無所不能的3D打印

發展篇——2050年，見證奇跡的時刻

1986 年，美國人查爾斯·哈爾Charles Hull發明了世界上第一臺3D打印機，所采用的技術被稱為“立體光刻技術”，利用紫外線照射將樹脂凝固成形制造物體。他創立的3D Systems公司是世界上第一家生產3D打印設備的公司，也是目前世界3D打印領域的巨頭和領航者。1992年，該公司賣出第一臺商業化產品。

1994年，美國麻省理工學院發明了“三維打印”（3 Dimensional Printing，簡稱“3DP”）技術，并申請了專利。1997年為了將3DP技術推向市場，Z—corporation公司正式成立。Z—corporation最先推廣通過降低精度降低成本和售價的辦公室版3D打印機，也是唯一一家生產彩色3D打印機的公司。該公司現已被3D Systems收購。

2004年11月，由意大利人恩里科·迪尼發明的第一臺建筑打印機的概念機面世，并于2007 年 4 月正式完工。同年，恩里科在倫敦成立了一家主營3D建筑打印的公司。

2010年6月，據外媒報道，美國Organovo公司研制出了“按需打印”人體活器官的機器。2011年底，兩家澳大利亞公司Organov， Inc和Invetech Pty Ltd合作，開發出了世界上第一臺商業化的3D生物打印機，并因此而獲得了近日聯邦政府AusIndustry頒發的工程創新獎。

2011年9月23日報道，世界上第一輛打印出來的汽車在加拿大亮相，這輛3D打印汽車名叫Urbee，是一輛三輪、雙座混合動力車。它使用電池和汽油作為動力。雖然單缸發動機制動功率只有8馬力，但由于其小巧輕便，最高時速可達112公里。

同年，南安普敦大學利用激光燒結技術模仿“Spitfire”飛機打印了一臺翼展為6.5英尺的飛機，并對其進行材質上的修改，讓傳統材料和復合材料交織在一起，改變飛機的形狀和結構，成功地讓這架打印出來的飛機以100英里的速度飛行。

2012年7月，英國《每日郵報》報道稱，美國賓夕法尼亞大學宣布用改進的3D打印技術打印出了鮮肉，這種利用糖、蛋白質、脂肪、肌肉細胞等原材料打印出的肉具有和真正的肉類相似的口感和紋理，就連肉里的微細血管都能打印出來。

近日，美國《福布斯》雜志報道稱，歐洲飛機制造公司空客計劃從飛機零部件開始，在2050年前實現3D打印飛機。屆時，飛機重量將減輕65%，成本也會大幅縮減。該公司生產的軍用飛機“臺風”式戰斗機，已經用上了3D打印的空調系統。

美國南加州大學Behrokh Khoshnevis教授預計，截至2050年，使用石灰、水泥為耗材的“3D打印房子”也將實現，20小時內就能打印出一套房子，住5～10年都沒有問題。

醫療篇——將醫療機械化

在浙江工業大學機械學院教授，同時也是杭州六維（6D）齒科醫療技術有限公司老板的彭偉看來，3D打印技術簡直是為醫療應用量身定做的。“快速成型在工業界可能還是用在產品開發階段，但在醫療中已經直接進入了臨床應用。”

“3D打印產品區最突出的特色是什么？精準、復雜、個性化。最大的局限是什么？成本高。而醫療用品呢？不僅要求精準、制作復雜、用完即扔。而且因為人體的特殊性，往往必須量身定制。比起3D打印，用傳統方式定制的醫療用品增加了設計和制造磨具的環節，成本顯然更高。”所以3D打印就是醫療應用的福音。

3D打印在醫療上的應用大致分為2個方面，一個是制作輔助工具，比如提高手術精確度的個性化手術導板；一個是人造器官，比如假體和臟器等。

作為機械系的教授，彭偉和他的技術團隊參與的是手術過程的設計階段，包括和醫生一起看著CT影像討論手術方案、制造患者的人體模型供醫生進行仿真手術、以及打造最終使用的手術導板。

就拿最常見的種牙舉例。所謂6D牙種植技術結合了計算機斷層掃描技術（CT）、計算機輔助設計技術（CAD）和快速原型制造技術（RP，即3D打印）。首先，工程師根據CT和石膏模型激光掃描后獲得三維重建模型。然后醫生綜合考慮患者的牙缺失情況、骨骼情況（包括骨質與骨量等）、對頜牙等因素，設計出最佳的種植體空間位置。最后，工程師根據醫生的要求設計出手術導板，以確保手術的精確。

