3D打印概念成为主流已近40年，倡导者称赞这（zhè）项技术是“制造业的（de）未来”（future of manufacturing）。现在，3D打印的打印速度和规模（mó）得到极大提高，生物医学应用范围也（yě）逐步扩大。近年来，这些进（jìn）步均证明了3D打印技术正（zhèng）越来越靠近人们（men）对它的预设（shè）。

当今最（zuì）常见的3D打（dǎ）印种类，即（jí）增材制造，使用光线将液态塑料树脂逐层固化为固体（tǐ）。这个过程通常比较慢，制造手持设备常常（cháng）需要大（dà）半（bàn）个下午。此（cǐ）外（wài），各层之间（jiān）的接（jiē）口往往比较脆弱，成品（pǐn）结构易碎（suì）。因此，3D打印并没有取（qǔ）代传统的制造过程（chéng），而是和一些非常特殊的用途联系（xì）起来。美（měi）国伊利诺伊州埃文斯顿西北大（dà）学工程（chéng）学教授Chad Mirkin表示（shì）：“在很大程度上，3D打印主（zhǔ）要（yào）局限于原型设（shè）计，因为（wéi）它（tā）速（sù）度（dù）慢（màn）、产量低、产品结构不稳定。”

大约5年前，美国北卡（kǎ）罗（luó）来纳大学的工程（chéng）师发明了一（yī）种新型的3D打印技术，即“连续液体（tǐ）界面生产”（CLIP），与同类（lèi）技术相比，这（zhè）种技术的（de）生产速度提高了（le）100倍。这项技（jì）术获得极大的进步（bù）。位于（yú）美国加利福尼亚（yà）州雷德伍德市的一家名为Carbon公司（sī）获取了该（gāi）项技术，该公司采用了一种半渗（shèn）透（tòu）窗，可以将氧气注（zhù）入液体树脂，从而形成一种能防止固化的（de）薄（báo）的“死区”（dead zone）。在该区（qū）域上（shàng）方，光线将（jiāng）树（shù）脂固化成固体。机械臂（bì）缓慢地将（jiāng）不（bú）断增（zēng）长（zhǎng）的固体从（cóng）树脂中拉出，使其（qí）他材料得以固化和黏附，这（zhè）种（zhǒng）技术无（wú）需一系列层合界面，因（yīn）此产品更（gèng）加（jiā）坚固。

尽（jìn）管（guǎn）CLIP的（de）速度（dù）提高备受关注（zhù）——Carbon公司已与（yǔ）福特汽车公司、阿迪达斯体育用（yòng）品公司和里德尔体育公司达（dá）成协（xié）议（yì），分别（bié）为它们生产汽车零件、运（yùn）动鞋（xié）底和（hé）橄榄球头盔——但其固化过程会（huì）释放出大量热量，这可能导致打印的（de）零件翘曲和破裂。为了散热，打印（yìn）的成（chéng）品尺寸实际上被限制为25 cm×25 cm×41 cm。Mirkin说（shuō）：“Carbon公司（sī）证（zhèng）实了（le）3D打印可被用于制造业，而（ér）且他（tā）们在许多行（háng）业做得都非常好，但是他们还没有找到快速打印大型物体（tǐ）的方法（fǎ）。”

在（zài）2019年年末（mò），Mirkin的团队宣称其开（kāi）发了（le）一（yī）项名为（wéi）“高面积快速打印”（HARP）的新技术，该技术使液体冷却剂（jì）在一桶液态树脂（zhī）下面循环（huán）。冷（lěng）却（què）剂是一（yī）种氟（fú）化油，在打印时会（huì）直接从正（zhèng）在打印（yìn）的物（wù）体（tǐ）上吸走热量（liàng），从而使它们在短短（duǎn）几（jǐ）个小时内就可以达到成（chéng）年人的尺（chǐ）寸（cùn）（图1）。Mirkin将使（shǐ）用多台投影仪（yí）发出（chū）的光进行（háng）打印的（de）方法称为“平铺”（tiling）工艺，其打印尺寸可以达到约1 m×1 m×4 m。将来（lái），其（qí）他投影（yǐng）仪可使HARP 能（néng）够制造更（gèng）大的（de）物品（pǐn）。“从理论上讲（jiǎng），平铺工艺消（xiāo）除（chú）了（le）尺寸限制，”Mirkin说。

