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3D打印技術(shù)是一種可快速成型技術(shù)，已經(jīng)有約40年的歷史。隨著技術(shù)的進(jìn)步與制造成本的下降，3D打印逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造，包括“打印”義肢、牙齒及一些飛機(jī)零部件等高價(jià)值應(yīng)用，也用于“打印”服裝、玩具和食品等日常生活用品。近期，位于意大利馬薩倫巴達(dá)的3D打印生態(tài)住宅TECLA屋建成，引發(fā)關(guān)注。這座雙圓球造型的房屋使用多級(jí)模塊化3D打印機(jī)構(gòu)建，整個(gè)建造過(guò)程僅用了200小時(shí)。

花8天3D打印出一座生態(tài)住宅

位于意大利馬薩倫巴達(dá)的TECLA屋可能是目前最有趣的3D打印生態(tài)住宅。它號(hào)稱(chēng)是全球首個(gè)由黏土材料通過(guò)3D打印制作而成的生態(tài)住宅。

和當(dāng)前許多3D打印建筑不同的是，TECLA屋使用的原材料不是混凝土，而是來(lái)自附近河床的黏土，可生物降解、可回收、低碳。

這座建筑使用多級(jí)模塊化3D打印機(jī)構(gòu)建，該打印機(jī)使用兩個(gè)同步臂，每個(gè)臂有50平方米的打印區(qū)域，可以同時(shí)打印模塊。整個(gè)建造過(guò)程僅用了200小時(shí)，消耗的能源很少，產(chǎn)生的建筑廢棄物也很少。

TECLA屋高4.2米，室內(nèi)面積約60平方米，分為客廳、廚房和臥室。這棟建筑最有趣的地方在于兩個(gè)相連的圓球形墻體，外墻由350層3D打印黏土堆疊而成。這些黏土呈波浪狀排列，不僅保證墻體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，還具有隔熱的作用。部分家具同樣使用當(dāng)?shù)氐酿ね镣ㄟ^(guò)3D打印而成，且設(shè)計(jì)為可重復(fù)使用及回收的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)循環(huán)價(jià)值。

走進(jìn)室內(nèi)，可以看到原生態(tài)的墻面和柳葉狀墻拱。整座房子都沒(méi)有窗，靠柳葉狀墻拱連接不同功能區(qū)域。屋頂安裝了大型圓形天窗，白天，光線(xiàn)透過(guò)天窗進(jìn)入室內(nèi)，夜晚，安裝在天窗周?chē)臒艟吡疗?，營(yíng)造溫馨的氛圍感。

由意大利馬里奧·庫(kù)奇內(nèi)拉建筑事務(wù)所和3D打印專(zhuān)家WASP聯(lián)手打造的TECLA屋就地取材，材料容易獲取、無(wú)需運(yùn)輸，幾乎不產(chǎn)生廢棄物，充分體現(xiàn)設(shè)計(jì)師將天然本土材料的使用經(jīng)驗(yàn)及先進(jìn)3D打印技術(shù)應(yīng)用結(jié)合起來(lái)的功力，極具創(chuàng)造力。

改變3D打印的玩具青蛙

讓我們先來(lái)回顧3D打印這一創(chuàng)意的起源。

3D打印又稱(chēng)增材制造技術(shù)。1981年，日本科學(xué)家兒玉秀雄率先提出了逐層打印的概念。他發(fā)明了一種利用紫外線(xiàn)凝固光敏液體樹(shù)脂的快速成型設(shè)備。這讓人們看到了3D制造技術(shù)的潛力。

這項(xiàng)發(fā)明催生了更多制造技術(shù)，3D打印由此誕生，帶來(lái)了快速制作原型產(chǎn)品和模型的方法。目前最常用的3D打印技術(shù)之一為光固化成型（SLA），這一技術(shù)就非常類(lèi)似兒玉秀雄當(dāng)年的發(fā)明。

除了SLA，另一種常見(jiàn)的3D打印技術(shù)是熔融沉積成型（FDM）。這種方法通過(guò)讓熱塑性聚合物融化后經(jīng)噴頭擠出形成細(xì)絲，逐層打印成最終的形狀。

