听说3D打印了人造卵巢？还有什么是3D打印不能做的？
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发布时间：2022-04-22 07:30
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时间：2022-06-17 18:00
出品：科普中国
制作：大阪大学张昊监制：中国科学院计算机网络信息中心
近日，媒体报道，研究人员利用水凝胶打印出多孔支架，并将卵泡细胞填充进孔洞中，成功组*造卵巢。含有生物假体的卵巢，让小鼠成功诞下了健康的幼崽。
不禁令人想问：神奇的3D打印，还有什么是“你”做不到的？
3D打印 不能盲目迷信
不知从何时起，3D打印这个名词开始被媒体铺天盖地的提及。
如今，不知道这个词的年轻人简直是有如上古神兽一般的化石级存在。但是要真的刨根问底的话，恐怕就没有几个人能把3D打印到底是个什么东西说清楚了，甚至从来没见过3D打印机或者3D打印产品的人也绝对是大有人在。可谓是没吃过猪肉，也没见过猪跑，光知道猪咋叫唤。
从形式上来看，3D打印确实比较高大上，机器轰鸣、热火朝天的场面变成了轻点鼠标、纤尘不染，大汗淋漓、脸颊黢黑的工人师傅变成了一切尽在掌握的都市白领，一杯咖啡的功夫，任务完成，so easy！
图1左：某工业用3D打印机，成型材料应为塑料（来源网络）；图1右：以金属作为原材料3D打印成的饰品（来源网络）
那么，3D打印真的像媒体渲染的那么神乎其技吗？
首先明确一点，3D打印绝非21世纪的新生事物。上世纪八十年代相关概念就已提出，商用产品也早已面世了。十多年以前我还是大学一年级的懵懂少年，在金工实习的基地就曾经见过利用3D打印手段成型的产品。那是一个白色的人头雕塑，类似于美术生临摹的石膏像。
只不过，当年3D打印这么洋气的叫法还没有流传开来，我们所用的说法是相对土气的“三维成型”（实际上3D打印是三维成型技术中比较有代表性的一种）。
于是乎，3D打印被媒体热炒的起初，笔者是不屑一顾的。
我的英文名叫xiao shen yang
说白了，3D打印就是一种材料成型（机械制造）技术，跟锻造、铸造、轧制、冲压以及包括车钳洗刨磨在内的机械加工手段一样，都可以把材料加工成具有某种形状的部件。
与传统加工手段相比 3D打印确实独具特色
不过，3D打印又具有诸多独到之处，不然也绝对不会与上述这些一直与人类同成长、共进退的元老级技术相提并论，并在媒体上大出风头了。
比如，用传统的冲压方式生产一个小型的车用零件，“拢共”要分几步呢？
首先得有冲压用的模具，这个模具好比月饼印一样，决定了零件的形状。一般是用专门的模具钢制造，硬度高而且韧性好。模具分为上模和下模，上模安装在压力机上，可以以很高的速度压向下模。要加工的材料好比是做月饼的面团，被这么瞬间一压，就变成了模具的形状，之后用车床除去多余的部分，再进行一些研磨抛光一类的机械加工，零件就完成了。
图2：冲压工艺制成的车用小型零件（来源：名古屋丰田博物馆参观纪念）
那么3D打印制作同样的零件又是个什么套路呢？
首先，在电脑上绘制好零件的设计图，然后将设计数据导入3D打印机，就可以开始制造零件了。以熔融沉积式3D打印机为例，事先准备好的低熔点线材如塑料，石蜡等经由3D打印机的喷嘴加热后喷出。
图3左：某塑料熔融沉积式低端工业用3D打印机，白色线卷即为塑料原料；图3右：该打印机的喷头部位特写，双喷头设计，可同时打印两种不同塑料
在电脑的控制下，喷嘴在空间中由低到高逐层进行描画，最后形成零件，基本无须任何的后处理。
上面这个例子已经把3D打印最为本质的两个特点反映得很清楚了。
首先，3D打印与计算机辅助设计（CAD）以及计算机辅助制造（CAM）密不可分，任何3D打印的零件都要从电脑设计图开始自己的生命历程。假如事先只有图纸，没有电脑可以直接利用的造型数据，也得重新在电脑中建立模型，绘制设计图。
