位于美国西北大学的实验室中有一台树脂打印机，它可以在几小时内制造出与人体尺寸相当的结构
从零件到产品
3D打印技术也被称为增材制造，与从整块的原料切削和磨削制造或从利用熔融金属和模具进行铸造的传统工艺流程不同，3D打印是一种自底向上的制造过程。它具有较低的材料消耗和高度的定制化能力，能够制造像网格这样传统方法难以制造的复杂结构。
早期的3D打印机速度较慢，打印的尺寸较小，并且容易产生分层、有瑕疵的脆弱结构。这种打印技术只能有限地应用于快速原型设计，为基于传统方法的正式生产制造塑料模型。作为研究领域来说，这种打印技术还无法令研究人员满意，澳大利亚墨尔本莫纳什大学的高分子科学家Timothy Scott表示：“用这种方法只能制造一些小零件和小玩意儿，那对于一个高分子化学家来说十分无趣。”
2015年，北卡罗来纳大学教堂山分校的Joseph DeSimone提出了一种可以加速3D打印的技术
这种方法将工作台浸没于树脂容器中，随后用投影仪将预先编程过的图像通过容器底部的透明窗口照射到工作台上。这种方法可以让光一次性固化整层树脂。该方法的优势在于底部的窗口可以透过氧气，这会阻止固化反应并在窗口上方产生一层很薄的缓冲层（也称为死区），让每次打印出的树脂层不会粘附在容器底部。随着工作台不断地上升，新层不断打印出来，已完成的部分则被不断拉出液态树脂。它可以在打印后利用热处理来实现第二种反应，增加成品的强度。去年一月在密歇根大学安娜堡分校，Scott和 Mark Burns提出了一种新的方法来抑制反应，通过向树脂中混合一种可以被另一束不同波长的光源激活的化学物质来实现[4]。通过调节两种光强的比例，研究人员可以控制光抑制区域的厚度，使得更为复杂的模式打印成为可能，例如带有图印或者标志的表面结构。3D打印领域的创新具有迅速商业化的潜力，一些研究人员在发表论文之前就开始着手建立公司了。例如在发表论文当日，DeSimone在温哥华发表TED演讲时就宣布在加州雷德伍德城建立一家名为Carbon 3D的初创公司。实际上他在两年前就已经悄悄注册了这家公司，如今它已经成为3D打印领域最大的初创公司之一，目前已募集了6.8亿美元，估值达到了24亿美元。它与Adidas高调签订合约，为运动鞋生产类似橡胶的鞋底夹层，同时与运动装备公司Riddell签订了为美式足球运动员生产头盔衬里的合同。
Carbon 3D的技术被用于打印Adidas的鞋底（左侧）和美式橄榄球头盔的衬里（右）
新的树脂打印技术还在涌现，其中一种技术将液态树脂装入了旋转的玻璃管中，随着玻璃管的旋转，投影仪将一段视频投射到玻璃管中，而视频则对应着目标形状的2D切片，只用几秒钟的时间，需要打印的物体就会在玻璃管中固化，这样就不再需要一层层地堆叠打印了。这种方法受到了X射线和计算断层扫描技术的启发，它们通过横截面来为物体成像。而这种打印方法则反过来将横截面图像反投影回去，以形成3D目标。
一架投影仪将视频循环投射入液态树脂中，使得整个物体可以一次成型而无需一层接一层地堆叠
不过，这种方法有很大的局限：需要树脂足够透明，并且目标物体不能太大，否则光线无法穿过树脂，无法固化。但这种技术显示出了潜在的优势，它可以处理非常粘稠的树脂，因为其他树脂打印机在狭窄的“死区”中难以进行抽取。这意味着这种方法可以构建强度更高，精度更高的结构。
规模变大
当化学家们致力于研究更为智能的3D方法来打印复杂的树脂构件，工程师们则不断拓展着3D混凝土打印的边界——利用计算机和机器人来精确地自动化浇筑过程。
一座由清华大学建造的3D打印混凝土行人桥梁
