1986年3月11日
“鱼房子”和3D打印技术
有人称三维（3D）打印技术与纳米技术是当代最伟大的两项创新技术，它们使人的想象力有了无限发展的空间，这两项技术所带来的突破完全超出了人们的预期。
3D打印技术是根据设计的需要，在计算机控制下，用打印的方式一层层地将材料堆叠起来的成型技术，这种技术几乎无所不能。你周围所见到的东西，包括头上戴的帽子、手中的笔、脚上穿的鞋，甚至汽车和房子，全都可以利用3D打印技术打印出来。
3D打印的思想起源很早。早在19世纪末，人们在构思地貌成形时，就对制造产生了分层铸型的思想。进入20世纪，有人开始依照这种想法制成了3D打印机。刚开始时，这种机器的造型很大，酷爱这种机器的多属于“科学怪人”或有“制做癖”的业余爱好者。在众人眼中的这些“怪人”手里，世界上首例3D打印机的雏形问世了。首个发明人就是人称“科学怪杰”的意大利人恩里科·迪尼（图1）。
图1
迪尼发明了一个体型硕大的机器，专门用于3D打印。这项发明的初衷听起来很奇怪，他想用这种技术“为鱼做个房子”。他以砂子为原料，用这台巨型机器仿制出各种各样造形逼真的珊瑚礁。有了这项发明之后，他常常到处演讲，然而他没申请专利，也没有把自己当成发明家，而是称自己为“给鱼打印房子的人”。迪尼组建了一个团队，他们不断地利用这种方法，制作出大批足以乱真的海礁，用于巩固和修复被蚀坏了的海岸。
迪尼团队认为，他们的工作不只是技术，更重要的是“在拯救世界”。他们所制造的岩石和海礁修复了被侵蚀了的海岸，制造出大量的海底礁石，成为鱼类的保护地。目前，这一团队拥有世界上规模最大的3D打印机，可以制作出6米尺度的巨大石块。这些巨大石块是由5毫米厚的单层一层层堆叠起来的。利用这种技术，可以制作大型机器人、各种大型机械以及房屋、桥梁等各种建筑设施，还可以照原样复制出古化石，修复古建筑，使它们重放异彩。在提到他们的工作时，迪尼不无自豪地说：“在这些工作的背后，有我们的感情和美好的愿望，我们把所蕴含的美驻留在其中。”
进入20世纪末，正式的3D商用快速打印机问世了，它的发明人是美国的楚克·胡尔（图2）。1983年，在研究用紫外线加固桌面涂料时，他发现依靠电脑系统控制，涂料可以自动地逐层喷涂。在当时，这种工艺本是一种常见的普通技术，但在他的脑海里却突然闪现了一个想法，能不能利用这种技术“快速成型”呢？于是他有了一个新的创意，如果让每个涂层形状不同，就可以形成一个立体造型。这个创意令他兴奋不已，他立刻重新设计了一个计算机软件，在计算机的控制下，这台喷涂机器竟然仿照真品实现了三维快速成型。图3为3D打印机和所打印出来的三维立体造型。胡尔于1984年8月14日取得了这项发明的专利，并于1986年3月11日将这一发明发表了出来。后来，他把这项发明继续扩大，在离子光学和快速立体成型技术上一连在美国取得了60项专利。2014年，他被列入美国发明家名人堂。
图2
图3
3D打印技术很快从开始用于模具制造发展到工业设计，进而发展到包括鞋、帽、衣等日用品及工业技术的元器件制造，在汽车、航空、航天、医疗、军事等领域迅猛发展开来。它已成为领衔未来世界的一股洪流。有人估计，未来3D打印技术有可能引领新一代工业革命。
虽然3D打印技术异常火热，但是目前它的应用范围仍然非常有限。它可以打印出各种复杂的物体，如图4所示，但所使用的材料仅限于塑料或少数金属零部件。如果能扩大打印材料的范围，例如活细胞或半导体，或者能把不同的材料交替分层打印，这种技术的发展将是不可限量的。
图4
正是抓住了这一发展的契机，哈佛大学的杰妮芙·刘易斯研究组正在开发混层3D打印技术。他们根据需要，把不同导电材料和光通道材料混层堆叠，开发出极小电极及锂电池所需要的组件，甚至制造成功运动员所使用的微型塑料贴片，其上包含多种传感器，可以检测脑震荡并确定其危害程度。最近他们又利用所研制成功的多类型细胞“墨水”，打印出包括复杂血管的生物组织，他们的成果成为3D技术发展的新里程碑。
很快地，3D技术的新发展如雨后春笋般地展开。普林斯顿大学研究团队成功地打印出了仿生耳，内中包含有生物组织和电子部件（图5）。剑桥大学研究组打印出了由视网膜细胞组成的眼球组织。路易斯维尔大学的研究组成功地打印出来心脏的静脉与瓣膜，他们计划在未来的5年内，把心脏的其他部分打印出来组装成人工全心脏。如果能使这些人工3D打印出来的“生物组织”或“人工器官”用于临床，经移植并能存活下来，将使3D技术在医学领域获得不可限量的发展。
图5
关键词：3D打印机，恩里科·迪尼，查理斯·胡尔，3D printer，Enrico Dini，Chuck Hull
图1：http://3dprinting.com/materials/sand-glue/the-story-of-enrico-dini-the-man-who-prints-houses/
图2：http://www.3ders.org/articles/20140506-charles-hull-nominated-for-the-european-inventor-award.html
图3：http://3dprint.com/21163/gartner-3d-printing-2018/
图4：Stratasys Redefines Product Design and Manufacturing with World’s First Color Multi-material 3D Printer