所謂六維是指手術打孔涉及的，六個自由度：孔在骨面上的中心點位置由X和Y兩個自由度確定、孔的深度由Z坐標確定、孔的中心線是否傾斜則由繞X軸旋轉α和繞Y軸旋轉β兩個自由度確定，孔的大小由直徑Φ確定。 在沒有這項技術之前，這一切都要依賴于醫生的經驗和手術時的發揮——X和Y即前后左右的位置容易定位，但深度和傾斜度則難以琢磨了，如果手術時手一抖，不僅種牙失敗，還極有可能傷及口腔的其他部位。

但醫療團隊里又增加了工程師，手術費用會不會翻倍？彭偉說，“普通種牙費用在6000元到15000元左右，數字化種牙只比傳統種牙增加了5%左右的費用。而且它保障了手術的安全和術后的修復。”

同理，將機械設計進入到手術當中幾乎可以應用到所有的骨科、腦外科及整形科手術中，彭偉和他的“數字化醫學和快速制造技術”研究項目在成立六維齒科之前，就和醫院成功合作過髖關節復位手術、巨顱癥修復手術等等。至于為什么最終選擇以齒科為主，除了這一類手術的精密程度對機械輔助的需求度高以外，“還因為手術多啊，這是市場化必須考慮的事情”。

先別興奮過度，彭偉非常坦誠地介紹道，這個填補了中國空白的技術并不是他的首創，甚至沒那么新鮮。這還有個小故事。“當年，作為省重點學科，我們學院當時得到了一筆不菲的經費置備設備。經過一番討論和調查之后，我們購入了現在使用的這臺高強度的快速成型機器。在當時這是全亞洲的第一臺，花了300多萬。2006年，為了找到一個合適的學科，最大化地利用這臺機器，我到美國俄亥俄州的托萊多大學做訪問學者。”

彭偉在美國的學術領域做了一番調查。“當時，我看到一本雜志叫《快速成型RP》，就是介紹RP的應用，其中有相當分量的文章都是關于RP在醫療中的應用。不過那時候還沒有牙種植手術導板這一說。”看準了在醫療領域的應用，彭偉搜集了大量的文獻資料，回到學校。“剛開始國內還沒這個概念，我們去找整形科，希望合作研究，卻屢屢碰壁。后來機緣巧合之下我們決定同骨科合作，參與的第一個手術就是髖關節復位。”

至于打印人造器官，除了老生常談的“定制”以外，更重要的是緩解器官來源的壓力。2011年，在美國一年一度的TED大會上，安東尼·阿塔拉（Anthony Atala），一位專門從事可再生藥物治療的外科醫生，現場展示了如何用3D生物打印機制作一顆腎臟。“就像烘焙夾心蛋糕，”阿塔拉解釋道，“每次將不同的細胞放到不同培育層中。”

首先，安東尼用掃描儀掃描出一個原有器官的3D模型，然后取出一個約有一半郵票大小的細胞組織，用于電腦化的器官生成。接下來，器官“復印機”會復制患者的細胞組織，一層一層地制作出腎臟的替代品。演講的同時，打印機上幾個不同尺寸的噴頭依次噴出不同的組織，在可移動的底座上，一個腎臟半成品隱約可見。

在演講結尾，阿塔拉見到了10年前，一次實驗手術的幸存者盧克。盧克患有先天脊柱裂，膀胱無法正常工作。10年前，他作為第一批復制膀胱移植的實驗患者躺上了手術臺。現在盧克已經20歲了，成為一名大學生，最愛的運動是摔跤。

文物保護

金濤最得意的打印作品是對天龍山石窟第 18 窟西壁的復原；在先臨三維的陳列廳中，最多的展品也是佛像，而擺在最高處的則是一尊西安秦兵馬俑的頭像。如果你現在趕赴敦煌的莫高窟，可能會聽到導游漫不經心地提起：“明年這個時候來，多半只能參觀數字博物館。”

“從3D掃描到3D打印，不僅更新了文物保護的思路，還將顛覆考古方式。人們不再完全依賴田野調查，可以把‘古跡’放在辦公桌上來研究。”無盡藏非物質文化與藝術遺產研究所發起了《法相莊嚴——天龍山造像數字復原研究》，希望利用數字技術，實現殘損造像的虛擬復原和網絡展示。現在，他們的首批工程已經完成，就是和銘展科技合作的第 18 窟西壁的復原。

這個“不可能的任務”實現起來確實不易。為了獲得完整的 3D數據，李慶華的團隊拿著一臺手持 3D掃描儀在洞里呆了整整 10 天。“一束細細的激光束，就像一個移動的取景框，打到佛像上面。掃描一塊四五十平方厘米的地方需要整整 20分鐘。佛像和洞窟的每個細節都必須細致地掃描一遍，不能有死角。”李慶華說。

拿到微縮版的石窟后，李慶華十分感慨：“原來全靠手工測繪，寫天龍山報告的社科院專家李裕群，在天龍山呆了20多天也沒看全。現在我可以把它放在桌上，從任意不同角度看。”