世界上第一座3D打印的混凝土行人桥梁，由西班牙巴塞罗那的加泰罗尼亚先进建筑研究所的研究人员设计建造，并于2016年安装在了马德里附近阿尔科文达斯的一座公园里。这座桥长12m，外形呈现出网格状结构，这是由算法优化后以最大化强度和最小化金属用量的处理结果。清华大学的工程师在上海也建造了一座类似的26m长的桥梁。另外，来自中国和荷兰公司的团队也建造了3D打印的样板房。然而这些建筑并不是由一个整体的打印件构成，而是通过多个打印好的部件拼接而成。通过更为便宜和高效的方式建造桥梁和房屋，3D打印可以减少混凝土的碳排放，但是也会鼓励工程师建造更多。并不只有混凝土才能打印大型构件，来自阿姆斯特丹的MX3D公司就利用不锈钢打印了一座桥，它于2018年首次公开展示，目前安装了一系列传感器进行测试，之后计划安装到阿姆斯特丹的一条运河上。
MX3D的打印机正在打印金属桥梁
洛杉矶的初创公司Relativity Space正在建造几乎全部由3D打印制造的火箭，其目标是将1250 kg的物资送入低地轨道，计划于2021年进行首次发射测试。Relativity Space的CEO Tim Ellis表示，打印的金属可能并不总是具有传统方法所制金属构件的散热性能，但3D打印可以增加一系列传统制造方法无法生产的几何构型的制冷通道。同时，火箭几乎是一次性或者只用几次的用品，所以长期来看，火箭的结构无需像飞机的合金一样坚固、耐受数万次的压力循环。
初创公司Relativity Space的金属打印机——计划于2021年测试一个主要利用3D打印技术制造的火箭
这些大规模的金属打印项目利用机械臂将金属丝送入到激光熔融区域来构建物体。其他成熟的3D金属打印方法还利用激光或电子束，将金属粉末融化来打印产品。还有一种方法利用胶水将金属粉末粘合，而后送入熔炉中烧结成型。最近几年还出现了与FDM类似的方法，将熔融金属从喷嘴中挤出来进行打印。像波音、劳斯莱斯、普拉特·惠特尼等航空公司开始使用3D打印来制造喷气式发动机的金属部件，这种方法比铣削更便宜并使得复杂构件更为轻巧。
不断发展的打印技术
不断发展的打印技术
这一领域的未来方向被称为“4D打印”，其中3D打印的物体会具有一定的机械运动能力——类似人造肌肉。这种技术通常会结合形状记忆聚合物，这些材料会在环境温度和湿度改变的情况下作出反应。2018年5月，苏黎世联邦理工学院和加州理工学院的研究人员打印出了一种水下装置，当被置于温水中时，它可以利用向后弹起的桨来推动自身向前运动[9]。这有望催生出一种能够自主探测海洋的微型机器人，但目前需要在每次划水后重置桨叶。澳大利亚伍伦贡大学的材料工程师Geoff Spinks认为，可以利用电池驱动桨叶重置，但这会使得机器人的效率甚至低于传统的驱动方式。“4D打印仍然存在一系列重大的挑战。”他说。另一类4D打印方法引入了变化的外部磁场来触发动作。美国的研究人员构建了一种内部填充液体且液体可随磁场变硬的3D打印栅格状结构[10]，这种技术也许能在未来被应用于汽车座椅，使其在受到撞击时变硬。
一种响应磁场变硬的液体被注入到中空结构和3D打印的栅格状结构中，这种材料可以实现刚性和柔性的转换
通过打印头之间的协同工作，可以将电路嵌入到刚性基板或柔性高分子外壳内，集成制造出所需的设备。Qi表示团队目前正在与电子行业的公司合作，他们对于这种比传统方法更加快速的电路板原型打印技术十分感兴趣。这不是简单地将四种不同的打印机整合在一起，研究人员还需要开发出能够使得打印头互相通信并追踪打印过程的软件系统。这一领域目前还远未实现将制造带入千家万户的早期愿景。就目前而言，复杂精密的打印机价格高昂，阻碍了非专业人士的购买和使用，但3D打印在过去的20年里已经走过了很长的发展道路。
