成就下一代核反应堆、定制人体器官...... 3D 打印正在改变「制造」| HyperTech

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2022 年 1 月一则新闻报道，美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）将其发明的 3D 打印建造核反应堆技术授权给了核能公司 USNC。据悉，这项技术将 3D 打印与一种特殊的陶瓷材料相结合，能够制造出此前无法做出的复杂几何形状。
这种陶瓷材料叫做碳化硅。现代坦克装甲，特殊电子产品以及很多航天设备身上都能见到它的身影。尽管如此，将其用于制造核反应堆部件仍然十分困难，因为传统的工业制作方法如机械加工无法满足核产品的工艺需求，而 3D 打印技术则刚好适用。
图：ORNL 使用 3D 打印制作的核反应堆部件 | 来源：ORNL
3D 打印，又称增材制造（ Additive Manufacturing ），是一种被广泛应用在医疗，航空航天，以及建筑业等领域的技术。
说起来，将 3D 打印应用在核工业里并不是一件新鲜事。2017 年，西门子公司在斯洛文尼亚的一座核电站安装了第一个 3D 打印部件：一个防火泵上的小小的金属零件。从那时起，更多，更大的 3D 打印部件被制作出来，安装在各种商业核反应堆上。
2020 年，美国西屋电气公司 ( Westing House ) 的 3D 打印顶针堵漏装置成功安装在 Exelon 拜伦一号机组。这是全球首次在反应堆堆芯安装 3D 打印构件。
图：西屋电气公司用 3D 打印制作的反应堆堆芯装置 | 来源：西屋电气公司
目前，橡树岭国家实验室正在尝试用 3D 打印制作完整的核反应堆堆芯。该实验室于2019 年启动了「转型挑战反应堆」（TCR）项目，以研究 3D 打印技术，计算机科学，以及其他先进制造工艺在核工业中的应用，并将于 2024 年建成第一座用先进技术建造的核反应堆。
图：TCR 项目中正在制作的 3D 打印核部件 | 来源：ORNL

3D 打印，也称增材制造，是以数字模型为基础，将材料逐层堆积制造出实物的新兴制造技术。3D 打印思想起源于 19 世纪末的美国，在 20 世纪 80 年代得以发展和推广。日常生活中使用的普通打印机，可以打印电脑设计的平面物品，而 3D 打印机与普通打印机工作原理基本相同，只是打印材料不同。

3D 打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的打印材料，是实实在在的原材料，打印机与电脑连接后，通过电脑控制可以把打印材料一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。

3D 打印不需要准备复杂的模具，编制复杂的加工程序，或准备专门的工装夹具和刀具，因此特别适用于具有个性化要求的场合，如人工内植物（骨替代假体、假牙）、医疗康复器具等产品的制造。随着信息技术的发展，人类迎来了可穿戴信息类产品的时代，这些产品均需要个性化制造，而 3D 打印将是最为适宜的制造方法。

近年来，世界主要国家纷纷加大力度支持 3D 打印技术，全球 3D 打印产业高速发展。小到儿童玩具、工艺品，大到飞机、火箭中使用的高度复杂零部件，3D 打印机已广泛应用于诸多领域。