如果是原比例打印，則可以復制出整個石窟供參觀和研究。現在，僅僅是游客參觀時呼出的二氧化碳，就在蠶食著莫高窟。遺址的數字化和復制便是文物保護的新思路。

耗材

彭偉在提及3D打印技術的發展方向時說：“3D打印的核心是材料。實際應用對于產品的性能有個性化的要求。產品的性能取決于材料的性能；在加工的過程中，材料的性能決定了工藝。”

以醫療應用為例，首先材料要禁得住滅菌消毒，醫療的消毒要么高溫要么浸泡，這就要求材料本身或者抗高溫或者抗腐蝕。另外，仿生材料的硬度很重要，比如人造骨骼、牙齒；但也不能過于堅硬，以至于連骨科醫生的切骨刀都拿它沒辦法。此外還有柔韌度等等要求。“所以大型的3D打印機制作商，都會有開設專門的材料公司。我們在選擇材料時也盡量原廠采購。”

至于產品精度的把握就是3D打印技術的難點了，這也取決于材料。比如常見的激光燒結工藝，在塑型過程中，材料處于熔融狀態，如果要求精確到0.01毫米，就就很難把握。

常見的3D打印材料有哪些？

橡膠、樹脂、金屬

目前，常用的工業配件和磨具都是利用ABS、人造橡膠、鑄蠟、金屬粉末和聚酯熱塑性塑料等耗材打印出來。

人造骨粉

加拿大的一所大學目前正在研發“骨骼打印機”，利用類似噴墨打印機的技術，將人造骨粉轉變成精密的骨骼組織。這種材料是一種類似水泥的人造粉末薄膜，打印機會在用骨粉制作的薄膜上噴灑一種酸性藥劑，使薄膜變得堅硬。

砂糖

業內人士在向門外漢解釋3D打印的時候最喜歡用甜筒——現在做甜筒，是利用移動蛋筒獲得想要的形狀；而如果用3D打印機做甜筒，作為基座的蛋筒是固定的，噴頭會根據程序移動，噴出冰淇淋；如果再增加幾個噴頭和材料，蛋筒也不用事先做好，一切都可以無中生有。現在，砂糖3D打印機CandyFab 4000就可以通過噴射加熱過的砂糖，可以做出美味又好看的甜品。

細胞生物原料

美國賓夕法尼亞大學打印出了鮮肉，是先用實驗室培養出來的細胞介質，生成類似鮮肉的替代物質，以水基溶膠為黏合劑，再配合特殊的糖分子結構制成。

還有尚處于概念階段的用人體細胞制作的生物墨水，以及同樣特別的生物紙。打印的時候，生物墨水將在計算機的控制下噴到生物紙上，最終形成器官。

沙子

一位科學家發明了一種3D打印機，利用陽光代替激光，沙子代替樹脂，利用太陽能燒結技術切割、熔化沙子，現在可以成功制出眼鏡。

石灰水泥

這類材料和目標產品也處于概念之中，確實人類最期待的事情——3D打印房子。3D打印機可以使用水泥、石膏、黏土和石灰等傳統建筑材料，直接造出可以居住的房子，而且速度快、用料省。除了造航空母艦，這大概將是尺寸最大的3D打印機了吧。

爭議篇——“我希望能把電腦游戲中的美女打印出來給我當女朋友。然后再給她打印一臺ATM機。”19歲的網友Kaven說。

除了“打印女朋友”這種宅男言論，對于“打印人類”這個構想，還有比較腳踏實地的憧憬，一個網友說：“把我和老公各打印出一份，過年過節就不用煩回誰家了，兩邊的父母都可以盡享團圓。”這位朋友，你真的不怕嚇著老人嗎？

挑戰倫理的創意畢竟是若干年以后才可能但新的事，可現在就有新的爭論擺在眼前了。據美國《大眾科學》網站報道，一名叫“Have Blue”的業余槍支修理師在一個論壇中宣稱：他用3D打印機打印了一把點22口徑的手槍，并成功射出了200枚子彈。據這位網友介紹。他先從一個槍支修理網站上下載了一款手槍設計軟件，隨后，又花30美元購買了一種塑料材料，將其放入一款最新型的3D打印機中，然后一把槍就出爐了。不管這個消息是否屬實，確實給3D打印機的普及拉了警鐘。家庭工廠的前景似乎可以帶來更便捷、更有創意的生活；家庭軍工廠帶來的恐怕就是恐慌和騷亂了。

另外，當配合3D掃描儀使用時快速成型機儼然一臺3D復印機。《連線》雜志提出了超前但注定會成為現實的問題：知識產權問題將成為一句“空話”。

抽文：

“如果你想了解3D打印的發展史，可以搜索一下七八十年代國外的科技文獻。那時候有不少先驅寫了很多深入淺出的科普文章。現在在學術界都是艱深的研究了。”