你能打印印刷机吗？
你能打印印刷机吗？
还不能。但 3D 打印已经可以造船和桥，很快还能造火箭——所以，谁知道会不会有这一天呢？
造船是个冗长又乏味的活计，哪怕造的是一条小船，用玻璃纤维这类现代材料制成，而不是用钉子把一大堆木板拼起来。先得建一个模具。在模具里填充一层层树脂和玻璃纤维。把填好的结构取出，做最后的加工。整个过程可能耗时数月。不过这可能很快就会改变。因为缅因大学的研究人员正在测试一艘八米长的巡逻艇，它从无到有只用了 72 小时 (见下图)。他们的法宝是一台巨大的 3D 打印机。
自 1990 年代 3D 打印机的商用版本问世以来，它通常都被部署在工厂中制造小物件，例如原型模型、喷气发动机的部件和牙冠。现在，新一代超大型打印机浮出水面。它们能打印出大得多的物体，而且速度更快。
这艘巡逻艇属于美国军方的一个项目。为了打印它，缅因的团队的合作方包括田纳西州的橡树岭国家实验室 (协助研发打印工序) 以及伊利诺伊州的英格索尔机床公司 (制造了打印机本身)。田纳西大学认为，对于造船这个田纳西州的大产业来说，这种大型 3D 打印机将大大减少生产新船所需的成本和时间。
尺寸很重要
一般而言，3D 打印机可以打印出的最大尺寸取决于打印机本身的大小，而大多数打印机都不比一台家用大冰箱大多少。多年来，工程师们想了各种办法来让它们略微扩容。比如把打印结构安装在一个外部脚手架上，但得到的往往是一个缓慢又不够精确的设备，打印出的物体还需要做大量昂贵的手工加工。
缅因大学的打印机使用的解决办法是把打印机的功能端——挤出油墨的喷嘴——悬挂在一个龙门架上。所谓的油墨是含有碳纤维的熔融热塑性树脂。在一台计算机的控制下，喷嘴水平移动 (与任何 3D 打印过程一样)，层层堆叠出要构建的物件。喷完一层后，喷嘴往上稍稍抬高，在其上喷涂另一层，直至完成整个物件。
而这可以很快完成。缅因大学的打印机能以每小时 70 公斤的速度喷出打印材料。目前，它可以制造长 30 米、宽 7 米、高 3 米的物体，但只要建造更大的龙门架就可以轻松地扩大打印尺寸。携带喷嘴的机械臂上还可以配备加工设备，例如能够磨掉任何表面瑕疵的自动铣头。
确定了工作原理之后，缅因大学正在寻求改变所用复合材料的性质，让整个过程变得更加环保。新英格兰的林业或许可以提供纤维素纤维，这种纤维可被加入「油墨」中来取代碳纤维。这是环保人士乐见的，因为碳纤维通常由油基材料制成。项目负责人之一哈比卜·达格尔 (Habib Dagher) 表示，目标是用包含 50% 木质产品的材料来打印。由此得到的复合材料会和铝一般轻且坚固。此外，随着研究的推进，该团队希望以每小时 230 公斤的速度堆叠这种材料。研究人员最近使用纤维素纤维和玉米制成的「树脂」打印了一个用于建造船顶的模具。为进一步加强环保，这个模具可以回收，材料循环利用。
只需按「打印」
橡树岭国家实验室的能源效率总监克雷格·布卢 (Craig Blue) 说，制造模具和生产工具将是大型 3D 打印的重要工作。工具制造很昂贵，原因有二。它需要专门的技能；工具生产往往是一次性的或产量很少，形成不了规模经济。但对于 3D 打印机来说，制造一件或许多件物品的成本无甚差别。
还有其他优点。例如，有承包商用橡树岭国家实验室的一套系统打印了一套造型独特的模具，用于给纽约布鲁克林一家老炼糖厂一栋 45 层建筑的外立面浇筑混凝土。这类模具通常由熟练的木匠用木头制成，可能只能浇筑三到四次，因此建筑商会消耗大量模具。但是，布卢博士说，由碳纤维增强塑料制成的 3D 打印版本能够使用至少 200 次。
橡树岭国家实验室也在研究直接打印混凝土结构的方法。从架设大型 3D 打印龙门架的实用性来看，打印摩天大楼和其他大型结构或许最好不要一次完成，而是拆分成较小的结构。先在工厂内的受控条件下打印完预制混凝土子单元，再到现场组装起来，这样会更适于建造复杂和艺术性的结构。清华大学的徐卫国及其同事就采用了这种方法。他们用一对机械臂喷出混有聚乙烯纤维的混凝土来打印预制件，然后将它们组装成一座 26 米长的人行桥，横跨在上海一个工业园区内的一个池塘上。