图1. 一种名为HARP的新型3D打印技术，该技术使一层液（yè）态冷却剂在一大桶液态（tài）树脂下（xià）面循环，从而消（xiāo）除物体打印时随着体（tǐ）积不断扩大（dà）而产生的（de）热量（liàng），使它们（men）在短短几个小时内就可以达（dá）到成年人的（de）尺（chǐ）寸。这款HARP打（dǎ）印机高约4 m，带有0.76 m×0.76 m的打印床，可（kě）以打（dǎ）印一（yī）个大（dà）型的连续（xù）结构或许多不（bú）同（tóng）的（de）小型结构（gòu）。来源：美（měi）国伊利（lì）诺伊州埃文斯顿西北大学（新（xīn）闻稿）。

为了使（shǐ）HARP商（shāng）业化，Mirkin和同（tóng）事（shì）成立了Azul 3 D公司（位（wèi）于（yú）美国伊利诺伊州斯科基市），该公司预计在（zài）2021年年底（dǐ）前开始销售打（dǎ）印（yìn）机。Mirkin希望HARP能改变3D打印的商业（yè）模式。“几乎所有的3D打印公司（sī）都（dōu）必须从他（tā）们的硬（yìng）件上获（huò）得（dé）可观（guān）的收（shōu）入，因为他们根本没有使用足够（gòu）的（de）树脂来使此项技术具（jù）有良（liáng）好的商业模式。”他表（biǎo）示，“借助HARP，该公司不需要仅依靠销售硬件来获得收（shōu）入，因为他们还可（kě）以通过销售生产大（dà）量零件所需（xū）的树（shù）脂来赚钱。这样（yàng），由于初始硬件成本几乎变得（dé）无（wú）关紧要，所以HARP降低了进入门（mén）槛。”

在另一个快速发展的领域，3D打（dǎ）印技（jì）术正显示出其在处（chù）理微小物体（tǐ）方面的潜在价值（zhí）。将传统（tǒng）3D打印机中使用的“墨水”（塑料、聚合物（wù）和金属合金）换成（chéng）嵌入生物介质中的活细胞，这（zhè）项技术将成为生物（wù）医学应用的（de）一（yī）个有趣工具（jù），未（wèi）来有可（kě）能（néng）被用于制（zhì）造替代（dài）组（zǔ）织。3D生物打印（yìn）已被（bèi）用于制造简单的组织（zhī），如皮肤、软骨和部（bù）分心（xīn）肌。随着（zhe）技术的（de）进步，3D生物打印可能会被用于制（zhì）造（zào）更复杂的器官，如视网膜（mó）、肾（shèn）脏和（hé）肺。主要的挑（tiāo）战包括组（zǔ）成器官的（de）各种各（gè）样的细胞（bāo）类型，以及需要提高足够（gòu）的分辨率来打印（yìn）输送氧气和清除废物的微小血管。

“我不知道我们能（néng）否达（dá）成（chéng）这（zhè）个目标——有各种不同（tóng）的细胞类型和维持它（tā）们存活所需的（de）血管系统，器官实在是太复杂了。”美国明（míng）尼苏达州明尼（ní）苏达（dá）大学（xué）机（jī）械（xiè）工程学教授（shòu）Michael McAlpine说，“我们一（yī）直以（yǐ）来的（de）错误在于试图（tú）完（wán）全复制生物学（xué）。也许（xǔ）通过聚（jù）合（hé）物和电子技术（shù），你可以制造出（chū）一个能像肝脏一样工作的设（shè）备，但实际上（shàng）该设备比（bǐ）大自（zì）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（qí）中包括药（yào）物发现和（hé）消费品测试（shì）。在McAlpine的（de）许多项目中，有一（yī）个可用于脊髓（suǐ）再生的3D打印设备和（hé）嵌入有可监（jiān）测患者生理和生化标志物的（de）传感器的电子纹身。

