第二节　3D打印机的应用

1.3D打印机在工业制造中的应用

汽车制造一直由于材料多样、技术复杂、工序繁复而被人们誉为“制造业皇冠上的一颗璀璨明珠”。传统的制造方法一般用于制造批量生产的零件，拥有非常复杂结构的零件很难用此类方法制造。但最近，科学家们在3D打印领域取得的进步性的突破，消除了一些更复杂零件的制造壁垒。比如，这一技术可用来制造受生物过程启发的结构，而采用其他制造方法无法做到这一点。因此，借助3D打印技术，我们能大批量地制造出结构复杂的精密零件。

2016年，在纽约国际车展上，福特公司展示了其用3D打印机制造出来的复杂泡沫结构，传统方法无法大规模制造出如此一致的泡沫，因为每个泡沫结构都由成千上万个小泡组成。福特公司还展示了很多的3D打印模型，例如进气管、横拉杆等。此外，3D打印也使快速制模成为可能，用3D打印方法制造出的模具可用于传统的设备制造中。

对于产量少的特种汽车来说，采用3D打印方法打印出可直接使用的零件尤其有用，因为此类汽车的主要成本是设计和原型开发，借助3D打印技术，可大大降低此类过程的成本。2011年，在加拿大温尼伯举办的TEDx会议上，世界上首款3D打印汽车在人们面前解开了面纱，这款被命名为“Urbee”的3D打印汽车，车身由特制的3D打印机所打造，使用超薄合成材料逐渐融合固化。这款车就像是直接绘制而成的，整体非常科幻、光滑（如图1.2-1所示）。

图1.2-1　首款3D打印汽车“Urbee”

2.3D打印技术在建筑工程领域的应用

住宅和商用大楼的兴建耗费时间、金钱和能源，但3D打印技术可以建造成本更低、兴建速度更快、更节能环保的建筑物。3D打印的建筑物可定制化，并当场组装，比依靠图纸一块一块搭建起来的传统方式更高效。3D打印也鼓励使用再生建材。

2014年，在上海张江高新青浦园区内，陈列了10栋别墅毛坯房，其中最大的一栋两层建筑长10米、宽6米、高4米。和普通别墅不同，这些房屋总共只花费了24个小时建成，而且是整栋打印。别墅的“建造者”是上海盈创装饰公司的3D超级打印机。3D打印在建筑这个领域没有那么炫目的名字，原名叫“增材叠加”或“快速成型”。这种工作原理与切削原材料的传统建材制造方法相反，属于逐层增材制造物件。体积可以达到150m×6.6m×10m，能够打印三层楼房。

同样是建设两层楼高的建筑，传统方法通常要用一个多月的时间，而3D打印只需几个小时就能开发完成，如图1.2-2所示。根据工作人员测算，这种打印速度比传统的建筑方式节省了50%的成本，还可以将城市所有的建筑垃圾经过回收处理，然后应用到建筑中去，使建筑更加环保、节能、耐久。

图1.2-2　3D打印的房屋

对于3D打印房屋，行业内认为它和传统的建筑方式并不矛盾，从目前技术成熟度来看，需要3至5年才能够将3D打印技术应用到具有功能性的建筑体中。并且开始阶段不是以打印整栋房屋起步的，而是从部分个性化零部件开始的。至于个人打印房屋，短期内是不可能的，因为现在还没有真正商业化的3D打印机。目前，即便是在3D打印技术更成熟的海外，3D打印房屋也只是实验室阶段，还没有进入产业化阶段。

3.3D打印技术在医疗卫生领域的应用

人体胚胎干细胞可以分化成各种不同种类的体细胞，分化过程从干细胞开始逐渐形成拟胚体，而3D打印则是一种新出现的培养特定大小和形状胚体的技术。目前，已经有英国研究人员首次使用3D打印实现了人体胚胎干细胞的打印，并且保持打印后的干细胞鲜活以及发展为其他类型细胞的能力。这在生物学界完全是一个全新的技术。研究人员说，这种技术的用途将会更加广泛，从制造人体组织到测试药物、制造器官，甚至直接在生物体内为生物打印细胞，如图1.2-3所示为3D打印的头盖骨与假肢。

图1.2-3　3D打印的头盖骨与假肢

在此基础上，英国爱丁堡赫里奥特·瓦特大学和中洛锡安郡罗斯林干细胞公司研究人员进一步为胚胎干细胞3D打印配备了两个“生物墨盒”。两个墨盒中分别装着两种不同的打印材料，一个装着浸在细胞培养基中的人体胚胎干细胞，另一个只有培养基。通过计算机控制干细胞的技术应用于微调阀来控制“墨水”的喷出，通过喷口的口径来控制打印速度。

目前，研究人员已经开始尝试将3D打印干细胞的技术应用于制造骨髓和皮肤。借助这种技术，理论上将可以制造出由自身干细胞分化形成的各种器官，解决现在器官移植中的供体短缺问题。到时将无须他人捐赠，只需从自身提取干细胞，打印培养出需要的器官即可。这还将避免器官移植中的免疫抑制等问题。