3D打印概念成为主流已近40年，倡导者（zhě）称赞这项技术是“制造（zào）业的未来”（future of manufacturing）。现在，3D打印（yìn）的打印速度和规模得到极大提高，生（shēng）物（wù）医学应用（yòng）范围也（yě）逐步扩（kuò）大。近（jìn）年来，这些进（jìn）步均证（zhèng）明了3D打印技术正（zhèng）越来越靠近人（rén）们（men）对（duì）它的预设。

当（dāng）今最（zuì）常见（jiàn）的（de）3D打印（yìn）种类，即增材制（zhì）造，使（shǐ）用光线（xiàn）将液（yè）态塑料树（shù）脂逐层固化为（wéi）固体。这个过程通常（cháng）比较慢，制造手持设备常（cháng）常需要（yào）大半个下午。此外（wài），各层之间的接口往（wǎng）往比（bǐ）较（jiào）脆弱，成品结（jié）构易碎（suì）。因此，3D打印并没有取代传统的制（zhì）造过程，而是和一些非常（cháng）特殊的（de）用途联（lián）系起来（lái）。美（měi）国伊利诺伊州埃文斯顿西北大学工程（chéng）学教授Chad Mirkin表示（shì）：“在很（hěn）大（dà）程度上，3D打（dǎ）印主要局限于原型设（shè）计，因（yīn）为（wéi）它速度慢（màn）、产量低、产品结（jié）构不稳（wěn）定。”

大（dà）约5年前，美国北卡罗（luó）来（lái）纳大学的工程师发明了一种（zhǒng）新型（xíng）的3D打印技术，即“连续液体界面（miàn）生产”（CLIP），与同类技术相比，这种技术的生产速度提高了100倍。这项技术获得（dé）极大的进步。位于美国（guó）加利福尼（ní）亚（yà）州雷德伍德（dé）市（shì）的一家（jiā）名为Carbon公（gōng）司获取了该项技（jì）术（shù），该公司采（cǎi）用了一种（zhǒng）半（bàn）渗透窗，可以（yǐ）将氧气注入（rù）液（yè）体树脂，从而形成一种能防止（zhǐ）固化（huà）的（de）薄的（de）“死区”（dead zone）。在该区域上方，光线将树脂（zhī）固化成固体。机械臂缓慢地将不断增长的（de）固体从树脂中拉出（chū），使其他材（cái）料得（dé）以固化（huà）和黏附，这种（zhǒng）技术无需一系列层合界面，因此产品更加（jiā）坚固。

尽管（guǎn）CLIP的速度（dù）提高备（bèi）受关注——Carbon公司（sī）已与（yǔ）福特汽车公司、阿迪达斯体育用品（pǐn）公（gōng）司（sī）和里德尔体育公司达成协议，分别为它（tā）们（men）生产汽车零件、运动鞋底和（hé）橄榄球头盔——但其（qí）固化过程（chéng）会释放出（chū）大（dà）量热量，这可能（néng）导（dǎo）致打印的零件翘曲和破裂。为了（le）散（sàn）热（rè），打印的（de）成品尺寸实（shí）际上被限制为（wéi）25 cm×25 cm×41 cm。Mirkin说：“Carbon公司（sī）证实了3D打印可被用于（yú）制造业，而且他们在许多（duō）行（háng）业做（zuò）得都（dōu）非常好（hǎo），但是他（tā）们（men）还没有找到快速打印大型（xíng）物体的方法（fǎ）。”

