开制造然后组装的。所以，他们的火（huǒ）箭（jiàn）零件数量将是同类火箭的（de）零件数（shù）量的1/100。更少的零件（jiàn）意（yì）味着更少的（de）接口和更少的出错机会。此外，尽管大多数制造商必（bì）须重新配置其（qí）设备以制造额外的硬件（jiàn），但Relativity Space公司只需要（yào）在打印机软件中运行一个新程序即可创建下一个零件。而且与传统的火箭制造相比，该公司的3D打（dǎ）印机进行（háng）设（shè）计更改（gǎi）也更容（róng）易（yì）且成本更（gèng）低。

“一般，航天工业（yè）要规避（bì）风险，相较于创（chuàng）新（xīn），更希望有更多的信（xìn）心实现成功发射。”安全世界基金会私营部门项目（mù）主任Ian Christensen说，该（gāi）基金会总部位于美国科罗拉多州布鲁姆菲尔德（dé）市，其致力于（yú）促进和平可持（chí）续（xù）的外层空间的利用。“像3D打印（yìn）火箭这样完全新颖的东西，市（shì）场（chǎng）将如何反应，这是一个悬而未（wèi）决的问题。”

仅（jǐn）仅因（yīn）为现实中（zhōng）3D打（dǎ）印已经开始满足人（rén）们对它的（de）期望，但人们仍有更（gèng）多雄心勃勃的目标。Relativity Space公司不仅不满足（zú）于（yú）通过制造火箭将卫星送入（rù）轨道，还着眼于将打（dǎ）印机运送（sòng）到火星，以（yǐ）便在火星上打印火箭，从而（ér）将土（tǔ）壤样本送回地球。“这种（zhǒng）采（cǎi）样返回的概念在理论（lùn）上是有趣的，但几（jǐ）乎可（kě）以（yǐ）肯定，它需要与政（zhèng）府的太空（kōng）探索（suǒ）和行（háng）星科学项目相结合，而这些项目（mù）进展缓慢。”Christensen说，“像在（zài）技术方面的挑战一样（yàng），这一概念在（zài）政策及体制方面也面临着挑战。”