交汇点讯 显微镜下的这只船，30微米长，仅比细菌细胞大6倍。开放的船舱、笔直的烟囱、精致的小舷窗清晰可见，尤其令人印象深刻的是，整个船只模型的厚度只有人类头发丝直径的三分之一，堪称世界上最小的船。
这只近日出自荷兰莱顿大学物理学家之手的船，利用的正是近年来迅猛发展的3D打印技术。在几立方微米的微观空间内创造一件物品，科学家是如何实现的？从正式诞生到走进微观世界，3D打印技术突飞猛进的背后是怎样的技术变革？
3D打印的精度已缩小到纳米级
传统的减材制造工艺是指利用已有的几何模型工件，用工具将材料逐步切削、打磨、雕刻，最终成为所需的零件。而3D打印，又称增材制造，是借助于3D打印设备，对数字三维模型进行分层处理，将金属粉末、热塑性材料、树脂等特殊材料一层一层地不断堆积黏结，最终叠加形成一个三维整体。
技术的不断进步使得如今3D打印零件的精度越来越高。“像小船这类微观事物的打印，首先需要克服的就是打印精度的问题。”南京理工大学机械工程学院教授刘婷婷介绍，随着3D打印技术的发展与进步，通过改变能量源，现在人们已经能够将3D打印的制造精度逐渐由微米级别提高到纳米级别。
“目前，3D打印技术已经成功在航空航天、医疗器械、汽车工业、珠宝行业以及建筑行业实现应用。”刘婷婷表示，与传统制造方法相比，3D打印具有零件设计复杂度高、柔性制造水平高、产生设计-制造周期短等优势，日渐受到青睐，应用前景广泛。“微观事物打印的成功，意味着3D打印技术将会对治疗诊断以及药物定向输送起到非常重要的作用。”
随着3D打印的精度的显著提高，3D打印技术在医疗领域给了人们更多新的灵感。如生物3D打印技术，特别是细胞、组织以及器官等活体的打印在医学、生物与工程各界引起广泛关注。
生物3D打印也是基于“增材制造”的原理，以特制生物“打印机”为手段，以加工活性材料包括细胞、生长因子、生物材料等为主要内容，以重建人体组织和器官为目标的再生医学工程技术。它代表了目前3D打印技术的最高水平之一。
在生物3D打印技术中，研究人员经常使用的是喷墨打印技术，能够快速地把细小的墨滴精确地打印到相应的位置。此外，喷墨打印机还可以打出不同的细胞。例如打印一个类似血管的结构，可以把内皮细胞打印到管壁内层，平滑肌细胞打印到管壁外层，这样逐层打印，就能得到一个和正常结构类似的产品。
各有千秋，3D打印技术种类繁多
事实上，世界上第一台3D打印机早在1983年就诞生了。这项起源于20世纪80年代的技术，近年来发展迅猛，被誉为“第三次工业革命的重要标志之一”。
“传统的3D打印技术包括熔融堆积技术（FDM）、光固化技术（SLA），激光熔化沉积（LMD）以及激光粉末床熔融技术（LPBF）等。”刘婷婷介绍。而这些传统的3D打印技术也各有千秋。
熔融堆积技术（FDM）和光固化技术（SLA），是目前最常见、最成熟的两种3D打印技术。熔融堆积3D打印又叫熔丝沉积3D打印，在3D打印技术中，熔融堆积技术的机械结构最简单，设计也最容易，制造成本、维护成本和材料成本也最低，因此也是在家用的桌面级3D打印机中使用得最多的技术。它是将丝状的热熔性材料加热融化，同时三维喷头在计算机的控制下，根据截面轮廓信息，将材料选择性地涂敷在工作台上，快速冷却后形成一层截面。一层成型完成后，机器工作台下降一个高度（即分层厚度）再成型下一层，直至形成整个实体造型。
而光固化3D打印技术是将液态光敏高分子材料累加为固态成形件，成形精度较高，是可以满足商业化需求的共性技术。该项技术通过数控装置控制的扫描器，将激光光束按设计的扫描路径照射到液态光敏树脂表面，使表面特定区域内的一层树脂固化， 当一层加工完毕后，就生成了零件的一个截面；然后升降台下降一定距离，固化层上覆盖另一层液态树脂，再进行第二层扫描，第二固化层牢固地黏结在前一固化层上，这样一层层叠加便形成了三维工件原型。
熔融堆积3D打印可使用的原料种类繁多，能够根据不同需求改变打印设置和硬件附件，更有利于定制化生产，能够适应更多特殊化场景的使用需求。而光固化3D打印可以实现0.1毫米的分辨率，并且可以实现平滑、细致的表面处理，这是熔融堆积3D打印无法比拟的。
提升精度和速率，新技术给予人们更多灵感
刘婷婷介绍，近几年，具有更高精度以及更高效率的双光子3D打印技术（TPP）、飞秒投影双光子光刻3D打印（FP-TPL）技术以及聚焦电子束诱导沉积技术（FEBID）相继出现。而新技术的出现使得打印的精度以及打印的速率不断提升。
“2019年，香港中文大学工程学院机械与自动化工程学系副教授陈世祈及其团队研发了‘飞秒投影双光子光刻3D打印’（FP-TPL）技术，将原有打印速度提升了数千至一万倍。”据了解，这种技术可以在与激光束垂直的平面上形成可编程的飞秒光片，用于平行写入。这相当于同时投射数百万个激光焦点，以取代传统的聚焦方法。换句话说，飞秒投影双光子光刻3D打印技术可以在双光子3D打印技术制造一个点的时间内制造出整个平面，将制造时间由几天缩短到几分钟。
“此外，3D打印技术精度的不断提升，将为纳米制造引入新的可能性。”刘婷婷表示。
在材料兼容性和形状灵活性等方面，纳米3D打印技术表现出色，这使其可以在各种医疗和微流体应用中使用。在最近的研究中，科学家们开始评估通过外部刺激修改3D打印结构的可能性，开始采用一种新的纳米加工方法。
法国格勒诺布尔大学的研究人员近日开发出了一种具有可变形磁场的3D打印微观结构的新方法。这项新技术涉及将磁性微珠添加到标准的双光子聚合（2PP）3D打印对象中。通过精确地调整这些微型材料的特性以及微珠的方向，科学家们能够制造出仅需外部磁场即可操作的复杂纳米镊子。
利用他们的新工艺，研究人员认为，这项技术也有可能开发出增强的微致动器，甚至是用于药物输送应用的磁极水凝胶。
交汇点记者 王甜