其次，3D打印是一种增材制造技术，也就是说与传统的车床机械加工一类减材制造技术不同，产品是由原料直接在空间中堆砌而成。可以把车床机械加工比作石雕，刀斧锤凿齐上阵，最终的作品比起最初的原石只少不多。另外一方面，3D打印好比泥塑，塑造形象的组成部分不断叠加，最终的作品比起最初的泥胚只多不少。有了这迥异于其他前辈的两大特色，3D打印能在机械制造技术的武林之中自立门户也就不足为奇了。
3D打印为制造业带来的变革
那么，3D打印到底为制造业带来了怎样的变革呢？下面的几个例子可以提供一些参考。
铸造技术，作为有着上千年历史的古老技术，堪称制造业的基石之一。中国先民们在两千年前的商代就已经掌握了大型青铜器的铸造技术，也留下了司母戊大方鼎，四羊方尊等等无价之宝。铸造技术的优点是可以形成复杂的形状，也方便制造空心形态的产品，如发动机机箱等。
图4左：司母戊大方鼎（来源网络）图4中：四羊方尊（来源网络）；图4右：四羊方尊局部，体现出铸造便于形成复杂形状的特点（来源网络）
传统铸造的通常工序是，首先利用容易成型的材料，比如石蜡，木头等，加工出一个与产品有着类似外型的母模。然后，在这个母模的四周覆盖上具有一定粘度的型砂，用机器震实后再取出母模，型砂中就会自然形成母模也就是产品的形状，这样的铸模称为砂型。最后，通过预留的浇注孔把熔融的金属液灌入砂型中，冷却后去掉周围的砂型再进行一定程度的机械加工即可。图4左：司母戊大方鼎（来源网络）图4中：四羊方尊（来源网络）；图4右：四羊方尊局部，体现出铸造便于形成复杂形状的特点（来源网络）
图5：典型的铸件生产过程，木制母模取出后形成浇注空腔（来源网络）
3D打印的出现，首先给铸造行业带来了前所未有的变革。
图6左：传统木制母模（来源网络）图6右：利用3D打印技术制成的塑料母模（来源网络）
传统工艺中的母模不需要再特意去加工了，用3D打印技术可以轻松的调整设计并实时生成母模，极大的节省了制作母模的时间和效率。好比用活字印刷代替了雕版印刷，无需因为一个制版错误就废弃整块板，可以随时方便的进行调整。同时，3D打印生成的母模可以根据具体情况选择不同的材质，对耐久度要求高的场合可以采用金属材料，对成本要求高的场合可以采取树脂材料，无论是哪种情况都不存在传统木模对温度湿度敏感，易变形寿命低的缺陷。甚至制作母模的工序都可以略过，利用3D打印技术能够直接生成铸造砂型，当然这个时候所用的原料就是可以耐高温的陶瓷了。这种3D打印砂型可以最大限度的还原铸件原本的形态，极大的提高了成品的精度和良率。
生物相关的3D打印也是该项技术的亮点应用。
比如文初提到的3D打印人造卵巢。现在，医用钛合金人工骨，人工关节等已经广泛采用了3D打印技术。首先通过CT或者核磁共振等成像技术获知患者身体的精确三维结构，然后将数据利用计算机进行处理并完成个性化设计。之后利用3D打印生成独一无二的专属人工骨，极大的提升了患者的治疗质量。
图7左：利用3D打印技术制成的人工骨（白色部分）（来源网络）；图7右：利用3D打印技术制成的*牙套（来源网络）
又如，3D打印在口腔医学，尤其是口腔正畸医学界也呈现星火燎原之势。时下十分流行的*牙套，就无法缺少3D打印技术的支持。该技术利用功能强大的行业软件，精确分析患者经过佩戴正畸牙套后牙齿的移动情况，再配合3D打印技术生产出一系列适应于不同阶段的牙套。这样的*牙套不影响美观，对牙齿和口腔伤害很小，并且不影响进食，患者只需要遵照电脑计算的结果定期更换牙套即可。
