打印计价秤

透明熔融石英玻璃作为一种不可或缺的重要材料，在现代社会中具备广泛应用价值。其卓越性能使得它在日常生活、科学和工业领域均发挥着重要作用。尽管熔融石英玻璃具备卓越的光学性能、热稳定性和化学耐久性等优异特点，但其高硬度和高脆性使得其可加工能性备受诟病。目前，传统熔融石英玻璃微结构制备工艺面临着流程复杂、成本高昂以及材料易碎等诸多挑战，并且在实现复杂三维（3D）结构方面仍然存在巨大困难。这给新型玻璃微纳米器件的开发、高效制造和在先进功能领域的应用带来了巨大的挑战。近年来，以3D打印/增材制造为代表的先进制造技术为玻璃加工行业带来了全新变革和重大突破。相较于传统的减材及等材成型工艺，这些新兴技术以数字设计和逐层累积为手段，成为赋予玻璃构件极高设计自由度和精确成型能力的强大工具，使得制造任意熔融石英玻璃三维结构成为可能。德国Karlsruhe理工学院科学家利用立体光刻（SLA）技术制备玻璃已取得重要突破（Nature, 2017, 544），成功实现了玻璃制品在质量、复杂度和精确度诸多方面的显著提升。这一里程碑式的进展也预示着通过3D打印技术制造具有出色光学性能的玻璃结构离普及更近了一步。随着时间的推移，全球范围内的研究者一直在不断努力提升玻璃打印技术的精确性。通过采用双光子飞秒激光直写（TPP-DIW）技术，实现了微纳米尺寸3D分辨率的玻璃结构的有效成形（Adv. Mater., 2021, 33）。然而，尽管立体光刻和双光子飞秒激光直写已分别实现了约50 μm和约100 nm的成型分辨率，并在宏观及纳观尺度上显著扩展了玻璃三维构件的应用领域，但由于3D打印技术在精度和效率方面存在固有矛盾，迄今为止，已有文献中报道的方法无法有效地制造出既具有毫米/厘米级尺寸又带有亚微米级特征的复杂玻璃三维结构。这一限制严重影响了该技术在微光学、微流控、微机械及微表面等先进领域上的应用。有鉴于此，香港理工大学3D打印中心温燮文教授联合香港大学机械工程系陆洋教授，在此前工作（Nat. Mater., 2021, 20, 1506）基础上更进一步，提出了一种通过摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）3D打印技术制备同时具有亚微米特征及毫米/厘米级尺寸的熔融石英玻璃三维构件的方法。研究者选择了聚乙二醇功能化的二氧化硅纳米颗粒（平均直径~11.5 nm）胶体和两种丙烯酸酯作为聚合物前驱体，保证二氧化硅纳米颗粒良好的相容性和分散性。结合面投影微立体光刻3D打印灵活地创建具有复杂的三维亚微米结构的高性能透明熔融石英玻璃，其分辨率、构建速度及成型幅面均超越了目前大多数其他3D打印玻璃技术几个数量级。 图1：通过面投影微立体光刻3D打印所得透明熔融石英玻璃。（a）面投影微立体光刻3D打印示意图，呈现了打印所得熔融石英玻璃制成微缩维多利亚港的光学和电子显微镜图像。（b）复合纳米前驱体的各化学组分。（c）面投影微立体光刻3D打印透明熔融石英玻璃微透镜阵列在高温环境下展示了出色的稳定性。（d）4 × 6阵列的透明熔融石英玻璃蜂窝结构的光学和电子显微镜图像，其中央的细长悬线具有亚微米级别尺寸。（e）该方案所制备的熔融石英玻璃在分辨率及成型速度上的关系图，及与已报道的其他同类技术的比较。 图2：面投影微立体光刻3D打印所得具有多尺度临界特征的透明熔融石英玻璃多层级点阵。（a）多层级点阵结构；（b）多层级点阵网络；（c & d）单个多层级点阵胞元；（e）多层级架构；（f）基础点阵；（g & h）基础杆件及其具备的亚微米特征。尺寸跨度由mm逐步减少到nm，接近5个数量级。利用面投影微立体光刻3D打印透明熔融石英玻璃微透镜阵列，其具有亚纳米级别的表面粗糙度（Ra≈0.633 nm）。同时，研究者展示了通过3D打印制造的熔融石英玻璃微透镜阵列在成像方面的出色能力，具备优良的均匀性、清晰度、对比度和锐度。 图3：面投影微立体光刻3D打印的具有亚纳米级别表面粗糙度的熔融石英玻璃微透镜阵列。单个透镜的高精度光学显微镜图像，方框区域显示了白光干涉共聚焦显微镜测试结果，沿XY方向均能实现亚纳米级别表面粗糙度，以此制备高均匀性、高清晰度、高对比度和高锐度的微透镜阵列。