在2019年（nián）年末，Mirkin的团队宣称其开（kāi）发（fā）了一项名为“高面积快速（sù）打印”（HARP）的新技术，该技术使液体冷（lěng）却（què）剂在一桶液态（tài）树脂（zhī）下（xià）面循（xún）环。冷却剂是（shì）一种氟化油，在打印时（shí）会（huì）直接从正在（zài）打（dǎ）印的物体上吸走（zǒu）热量（liàng），从而使（shǐ）它们在短短几个（gè）小时（shí）内就可以达到成年人的尺寸（cùn）（图1）。Mirkin将使用多（duō）台投影仪发（fā）出（chū）的光进行（háng）打印的方法称为“平铺（pù）”（tiling）工艺，其打（dǎ）印（yìn）尺寸可以达到约1 m×1 m×4 m。将来，其（qí）他投影仪可使（shǐ）HARP 能够制造更大的物品（pǐn）。“从理论上讲，平（píng）铺工艺消除了尺寸限（xiàn）制，”Mirkin说。

图1. 一种名为HARP的新（xīn）型3D打印技术，该技术使一层液态冷却剂在（zài）一大桶液态（tài）树脂下面循环，从而消除（chú）物体打印（yìn）时随着体积不断扩大而产生的热（rè）量，使它们在短短几个（gè）小（xiǎo）时内就（jiù）可以达到成年人的（de）尺寸（cùn）。这款HARP打印机高约4 m，带有0.76 m×0.76 m的打印床，可（kě）以打印一（yī）个大（dà）型（xíng）的连续结构或许多不同的小型结构。来源：美（měi）国（guó）伊利诺伊州埃文（wén）斯顿西北（běi）大（dà）学（新闻稿）。

为了使（shǐ）HARP商业（yè）化，Mirkin和同（tóng）事（shì）成立了Azul 3 D公（gōng）司（位于（yú）美国（guó）伊利诺伊州斯（sī）科基市），该（gāi）公司预计在2021年年底前（qián）开始（shǐ）销售打印机（jī）。Mirkin希（xī）望HARP能改变3D打（dǎ）印的商业模式。“几乎所有的3D打印（yìn）公司都必须从他们（men）的硬件上获得可观的收入，因为（wéi）他们根本没有（yǒu）使用（yòng）足够的（de）树脂（zhī）来使此项技（jì）术具有良好的商业（yè）模式。”他表示（shì），“借助HARP，该公司不需要（yào）仅依靠销售硬件（jiàn）来获得收入，因为（wéi）他们还可以通过销售生产（chǎn）大量零件（jiàn）所需（xū）的树（shù）脂（zhī）来赚钱。这样，由（yóu）于初（chū）始硬件成本几乎变得无关（guān）紧要，所以HARP降低（dī）了进入门槛。”

在另一个快速发展的领（lǐng）域，3D打印（yìn）技术正显（xiǎn）示出其在处理微小物体方面的（de）潜在价（jià）值。将传统3D打印机中使用的“墨水（shuǐ）”（塑料、聚合物和（hé）金属合金）换成（chéng）嵌入生（shēng）物（wù）介质中的（de）活细胞，这项（xiàng）技术将成为生物医学（xué）应（yīng）用的（de）一个有趣工具，未来有可能被用于制造（zào）替（tì）代组织。3D生物打（dǎ）印（yìn）已被用（yòng）于制造简单的组织，如皮肤、软骨和部分心肌（jī）。随（suí）着技术的进步，3D生物打（dǎ）印（yìn）可能会被（bèi）用于制造更复杂的（de）器官，如视网（wǎng）膜、肾脏和肺。主要的（de）挑战包括（kuò）组成器官的各（gè）种各样的细胞类型（xíng），以及需要（yào）提高（gāo）足够的分辨率来（lái）打印输送氧气和清除（chú）废物的微小（xiǎo）血管。

“我不（bú）知（zhī）道我们（men）能否达成这个目标——有各（gè）种不同的细胞类（lèi）型和维持它们存活所（suǒ）需的（de）血管系统，器（qì）官实在是太复杂了。”美国明尼苏达州明尼苏达大学机械工程（chéng）学教（jiāo）授Michael McAlpine说，“我们一直以来（lái）的错误在于试图完全复（fù）制生物学。也许（xǔ）通过聚合物和电子技术，你（nǐ）可以制造（zào）出一个能像（xiàng）肝脏一样工作的（de）设备，但实际（jì）上该设备比（bǐ）大自（zì）然创造出来的（de）要好得多（duō）。”