虽然3D生物打印（yìn）主要（yào）集（jí）中在很小的领域，但是（shì）美国（guó）得（dé）克（kè）萨斯州的创新者正在使用超大规模的3D打印来建（jiàn）造房屋（图（tú）2）。位（wèi）于（yú）得克萨（sà）斯州奥斯汀（tīng）市的建筑技术公司Icon开发了一台名为（wéi）Vulcan II的3D打印机，该打印（yìn）机可以（yǐ）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）门为偏远农（nóng）村的房（fáng）屋建造而设计的，由于有限的资源、无法预测的天（tiān）气以及不稳定的电（diàn）源，使用传统（tǒng）的建（jiàn）筑方式几乎是不可能完成房屋建造的（de）。这台高 3.5 m、重1725 kg的机器连续堆积了一层高2.5 cm、宽（kuān） 5 cm的被称为“lavacrete”的可延展（zhǎn）型（xíng）混凝土基线材料（liào），并将其硬化成（chéng）墙（qiáng）（图3）。

图2. Icon公司（位于美国得克萨斯州奥斯（sī）汀市（shì））的Vulcan II 3D打（dǎ）印机堆积了一（yī）层大约2.5 cm×5 cm的名为“lavacrete”的混凝土基（jī）线材料，建造了如图（tú）所（suǒ）示的37 m2 房屋的（de）墙壁，花费了约（yuē）24 h。来源：Icon公司（新闻稿）。

图3. Icon公司的Vulcan II 3D打印机位（wèi）于三个结（jié）构（gòu）的最末端，该打印机在美国得克萨斯州奥斯汀（tīng）市的一个地基（jī）上创建了三座37 m² 房屋的墙壁，这些房屋（wū）的平面（miàn）图各不相同。来源：Icon公司。

Icon公司目前正在（zài）51英亩土（tǔ）地上为美国奥（ào）斯汀东北（běi）部地（dì）区的（de）无家可（kě）归者（zhě）打印（yìn）数十套房屋，并（bìng）为墨西哥塔巴（bā）斯科小镇约50个（gè）家（jiā）庭（tíng）提供房屋（wū）。虽然（rán）Vulcan II减（jiǎn）少了（le）建（jiàn）造房屋的工作（zuò）量，但建造过（guò）程并（bìng）非一（yī）步到位（wèi），工人（rén）仍然需要打下地基（jī）并安装屋顶。3D打印房屋（wū）除了能节省时间外，与其他低成本住房相（xiàng）比，它还能（néng）够打（dǎ）印平滑曲线和倾斜墙（qiáng）壁以实现其（qí）更自（zì）由的设计。

在另一项大规模（mó）应用中，总部（bù）位于美国加利福（fú）尼亚州洛（luò）杉矶（jī）市的（de）Relativity Space公司开（kāi）发了（le）一种名为“Stargate”的3D打印机（图4），用于建造几（jǐ）乎不（bú）以地面为基（jī）础的物体（tǐ），即30 m高的火箭（jiàn）飞船。Relativity Space公司计划用3D打印技术（shù）打印第一枚火箭的整个生产线，即 Terran-1，但不包括电子设备、电缆和少量活动（dòng）部（bù）件。相（xiàng）比之下，SpaceX、Blue Origin和其他（tā）公司也使用3D 打印技术，但仅用于生产部分零件。Relativity Space 公（gōng）司（sī）与许多卫星运营商签（qiān）订（dìng）了发射（shè）有（yǒu）效载（zǎi）荷的合同，并同意他们使用美国国家航空航天局位于密（mì）西（xī）西（xī）比州（zhōu）汉考（kǎo）克县的John C.斯坦尼斯航（háng）天（tiān）中（zhōng）心的两个测试设施。该公司还（hái）获得了从美国佛（fó）罗里达（dá）州卡纳（nà）维（wéi）拉尔角空军基地的“Launch Complex-16”发射（shè）“Terran1”火箭的权利，其中（zhōng）第一枚火（huǒ）箭有望（wàng）在2021年发（fā）射。