面投影微立体光刻3D打印技术赋予了熔融石英玻璃微流体器件高精度、简化工艺、高直视性、大结构尺寸及复杂三维设计自由度，进一步展现出该器件出色的液滴/流体操控能力。 图4：面投影微立体光刻3D打印具备超疏水性能的仿生三维熔融石英玻璃微表面结构，以及具有Y型流道的免键合三维熔融石英玻璃微流控芯片。超疏水仿生三维熔融石英玻璃微表面展现了极佳的液滴黏附能力（即“花瓣效应”），即使在翻转180°后仍能牢固锁住液滴；在免键合Y型流道三维熔融石英玻璃微流控芯片，由于表面张力占主导，两种流体呈现了不互溶的“层流”现象。该工作进行于香港城市大学深圳研究院纳米制造实验室，相关成果以“One-photon Three-dimensional Printed Fused Silica Glass with Sub-micron Features”为题发表于国际期刊《自然通讯》（Nature Communications）上，课题组2020级博士研究生黎子永为该论文第一作者。在该研究中，熔融石英玻璃三维微纳样品由摩方精密2 μm精度的nanoArch P130超高精密3D打印系统制备。相关技术已申请专利，后续将与摩方精密合作进行商业化应用。

据著名投资网站Seekingalpha刊登署名为克里斯弗兰戈尔德(Cris Frangold)的评论文章称，3D打印技术已经成为目前最热门的新技术之一，其中3D生物打印技术发展潜力非常巨大，预计未来几年将实现快速成长和创造大量收入。　　面向医学研究和医疗设备的3D人体组织开发商和制造商Organovo Holdings正在同云设计和技术软件厂商Autodesk合作开发首款生物打印3D设计软件。　　这款软件将与Organovo的NovoGen MMX生物打印机配套使用，这表明人类在提高3D人体组织设计的可用性和功能上向前迈出了重要一步，有可能拓展生物打印用户的数量。Organovo的3D生物打印技术可以创造3维人体组织，从结构上纠正和构成人体细胞。利用这种方式创造出来的组织可以想原生的人体组织一样发挥功能，这也为先进药物发现和开发提供了机会，未来还有可能应用于临床治疗和组织移植。　　Autodesk致力于开发人机互动、计算机图形和数字设计等最先进的技术。它打算将其技术拓展应用到设计和模拟分子和人体系统的软件开发之中。　　3D生物打印是什么?　　Organovo正在探索利用可以生产机体组件的材料来打印人体组织以及利用计算机化可适应制造工艺进行人体组织移植的新途径。定制样品和成品是利用廉价3D计算机打印机生产出来的。这些医学打印机并不使用挤压成型的塑料、金属或陶瓷材料，而是使用活体细胞材料。这种工艺被称作快速生物打印。它是对我们所熟悉的传统喷墨式打印机采用的标准技术的创新应用。这些打印机可以创造出任何形状的组织结构，比如血管、小块皮肤和肌肉等等。　　Organovo和Autodesk之间的协同作用　　这两家公司有很大的合作潜力。Organovo的NovoGen MMX Bioprinter是一种全新的、全自动化(定制图形用户界面)、专为满足生物研究和生物打印的各种需求而开发的软硬件平台。从硬件的角度来说，它是一种强大的工具，使用了最新的技术，但是它运行在目前最新的软件平台之上。科学家们每次想要使用打印机时，都必须从头编写相关的软件，这意味着科学家们要花大量的时间去调试软件，而不是进行技术研究。　　Autodesk已经成为很多专业化设计领域的领军厂商，可能在过去的20年里被开发出来的所有产品都是利用Autodesk的软件开发出来的，但是这将是它第一次去开发能够创造活体事物的软件。未来5年内实现的第一款应用很可能会是准备用于临床试验的简单组织。与此同时，Organovo希望通过生产能够被用于药品研究、发现和开发的活体组织获得一个稳定而且可持续的创收源泉。　　了解3D生物打印技术的发展潜力的最好办法就是对比研究其他技术的演变历程，那些技术可能在20年前完全是不可想象的。虽然技术不同，但是还是能够说明问题的，比如最典型的例子就是平板电脑和智能手机的发展历程。推动平板电脑和智能手机技术发展的主要动力可能是消费者需要一种多功能的、价格低廉的、实用性强的便携式设备。微软在2002年率先推出商业化平板电脑Microsoft Tablet PC，但是并未获得微软所希望的成功。