航空航天

航空航天业是最早采用 3D 打印技术的行业之一，最早可追溯至 80 年代。3D 打印具有交付速度快，产量相对较低，适合高精度设计等特点。其便于设计的优势尤为适合打造高强度，低质量的航天器部件。当前航空公司面临的两个主要问题，一是减少燃油消耗从而降低运营成本，二是减少二氧化碳排放，都可以通过 3D 打印制造更轻便更节能的部件来解决。
2022 年，3D 打印在航空航天领域的市场预计将增长超过 30 亿美元。这项增长主要是由市场对轻型飞机发动机的需求带来的。
目前，各大航空公司都有使用 3D 打印技术制造飞机部件的案例：
波音公司
波音公司很早就开始了在 3D 打印技术上的尝试。几年前，波音公司着力研究用于卫星制造的 3D 打印技术，并于 2019 年制造了首个 3D 打印金属卫星天线。这个天线是为以色列商业航天公司 Spacecom 制造的，最终被安装在该公司于 2020 年发射的 AMOS 17 卫星上。
除此之外，波音公司还在其最新的喷气式飞机上安装了 3D 打印制作的部件。波音  777x 喷气式飞机配备了两台由 GE Aviation 公司生产的 GE 9X 发动机，是世界上最大的喷气式发动机。这台发动机采用 300 多个 3D 打印部件，极大地减轻了重量，并使波音 777x 成为世界上最高效的双发喷气式飞机，其燃油消耗降低了 12 %，运营成本降低了 10 %。
图：GE 9X 发动机 | 来源：GE 公司
空客
相较于波音公司，空客加入 3D 打印技术较晚，但目前是使用这项技术最大胆的航空公司之一。2018 年，空客公司在其批量生产的飞机上安装了第一个 3D 打印钛合金部件，此后便开始了更多更复杂的尝试。
例如，空客 A350 XWB 型号飞机采用了 1000 多个 3D 打印部件。并且，空客现在正在与瑞士商用航天制造公司 OEM Liebherr - Aerospace 合作，开发出包含着陆机头在内的诸多 3D 打印部件。空客公司还与 Premium Aerotec 公司签约，批量购买其金属及复合材料部件，用来研发碳纤维增强复合材料制作的飞机舱门。
空客的下一个计划是 3D 打印制造的无人机和自动驾驶汽车。Neorizon 是空客公司与 3D 打印初创公司 Local Motors Industries 合资创办的企业，致力于打造多种出行和自动驾驶解决方案。他们目前正在开发两种不同类型的电动垂直起降飞行器 ( eVTOL )，均为无人驾驶和 0 排放的空中交通器。
图：eVTOL「城市空中客车」| 来源：空中客车公司
美国国家航空航天局（NASA）和 Made In Space 公司
NASA 正在通过不同的方式利用 3D 打印技术进行太空探索，并与总部位于旧金山的 Made In Space 公司合作，开展了数个令人惊叹的项目。
NASA 每年有 7,000 磅的航空备件被送往国际空间站 ( ISS ) 。为了减轻航天器负载从而降低运行成本，NASA 正在尝试用 3D 打印来制造更轻的部件。基于这个目的，NASA 与 Made In Space 合作，制造了固定气流监测器、辐射监测器传感器，和连接两颗运行卫星的衔接挂钩等航天部件。
2019年，NASA和 Made In Space 开展了另一项合作，开始向地外制造 （Off - Earth Manufacturing）进行探索。他们向国际空间站发射了一个用来回收废弃塑料的「垃圾站」。该回收站将用来处理用过的聚乙烯等原材料，将这些塑料和垃圾转化为可用于 3D 打印的材料，从而提高太空任务的可持续性。
图： 「空间回收站 」Refabricator | 来源：NASA
另外一项值得期待的项目 ——  NASA 和 Made In Space 共同开发的 「太空工厂」 Archinaut，计划于今年发射。Archinaut 是第一个可在太空轨道上制造和组装卫星的大型工坊，由一台工业级别的 3D 打印机和诸多机械手臂构成，3D 打印机的墨盒中充满了塑料和合金，而机械手臂不需要任何人类监管就能够将打印机打印出来的物品组装起来。而且 Archinaut 所有的部件都结实到足以在微重力环境、极端气温和月球尘暴等苛刻的条件下使用。

图：「太空工坊」 Archinaut | 来源：NASA

汽车制造业

3D 打印在汽车制造业中主要被用于工具、夹具和固定装置的制作。然而，汽车制造在过去的二十年间快速更新换代，3D 打印技术的应用已经逐渐扩展到这些方面之外。
福特公司是最早使用 3D 打印技术的汽车公司。1988 年，福特公司购入了当时世界上第三台 3D 打印机。在此之后，福特公司在其先进制造中心投资了 4500 万美元，用于开发数字化转型，并将 3D 打印和其他先进工业技术融入其生产线。
去年，福特公司的高端产品线部门 「Ford Performance」 称，打印出历史上最大的 3D 打印金属汽车零件 —— 铝制歧管入口。这个零件由一种复杂的网状结构组成，无法通过传统的制作程序完成。打印这件零件仅耗时 5 天，随后被安装在 1977 年出产的，拉力赛车手 Ken Block 拥有的福特 F - 150 Hoonitruck 上。
图：福特 F-150 Hoonitruck | 来源：福特公司
宝马公司也是 3D 打印技术的早期采用者。2010 年以来，宝马公司已经生产了超过 100 万个 3D 打印零件。目前仍在推动3D打印汽车部件的量产，目标是每年生产 50,000 个零部件和 10,000 个单个备件。
宝马在 3D 打印零部件方面已经有过多次成功的尝试。例如，宝马 i8 Roadster 型号敞篷车的两个部件就是用 3D 打印制造的。一是敞篷车的车顶支架，因其独特且复杂的形状，使用传统方法难以生产。二是车窗导轨，日产约 100 件。
图：宝马 i8 Roadster 敞篷车部件 | 来源：宝马公司
另外，宝马的新款车型 BMW M850i Coupe Night Sky Edition 也使用了 3D 打印技术。这款车的制动钳由 3D 打印技术整体打造，保持了一贯优雅的设计理念。
图：BMW M850i Coupe Night Sky Edition 部件 | 来源：宝马公司