这座桥的原型是于公元 600 年左右建于河北洨河之上的安吉桥。这个复制品花了 450 个小时打印完毕。按缅因大学「船厂」的标准来看算是慢悠悠，但它的原型可是花了十年时间才建成，而即使是现代建筑工地通常也没有那么快。研究人员估计它的生产成本是用传统浇筑混凝土预制件建设类似桥梁的三分之二。
其他形式的 3D 打印也在扩容和提速。伊利诺伊州西北大学的查德·米尔金 (Chad Mirkin) 和同事们研发出了一种他们称之为高区域快速打印 (HARP) 的技术。其原型机可以制造出高四米、横截面近一平米的物体，方法是从一个灌满液态聚合物的浅池中「拔出」这些固态物件。
这台打印机扩大了一个现有的工业流程。该流程的起点是存放在一个容器中的液态聚合物。容器的底座是透明的，待构建的每一层的紫外线图像穿过底座投影到液体中。这触发了化学反应，让底座上方相应的一层聚合物迅速硬化，按投射的图像固化成实体。最高一层会附着在从上方探入液体的工具上。当工具升高时，它将物体提出液体池，在下方还可继续添加新的层。
HARP 带来的创新是让一层层薄薄的油在整个透明底座上流动。研究人员说，这种油的作用类似「液态特氟龙」。它可以防止聚合物层粘在底座上，也可以消除硬化过程中产生的热量。结果是这台打印机的运行速度大大超过从前能达到的水平。米尔金博士说，它能在几个小时内打印出一个成年人大小的物体。而使用这种方法的传统 3D 打印机需要两三天。
HARP 技术可以大规模打印各种各样的材料，包括几百种不同的聚合物——或硬或软或有弹性。它还可以打印含有碳化硅等材料的树脂，可以将其加工成经久耐用的耐热陶瓷。用所有这些材料制成的各种组件可能用于从汽车到飞机到建筑物的各种产品中。这个系统还可以进一步扩大规模，米尔金博士补充道。他与其他人联合创立了 Azul 3D 公司来将这项工艺商业化，预期第一台 HARP 打印机将在约 18 个月后上市。
重金属
3D 打印面临最困难的任务是打印大型金属物件。打印金属的主要方法是用激光或电子束熔化连续的金属粉末层。为防止金属粉末氧化及被空气中的杂质污染 (或更糟的情况是爆炸)，整个过程需要在装有一种惰性气体的密室内进行。将这个工序扩容难度很高且耗资巨大。
但金属打印也在创新。一种方法是部署大型机器人，让它们挥舞各种类型的 MIG 焊机。「MIG」意为金属惰性气体。MIG 焊机的工作原理是从焊枪的喷嘴中喷出由焊丝制成的消耗电极。焊丝的一端连接到电源，另一端连接到一个接地的工件上。当焊枪靠近工件时，在其表面和焊丝之间会形成电弧。电弧产生的热量使焊丝和旁边的金属熔化并熔合在一起。在此过程中焊枪会把一种惰性气体 (如氩气) 吹送到焊缝上方以施加保护。
焊枪要变成 3D 打印机，就需要机器人在同一个区域连续焊接，一层又一层地堆积金属。荷兰 3D 打印公司 MX3D 就用这种方法来打造各种金属物件，包括用铝打印的轻量自行车和横跨在阿姆斯特丹一条运河上的一座 12 米长的不锈钢人行桥——倒是都很适合荷兰这个创意先锋之地。
位于洛杉矶的「相对太空」公司 (Relativity Space) 正在用大型连续焊接机器人制造太空火箭部件 (见主图)。每个机器人上都有一根铝合金焊丝贯穿其手臂直达末端的打印头。打印头用高温等离子电弧熔化焊丝并将其分层沉积，同时向电弧周围吹送保护性惰性气体。
相对太空公司说，用 3D 打印的火箭比传统火箭造得更快，零部件更少。该公司雄心勃勃。它的第一批火箭将用于发射卫星，但它希望最终会用自己名为「星际之门」(Stargate) 的生产系统在火星表面打印火箭。当我们寻思 3D 打印有多大的能耐时，似乎天空都不是极限啊。
文章版权归原作者所有。