然而，3D生物打印已得（dé）到了更直（zhí）接的（de）应用，其中包括药物（wù）发现（xiàn）和消费品测（cè）试。在McAlpine的许（xǔ）多（duō）项目中，有一（yī）个可用于脊髓再生的3D打印设备（bèi）和（hé）嵌入有可监测患者生（shēng）理和（hé）生化标志物的（de）传感（gǎn）器（qì）的电子纹身。

虽然3D生物打印主要集（jí）中在很小的领域（yù），但（dàn）是（shì）美国得克萨斯（sī）州（zhōu）的（de）创新者（zhě）正在使（shǐ）用超（chāo）大规模的3D打印来（lái）建造房屋（wū）（图2）。位（wèi）于得克萨斯州奥斯汀市的建筑技术公司Icon开发了一台名（míng）为Vulcan II的3D打印机（jī），该打印机可以在大约24 h内打印37 m²的两居室房屋的墙壁。Vulcan II是专门为偏远农村的（de）房屋建造而设计的，由于（yú）有限（xiàn）的资（zī）源、无法预测的天气以（yǐ）及不稳定的电源（yuán），使用传统的建筑方式几乎是（shì）不（bú）可能完成房屋建造的。这台（tái）高（gāo） 3.5 m、重1725 kg的机器连续堆积了一层高2.5 cm、宽 5 cm的被称为“lavacrete”的可（kě）延展型混凝土基（jī）线（xiàn）材料，并将（jiāng）其硬化成（chéng）墙（图（tú）3）。

图2. Icon公司（位于美国（guó）得克萨斯州奥斯汀市）的Vulcan II 3D打（dǎ）印机堆积了一层大约2.5 cm×5 cm的（de）名为“lavacrete”的（de）混凝（níng）土基线材料，建造了（le）如（rú）图所示的（de）37 m2 房屋的墙壁，花费了约24 h。来源：Icon公（gōng）司（新闻稿）。

图3. Icon公司的Vulcan II 3D打印机位于三个（gè）结（jié）构的最末端，该（gāi）打印机（jī）在美国（guó）得克萨斯州奥斯汀市（shì）的一个（gè）地基上创建（jiàn）了（le）三座37 m² 房屋的墙壁，这些房（fáng）屋（wū）的平面（miàn）图各不相同。来源：Icon公司。

Icon公司（sī）目（mù）前正（zhèng）在51英（yīng）亩（mǔ）土地上为美国奥（ào）斯（sī）汀东（dōng）北部地（dì）区的（de）无家可归（guī）者（zhě）打印数十套房屋（wū），并为墨西哥塔巴（bā）斯科（kē）小镇约50个家庭提供房屋。虽然Vulcan II减少了建造房屋（wū）的工作量，但建造过程并非一步到位，工人（rén）仍然需要打下地基并安装屋顶。3D打印房屋除（chú）了能节（jiē）省时间外，与其他低成本住房相比，它还能够打印平滑曲线（xiàn）和倾斜墙壁（bì）以实现其更自（zì）由的设计（jì）。