有趣的是，在醫(yī)療、工程、太空等領(lǐng)域大展身手的FDM，靈感竟然源自于一只玩具青蛙。1988年，美國(guó)男子斯科特·克倫普決定給女兒設(shè)計(jì)一只玩具青蛙，他將聚乙烯和燭蠟的混合物裝進(jìn)噴膠槍?zhuān)茸屵@些材料融化，然后按照一層一層堆疊的方式，制造出一只玩具青蛙。

玩具青蛙做好了，3D打印的里程碑技術(shù)也面世了。1989年，克倫普獲得了FDM技術(shù)專(zhuān)利并創(chuàng)立了Stratasys公司。1992年，該公司賣(mài)出了第一臺(tái)3D打印機(jī)。如今，該公司已成為全球領(lǐng)先的3D打印巨頭。

3D打印在太空

3D打印的一大特點(diǎn)是用有限的幾種核心材料就能制造各式各樣的產(chǎn)品。這或許對(duì)未來(lái)的太空旅行大有用處。

當(dāng)我們身處地球時(shí)，制造大多數(shù)產(chǎn)品所需的儀器和材料都唾手可得，假如身處距離地球數(shù)百萬(wàn)千米的太空該怎么辦？

身處國(guó)際空間站的宇航員探索太空時(shí)需要維持生存所需的食物和水，需要及時(shí)拿到合適的工具去維修航天器故障。問(wèn)題在于，國(guó)際空間站內(nèi)缺少某種工具或部件時(shí)，宇航員得等上數(shù)周甚至數(shù)月，直至貨運(yùn)飛船把貨送到天上來(lái)。為了解決這一難題，2014年，美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）將第一臺(tái)針對(duì)零重力環(huán)境設(shè)計(jì)的3D打印機(jī)送上國(guó)際空間站，宇航員在太空3D打印出來(lái)的第一樣物品就是扳手。今年6月，用于打印熱塑性聚合物部件的俄制新型3D打印機(jī)也將被送到國(guó)際空間站。未來(lái)，借助這一技術(shù)，宇航員將能夠在國(guó)際空間站自行打印所需部件，而不是等待地球發(fā)貨。

不過(guò)，只用3D打印來(lái)制作工具或零件，還是太大材小用了。

未來(lái)，人類(lèi)要進(jìn)行深空探索，前往火星甚至登陸小行星，也不能單純依靠地球的補(bǔ)給。2018年，美國(guó)航天局（NASA）舉辦3D打印棲息地挑戰(zhàn)賽，旨在為登陸火星的宇航員們?cè)O(shè)計(jì)3D打印的房屋。目前，利用3D打印技術(shù)在火星打印房屋還停留在“紙上談兵”階段，但NASA已成功在休斯敦約翰遜航天中心內(nèi)3D打印了一個(gè)模擬火星環(huán)境的住處。這個(gè)名為“火星沙丘阿爾法”的住處面積約158平方米，有臥室、廚房、浴室以及健身房。

3D打印機(jī)如何工作

3D打印工作原理與傳統(tǒng)打印原理類(lèi)似，主要區(qū)別在于3D打印機(jī)使用的“墨水”是實(shí)實(shí)在在的原材料。3D打印機(jī)不用紙或墨，而是通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、激光掃描、材料熔融等技術(shù)，使特定金屬粉或可塑性高的材料熔化，并按電子模型圖的指示一層層疊加“鑄造”起來(lái)，最終把電子模型圖變成實(shí)物。

3D打印的優(yōu)點(diǎn)在于，通過(guò)控制熱塑材料的溫度，可以隨心所欲地塑型。

制圖

通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件制作設(shè)計(jì)圖紙。

勾勒輪廓

啟動(dòng)打印頭，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙畫(huà)出輪廓，之后再逐層填充材料。

制造物體

融化的材料接觸操作臺(tái)后會(huì)立即冷卻變硬。每一層彼此熔合便形成了最終的立體造型。

3D打印的基本原理與一般打印機(jī)一樣，有打印機(jī)體、噴嘴、原料。

●原料卷筒

打印用的原材料細(xì)絲通常纏繞成卷，由旋轉(zhuǎn)的卷筒送入打印機(jī)。塑料的成本低、強(qiáng)度高、可選顏色多，因此是最常用的原材料。

●細(xì)絲導(dǎo)管

在電腦程序的引導(dǎo)下，原材料經(jīng)導(dǎo)管被抽出，融化后堆積在操作臺(tái)上。

●打印頭

自動(dòng)化打印頭嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙運(yùn)動(dòng)，把原材料填入設(shè)計(jì)好的區(qū)域。