医疗

上世纪 90 年代中期， 3D 打印技术开始在外科手术当中使用，主要用于制作接骨手术中要用到的解剖模型。后来，这项用途逐渐演变成为患者打造个性化的植入物。目前，使用 3D 打印制作的人体植入物已成功应用于包括全关节置换和颅颌面重建在内的诸多案例中。这种植入物甚至可以打开，让佩戴者抓挠瘙痒，清洗和通风受损区域，还可以回收利用。
对于这种人造骨骼来说，植入体内后需要尽可能地与患者本身的肌肉骨骼结合在一起，因此表面多孔的 3D 打印骨骼成为了首选。例如，一位脸部严重受伤的患者用3D 打印技术为自己制作了一个钛合金下巴。这些植入物使用的 3D 打印技术是熔丝制造 ( FFF ) 。利用这项技术，植入物内部可以被制作成具有特定几何形状的三维结构，而不需要增加额外的支撑材料或削减必要的构造。
图：3D 打印植入物及假肢 | 来源：Imaginarium

3D 打印技术还被用于罕见疾病的治疗当中，为患者制作个性化的治疗设备。这方面的案例是由密歇根大学开发的，用于治疗气管支气管软化症的生物可吸收气管支架。由于这种疾病的患者多数是新生儿，因此研究者选择使用可吸收材料制作植入物，以尽可能减少手术创伤。这件设备使用的材料是聚乳酸 ( PLA ) ，可以根据需求制作出特定区间的孔隙率，便于人体组织附着，吸收。
图：气管支架 | 来源：密歇根大学

3D 技术还可以用来制作更易被人体吸收的药片。2015 年 5 月，第一个通过 3D 打印制造的药片问世。其原理是将粘合剂喷射到制作药物的粉末床中，可以生产出多孔的片剂，从而使药片快速溶解并易于吸收。制药公司 Spritam 就利用这种 3D 打印技术，制作出一种用于治疗癫痫的左乙拉西坦片剂。随后，科学家又利用 3D 打印技术制作出高度个性化的，为患者量身定制的剂型。此外，根据不同 3D 打印技术的特点，可以制作出具有各种性能的片剂。例如，通过多隔室设计、具有多输送系统的药片可以在单一片剂中包含多种药物。

图：3D打印制作药物片剂流程 | 来源：Spritam
早些年，制药方面的研究人员主要关注熔融沉积建模 ( FDM ) 技术。如今，选择性激光烧结 ( SLS ) 和立体光刻 ( SLA ) 等技术也逐渐被用于制药领域。
目前，科学家们正在尝试用 3D 打印技术制造人体器官。不同于器官捐献，理论上，3D 打印可以从零开始为患者定制需要替换的器官。首先对器官进行 3D 建模。然后，将活的器官细胞与一种聚合物凝胶（ 也被称作「生物墨水」）混合，最后逐层打印出来，就可以制作一个活的人体器官。

建筑

像在其他领域一样，3D 打印在建筑方面最早被用来制作模型。不久之后，工程师们开始尝试用 3D 打印技术构建大型工程。例如，在 2004 年，南加州大学的一位教授尝试用 3D 技术 打印一堵墙，这是 3D 技术首次被应用于现实工程。2014 年，荷兰阿姆斯特丹的工程师使用 3D 打印建造了一座矗立在运河上的房屋。在 2016 年，迪拜未来基金会通过 3D 打印建造了「未来办公室」，这是 3D 打印在商业建筑领域的一个重要里程碑。这座功能齐全的 2,700 平方英尺的建筑由一台 120 x 40 x 20 英尺的大型 3D 打印机建造。施工只用了 17 天。
图：迪拜未来基金会「未来办公室」| 来源：迪拜未来基金会

如今，3D 打印技术在建筑领域里仍然在不断发展。目前，最大的发展势头来源于使用混凝土材料进行的 3D 打印。2022 年，混凝土3D 打印的市场价值预计将达到 5640 万美元，这一数目将主要由市场上计划在建的创新项目推动。不少领域内的巨头也纷纷涌入，试图分一杯羹。例如，法国领先的建筑公司芬奇收购了从事混凝土 3D打印原件的初创公司 XtreeE 的股份。而去年，荷兰皇家 BAM 建筑公司建造了世界上最长的 3D 打印桥梁。

图：荷兰 BAM 的 3D 打印混凝土桥，跨度为 29 米 | 来源：BAM 公司

尽管 3D 打印已经进入到越来越多的生产领域当中，但目前仍有一些障碍需要克服。尤其是材料和工艺的标准化，生产成本，以及操作的可重复性和可靠性等问题。长远来看，在工业 4.0 进程的大背景下，3D 打印仍将与传统的工业制造方法继续融合，推动制造业在材料研发、产品设计、生产工艺等方面进一步创新发展。封面图片：凤凰网编辑：之雍 & flaash往期阅读：

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