最后的一个例子来自于较为前沿的一项研究。美国西北大学的一个课题组上周在国际顶级期刊上发表了关于3D打印的最新研究成果，他们利用3D打印技术将明胶打印成类似于卵巢组织的结构，然后将从小鼠体内提取出的卵泡和激素生成细胞植入这种明胶骨架，得到3D打印的人工卵巢组织。该人工卵巢在移植入摘除卵巢的小鼠体内后，表现出了功能健全卵巢的特性，可以正常排卵，在小鼠经过多代繁殖后也未见后代异常（图8）。虽然离人工制造组织或者器官这样的人类终极梦想仍然遥远，3D打印还是帮助我们迈出了开拓性的一步。
图8左：将明胶用3D打印技术制成与卵巢组织类似的结构（来源网络）；图8右：人工卵巢排出的卵子繁殖出的小鼠，利用基因编辑技术，处理植入人工卵巢的卵子，繁殖后的小鼠将通体呈现荧光。绿色荧光作为标记，以便于确定小鼠确实繁殖于该人工卵巢（来源网络）
3D打印绝非完美 缺陷不少
3D打印虽然在特定的领域具有独到的应用价值，目前该技术本身仍然存在诸多缺陷。
首先，3D打印可以成型的材料虽然种类日渐广泛，离我们生活较近的消费级3D打印机却只能打印塑料。这是因为无论是陶瓷成型还是金属成型，都需要极高的温度和能耗，适用于上述两种材料的激光加热和电子束加热方式，很难出现在消费级产品上。
此外，一台几千人民币的消费级电子打印机可以给你带来什么呢？笔者个人除了打印一些劣质DIY手办以外基本想不出别的点子来。
拿笔者实验室的一台加热熔融式塑料电子打印机为例，起初购买的目的是为了能制造一些实验中可能用到的小型夹具，治具等等。后来打印了一个电镀用夹具后，发现了一个严重的问题，这个塑料小零件的致密度太低，低到漏水。这是因为3D打印机在工作时都是以层为单位向上堆积，为了实现最经济的堆积，并不是整个空间都会填充上塑料。
图9左：外弱中干，年少体虚的3D打印小兔子；图9右：3D打印的逐层扫描叠层堆积构造，可见致密度相当低
这就好比建筑房屋，想让房顶不塌下来只要有几道承重墙就好了。这个例子从一个侧面说明现阶段的消费级3D打印机在性能上的表现仍然不够出色，成本和价格方面尚存大量下行空间。
在传统的重工业领域，3D打印机虽然已有一定的高光表现，仍然不能作为主流技术看待，大型零件的首选加工方式在很长一段时间内仍然会是以铸造、锻造等为代表的传统技术。
比如，C919大型客机的机翼已经有部分钛合金构件采用了3D打印技术。这固然可喜可贺，不过要说3D打印已经全面进军大型零件制造这一领域，恐怕是言之过早。
首先，即便是最为大型的金属3D打印设备，也只能制造大概一个长沙发那么大的零件。而实际工业生产中的大型零件，却远远超过这一尺寸。比如包裹核电站堆芯的压力容器，就是直径数米，高度几十米的庞然大物，且在几十年的服役期间内，不能有任何的质量隐患，目前为止也只有传统的锻造方式可以加工（图10）。
又如三峡各个机组的水轮机，每片叶轮都高达十几米，因为形状特殊，目前只能采用铸造的方式加以生产，每片叶轮价格达到两百万元。所以，我们在听取媒体关于3D打印的报道时，一定要区分真正的技术进展和商业噱头。比如所谓的3D打印蛋糕，技术上毫无新意，不过是满足公众猎奇心理的营销手段罢了。
图10左：核电站压力容器吊装（来源网络）；图10中：三峡水电站某水轮机转轮出厂仪式（来源网络）；图10右：该水轮机转轮叶片铸造完成后的形态（来源网络）
机械制造技术的江湖上风起云涌，门派众多，各大帮会瓜分天下，目前谁也没有能力鲸吞寰宇，今后也很难有某种技术可以雄霸武林。3D打印作为其中的新生力量，虽有蓬勃奋起之势，却终无改天换日之能。
同时，我们必须要注意到3D打印得以兴盛的时代背景，那就是计算机运算能力的稳步前进和相关软件的功能提升。
3D打印技术诞生以来的30多年里，相关的材料和机电等领域并未发生*性的重大突破，然而计算机的运算能力却提高到了当年的上千倍，并最终彻底的改变了我们的生活和生产形态，也极大地促成了3D打印技术的大发展。
一言以蔽之，3D打印仅仅是数字化浪潮中的一朵浪花，与其说是英雄造时势，不如说是时势造英雄。
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