8年后，苹果在2010年推出iPad，这才打破了技术上的壁垒。如今，平板电脑已经在全球市场畅销，预计它的销量很快就会超过笔记本电脑。　　3D打印技术的开发已经成为当今最热门的新技术之一。3D打印技术最早可追溯至1984年。这种技术按照摩尔定律不断向前发展，同时成本则在不断下降，逐步降低到主流公司能够使用3D打印机的程度。在过去的2年里，3D打印领域的市场领先者3D Systems和Stratasys一直是最热门的两家公司。3D打印公司近几年一直在迅猛发展。预计3D打印机是今年1月初召开的拉斯维加斯CES展会上风头最劲的话题。3D Systems的股票自今年年初以来已经上涨了15%。　　预计3D打印行业将在近几年实现快速成长和创造大量收入，因为越来越多的公司开始采用这种技术。如今，象福特、波音和通用电气那样的产业巨头都已经开始在它们的制造工艺中采用3D打印技术。　　据Autodesk副总裁布莱恩马修(Brian Mathews)称：“3D打印是重新设想制造工艺的一种方法。”福特公司利用3D打印技术提高了样品制造的速度和成本效率。同样，波音将3D打印技术应用到了军用飞机的组件制造之中。2012年11月，通用电气收购了曾对3D打印设备投入大量资金的工程技术公司Morris Technologies，它将专注于打印最新喷气式飞机引擎的各种组件。　　不难想象，人体组织3D打印技术很可能也会以类似的成长趋势发展下去。　　据致力于增加人体器官、眼睛和组织捐献工作的美国非营利性组织Donate Life America称：“虽然医学技术和捐献一直在发展，但是市场对人体器官、眼睛和组织的需求仍然远远大于捐献的数量。仅在美国，就有超过11.5万人正在等待器官移植。”　　CompaniesandMarkets.com是一家全球性的商业信息整合商，该公司旗下有很多专家分析师，他们编著了数百份市场研究报告。　　据一位名叫麦克金(Mike King)的专家称：“预计到2017年的时候，全球人造器官市场将达到200亿美元的规模，这主要是由于需要器官移植的病人的需求不断增长所推动的。另外，技术进步、成本下降、人口老龄化和捐献器官数量少也是造成未来几年内人造器官市场需求猛增的因素。”　　报告还指出，由于全球糖尿病患者超过了1亿人，预计人造胰腺将有很好的发展前景。人造器官的全球需求是由人造肾脏引发的。　　结论　　其他一些公司也在积极研究和开发组织重生和治疗技术，比如Tengion等，但它们使用的是传统的技术，而非生物打印技术 那些公司专注的重点都跟Organovo不同。3D打印技术可能还要较长的一段时间才能获利，尽管这个技术领域的投资风险很高，但是潜在回报可能非常巨大。　　但是，这个技术领域也有一些短期利好因素存在，比如从药品发现和开发中获得收入等。2010年，Organovo与Pfizer签订了一份合作协议，预计Organovo在2012年底之前可以从中获得45万美元的收入。后来它又在2011年10月与United Therapeutics达成了一项为期30个月的合作，Organovo将利用其生物打印技术进行与肺动脉高压治疗有关的研究。Organovo已经承认它从这项合作中获得了61.8万美元的收入。

本期话题：3D技术与中国制造业　　话题背景　　继上期之后，我们再次谈及3D数字化与3D打印。这主要是因为，3D数字化与3D打印技术有可能帮助我们实现从“中国制造”向“中国智造”的快速迈进，使中国彻底摆脱长期处于制造产业链底端的尴尬局面。　　目前，全球正在兴起新一轮数字化、智能化制造浪潮。2012年，《经济学人》、《福布斯》、《纽约时报》等杂志都将3D 打印称为“第三次工业革命”，期望以此让制造业重新回流到欧美等西方发达国家。但笔者认为恰恰相反，3D打印相关技术将给新兴国家带来了更多机遇，将使制造业——尤其是制造业的上游产业链，进一步掌握在中国等新兴国家手中。　　在3D 打印技术领域，我们和国际相比虽然还有一定的差距，但已不太大。我国自20世纪90年代初开始追踪3D打印技术研究，目前已取得了一批基础研究和产业化成果，部分甚至处于世界领先水平。