●噴嘴

打印頭的噴嘴口徑很小，能?chē)姵龊芗?xì)的絲，從而完美刻畫(huà)精密的細(xì)節(jié)。

●操作臺(tái)

每填充一層材料，操作臺(tái)就會(huì)降低一點(diǎn)。這樣可以保證打印頭始終在同一水平面移動(dòng)。

萬(wàn)物皆可打?。?/strong>

解鎖更多用途！

雖然不是萬(wàn)物都可通過(guò)3D打印來(lái)制作，但這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷擴(kuò)大。家居裝飾、玩偶工藝品、建筑模型……越來(lái)越多生活中常見(jiàn)的東西可以被3D打印出來(lái)。

觸摸藝術(shù)

2015年，英國(guó)一家公司打造“看不見(jiàn)的藝術(shù)”項(xiàng)目，將世界名畫(huà)用3D打印技術(shù)還原，意在讓視覺(jué)障礙者通過(guò)觸覺(jué)感受藝術(shù)欣賞經(jīng)典。該項(xiàng)目的第一個(gè)作品是復(fù)刻版3D《蒙娜麗莎（002918）》。

交通工具

在汽車(chē)業(yè)界，已經(jīng)有企業(yè)成功地將3D打印技術(shù)和無(wú)人駕駛技術(shù)結(jié)合起來(lái)。2020年2月，新西蘭本土制造的電動(dòng)智能穿梭巴士亮相克賴(lài)斯特徹奇市。這輛無(wú)人駕駛巴士可以載客15人，車(chē)身部分采用3D技術(shù)打印，小巧精致，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。

去年11月，俄羅斯技術(shù)集團(tuán)宣布，已開(kāi)始用連續(xù)纖維3D打印技術(shù)，批量制造MS-21客機(jī)的PD-14發(fā)動(dòng)機(jī)零件。聲明指出，得益于工業(yè)3D打印技術(shù)，某些單個(gè)配套部件的生產(chǎn)時(shí)間有望從6個(gè)月縮短至3周。

住宅橋梁

3D打印的成品可以非常大，它可以是一座人行橋，也可以是一座房子。

在這方面，“郁金香之國(guó)”荷蘭可謂是走在前列：5年前，荷蘭東南部城鎮(zhèn)海默特就開(kāi)通了可供自行車(chē)通行的3D打印混凝土橋梁；去年7月，荷蘭首都阿姆斯特丹一座3D打印的12米長(zhǎng)鋼制橋梁竣工并于次月向公眾開(kāi)放；去年5月，荷蘭南部城市艾恩德霍芬的3D打印住宅迎來(lái)了首批住戶(hù)，這棟兩室一廳的房子共94平方米，由24個(gè)3D打印的構(gòu)件拼裝而成……

生物打印器官

如果以人類(lèi)組織細(xì)胞為材料，3D打印技術(shù)也可以用來(lái)制作某些身體部位或者器官，目前研究人員已制作出了可用于人造功能性器官或器官移植的3D打印脈管、自膨型3D打印血管支架、微型腎臟、心臟、耳朵等。

3D打印人造器官也已經(jīng)開(kāi)始造福人類(lèi)。

去年11月，英國(guó)一名47歲男子在倫敦一家醫(yī)院安裝了一枚3D打印的假眼，據(jù)稱(chēng)是世界首例。這枚3D打印假眼安裝在患者的左眼，仿真度極高，制作周期也比傳統(tǒng)方法短。研究人員先對(duì)患者眼窩進(jìn)行數(shù)碼掃描，半個(gè)小時(shí)后就能生成假眼數(shù)碼影像，僅3周就能完成制作。為了確保兩只眼睛看起來(lái)一樣，研究人員還掃描了患者的右眼。

未來(lái)食物

可食用3D打印技術(shù)為食物注入創(chuàng)造力。2016年在英國(guó)倫敦開(kāi)張的“食品墨水”餐廳號(hào)稱(chēng)全球首個(gè)3D打印餐館。在這間餐廳里，不僅所有食物都是3D打印而成，連顧客坐的餐椅也出自這種技術(shù)。