在（zài）另一项大规模应用中，总部位于美国（guó）加利福尼（ní）亚州洛杉矶市的（de）Relativity Space公（gōng）司开（kāi）发了（le）一种名为“Stargate”的3D打印（yìn）机（jī）（图（tú）4），用于（yú）建造几乎不以地面为基础的物（wù）体（tǐ），即30 m高的火箭（jiàn）飞船。Relativity Space公司计划（huá）用3D打（dǎ）印技术打印（yìn）第一枚火箭的整（zhěng）个（gè）生产线，即 Terran-1，但不包括电子设（shè）备（bèi）、电缆（lǎn）和少量活动（dòng）部（bù）件。相（xiàng）比（bǐ）之下，SpaceX、Blue Origin和其他公（gōng）司也使用3D 打（dǎ）印技术，但仅用于生产部分零件（jiàn）。Relativity Space 公司（sī）与许多（duō）卫星运营（yíng）商签订了发射有效载荷的合（hé）同，并同意他们使用美国国家（jiā）航空航天局位于（yú）密西西比州汉考克县的John C.斯坦尼斯航（háng）天中（zhōng）心（xīn）的两个（gè）测（cè）试设（shè）施。该公司还获得了（le）从美国佛罗里达州卡纳维（wéi）拉尔角空军基地的“Launch Complex-16”发射“Terran1”火（huǒ）箭的（de）权（quán）利（lì），其中第一枚火箭有望在2021年发射。

图4. Relativity Space公司（sī）（总部位于美国加利福尼（ní）亚（yà）州（zhōu）洛杉矶市）的 Stargate 3D打印机使用定向能量沉（chén）积制（zhì）造（zào）巨大（dà）的金属物体，如火箭的燃（rán）料（liào）箱和发动机。打印（yìn）机高9 m，且（qiě）具有3个庞大的机械臂。一只机械臂使用（yòng）强大的激光来（lái）熔化金属丝，金（jīn）属丝（sī）会（huì）逐层（céng）沉（chén）积以形成火箭的（de）零件。另外两只机械臂（bì）用于固定工具以完成打印的部件。来源（yuán）：Relativity Space公司，维基共（gòng）享资源（CC BY-SA4.0）。

尽管火箭（jiàn）通常由数千个单独的零件组成，但Relativity Space公（gōng）司（sī）设计的零（líng）件却合并了一些部件，这（zhè）些部件通常（cháng）是被（bèi）分开制造（zào）然（rán）后（hòu）组装的。所以，他们的（de）火箭零件数量将是同类火箭（jiàn）的（de）零（líng）件数（shù）量的（de）1/100。更少的（de）零件意味着更少的接口和更少的出错机（jī）会。此（cǐ）外，尽（jìn）管大多数制造（zào）商必（bì）须重新（xīn）配置其（qí）设备以（yǐ）制造额外的硬件，但Relativity Space公司（sī）只需（xū）要在（zài）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（xiàng）比，该公司的3D打印机进行设计更改（gǎi）也更容易（yì）且成本更低。

“一般，航天工业要规避风险，相（xiàng）较于创新，更（gèng）希望有更多的信心实现成功发射。”安（ān）全世界基金会私（sī）营（yíng）部门（mén）项目主任Ian Christensen说（shuō），该基（jī）金（jīn）会（huì）总部位于（yú）美国科罗拉多州布鲁（lǔ）姆菲尔德市，其致（zhì）力于（yú）促进（jìn）和（hé）平可持续（xù）的外层空间的（de）利用。“像（xiàng）3D打印火箭这样完全新颖的东（dōng）西，市场将如何（hé）反应，这是一个（gè）悬而未（wèi）决的问题。”

仅仅因为现实中3D打印已经开始满足人们对它的（de）期望，但人们仍（réng）有更多雄心勃勃的目标。Relativity Space公司（sī）不仅不满足于通过制造火箭将卫星送（sòng）入轨道，还着眼于（yú）将打印机运（yùn）送到火星，以（yǐ）便在火星上打（dǎ）印火箭，从而（ér）将（jiāng）土壤样本（běn）送回地球。“这种采（cǎi）样返回的概念在理（lǐ）论上是（shì）有趣的，但几乎可以肯定，它（tā）需要与政府的（de）太（tài）空探索和行星科学项目相结合，而这些项目进展缓慢。”Christensen说，“像（xiàng）在技（jì）术方面的挑战一（yī）样（yàng），这一概念在政策及体制方面（miàn）也面（miàn）临着挑（tiāo）战。”