图4. Relativity Space公司（总部（bù）位于（yú）美国加利福尼亚州洛杉矶市）的 Stargate 3D打印机使（shǐ）用定向能（néng）量沉（chén）积制造巨大的金属物体，如（rú）火（huǒ）箭的燃料箱和发动机。打印（yìn）机高9 m，且具（jù）有（yǒu）3个庞大的机械（xiè）臂。一只机械臂使用（yòng）强大的激光来熔（róng）化金属（shǔ）丝，金（jīn）属丝会逐（zhú）层沉积以（yǐ）形成火箭的零件。另外两（liǎng）只机（jī）械臂用于固定工具以完成打印的部件。来源（yuán）：Relativity Space公司，维基（jī）共享资源（CC BY-SA4.0）。

尽（jìn）管火箭（jiàn）通（tōng）常由数千个单独的零件组成，但Relativity Space公司（sī）设计的零（líng）件（jiàn）却合并了（le）一些部（bù）件，这些（xiē）部（bù）件通常是被分开制造然后组装的（de）。所以（yǐ），他们（men）的火箭零件数量将是同类（lèi）火箭的（de）零件数量的1/100。更少的零（líng）件意味着更少的接口和更少的出错机（jī）会（huì）。此外，尽（jìn）管（guǎn）大（dà）多数（shù）制造（zào）商（shāng）必须重（chóng）新配（pèi）置其设备以制造额外的硬（yìng）件，但Relativity Space公司只需要在打印机软（ruǎn）件中运（yùn）行（háng）一个新程（chéng）序即可创建下（xià）一个零件。而且与传统的火箭制造相（xiàng）比，该公司的3D打印机进行设计更改也更容（róng）易且成（chéng）本更（gèng）低。

“一（yī）般，航天工业要规避（bì）风险，相较于创新，更希望有（yǒu）更多的信心实（shí）现成功发射。”安全世界基金会私营部门项目主（zhǔ）任（rèn）Ian Christensen说，该（gāi）基金会总（zǒng）部位于美国科罗拉多州（zhōu）布鲁姆菲尔德市，其（qí）致力于促进和平可持续的外层空间的利用。“像（xiàng）3D打印火箭这样（yàng）完（wán）全新颖的东西（xī），市场（chǎng）将如何反应，这是一（yī）个悬而未决的问题。”

仅仅因为现实中（zhōng）3D打印已（yǐ）经开始满足人们对它（tā）的（de）期（qī）望（wàng），但人们仍（réng）有更多雄心勃勃的目标。Relativity Space公司不仅不满足于通过（guò）制造（zào）火（huǒ）箭将卫星送入轨道，还着眼于（yú）将打（dǎ）印（yìn）机运（yùn）送到火星（xīng），以便在火（huǒ）星上打印火箭，从而将土壤样本送回地球。“这（zhè）种（zhǒng）采样返（fǎn）回（huí）的概念在理论上是有趣（qù）的，但几乎可以肯定，它需要与政府的太（tài）空探索和（hé）行星（xīng）科学项目相结合，而这（zhè）些项目进展缓（huǎn）慢。”Christensen说（shuō），“像在技术方面的挑战一样，这一概念在政策及体制方面也面临（lín）着挑（tiāo）战。”