例如，北京航空航天大学、西北工业大学开展的金属熔敷成形技术研究，在国际上首次突破了钛合金、超高强度钢等难加工大型复杂整体关键构件激光成形工艺。目前在北京、西安、武汉等地，紧跟国外也都相继开设了3D照相打印馆。　　然而，与国外相比，国内的产业规模化程度不高。现在市场上无论3D扫描还是3D打印，无论高端还是低端，大部分都是国外的产品。因此，3D数字化和3D打印在我国还有着巨大的发展空间和机遇。　　3D数字化设备和软件系统的产业化机遇　　作为3D打印的前端和上游产业链，3D数字化扫描是一项关键技术。因为对于家庭的日常3D打印任务而言，最重要的一个环节是进行全(半)自动的数字化建模。　　目前国内的3D扫描设备在采集质量和速度上和国外的同类产品相差不大，价格却仅为四分之一左右。然而在市场化和产业化上仍有明显差距，大部分产品都出自小型公司，尚未形成有影响力的品牌。这方面有待于政府和商业机构进一步加大支持和投入，待时机成熟，完全可以使国产3D扫描设备占据绝大部分国内市场甚至国际市场。　　特别值得指出的是，在3D数字处理软件方面，我国与国外的差距仍然较大。实际上，待3D硬件设备成熟之后，国际3D打印市场的核心竞争将转移到相关的配套软件上来。目前国内的3D扫描厂商大多直接采用国外的大型成熟商业软件，如美国的Geomagic Studio等。原因在于3D数字处理软件的研发需要巨额的资金投入和长期的技术积累，目前国内的小型公司难以承受研发风险及可能的知识产权侵权风险。　　但从长远来看，拥有国产化的3D数字处理软件是十分必要的，且是可行的。目前国内的科研单位(如中国科学院、浙江大学、清华大学等)已基本解决了相关的技术难点，只是没有资金实力形成功能完整的大型软件系统。　　当前，3D打印的主要矛盾在于有限的打印设备精度和用户期待的理想打印结果间的出入。而通过对3D数字形状进行智能算法研究将有效地缓解这一矛盾。比如，可对3D形状的频域特征空间进行智能化分析，优化生成最匹配于当前打印机精度的3D数字化模型。目前国内科学家在该领域开展的多项突破性研究工作将有望转换成巨大的生产力。　　建立“中国智造”产业生态圈　　我国要完成向“中国智造”产业模式的转变，关键要形成一大批能够以3D产品创意设计、生产加工为职业的群体，建立完善良性循环而非恶性竞争的创新生态圈，这方面可借鉴美国Shapeways和Quirky公司的设计、制造、销售全产业链模式。为支持设计人员去原创自己的风格，摆脱低水平仿造、低水平收入的恶性循环，需要国家出台相关的知识产权保护法案，以及提供政策上的支持(如建立类似于Kickstarter的融资平台)。　　此外，我国还须进一步加强产业创新人才的教育和培训，整体提升国人的动手能力和DIY兴趣。　　目前，商业化高端3D打印设备的定价权掌握在国外少数几家公司手中。这些高端设备售价非常昂贵，而国内尚缺乏相关的替代品，因此极大地增加了3D打印行业的运营成本。　　可喜的是，我国目前在高端3D打印设备的制造技术上与国外差距不大，在某些方面甚至有所超越。因此，加强我国在3D打印关键技术的研发，如设备和功能材料的制备、智能控制问题的解决、激光器/喷嘴等核心元部件的研制等，并进行商业化生产销售，对市面上的国外同类产品进行价格上的有效制衡，是支撑“中国智造”模式的前提和保障。　　要打印一件3D物品，目前技术上还没有一套全自动的解决方案，仍需要大量复杂的智力和手工劳动，如3D形状的数字化扫描过程、数字产品的创意设计、3D打印产品的清理和抛光上色等。在欧美等发达国家，由于人工费用非常昂贵，导致设计和打印一件3D产品价格不菲。　　以一家国外3D照相馆为例，一个6英寸的全彩雕像成本价约为2493元人民币。这个价位在国内几乎没有可行性。而在国内，可以使用国产的智能扫描设备，经设计师的创意加工之后，再采用低成本的单色材料，并利用低成本的单色3D打印机将模型打印出来，最后雇用极具价格优势的美工流水线进行手动上色，全部成本在“中国智造”模式下可控制在100元人民币以内。　　因此，即使在由“批量生产”转向“批量定制”的时代，以3D打印为代表的第三次工业革命仍有很大希望在中国落地生根，形成“中国智造”的新模式，而不是制造业回流到欧美。数字化、智能化技术将深刻改变传统行业的产业模式，将为我国制造业的转型发展带来前所未有的机遇。