纳米级的3D打印机会有什么用处

优点

1） *** 作环境干净、安全可在办公室环境下进行。

2）工艺干净、简单、易于材作且不产生垃圾。

3）尺寸精度较高，表面质量较好，易于装配，可快速构建瓶状或中空零件。

4）原材料以卷轴丝的形式提供，易于搬运和快速更换。

5）材料利用率高。

6）可选用多种材料，如可染色的ABS和医用ABS、PC、PPSF、浇铸用蜡和人造橡胶。

缺点

1）精度较低，难以构建结构复杂的零件。做小件或精细件时精度不如SLA。

2）与截面垂直的方向强度小。

3）成形速度相对较慢，不适合构建大型零件。

4）只能打印简单材料的物品。常见的3D打印机都只能打印一、两种耗材，复合材料的物品无法打印。即使可打印的材料，其强度、韧性和颜色等指标也经常达不到实用要求。

无可否认，3D打印的前景是非常大的，但面对这如此多局限性，桌面级3D打印机发展的道路还很遥远，有待时间的进一步考验。

应用领域

比较适合于家用电器、办公用品以及模具行业新产品开发，以及用于假肢、医学、医疗、大地测量、考古等基于数字成像技术的三维实体模型制造及创新设计等方面。

3D打印——改变世界格局源动力

随着人类社会的发展以及文化、艺术、生产工具和技术的进步，经济不断向前发展。在几千年的历史长河中，中国以其卓越的文明遥遥领先于世界各国，特别是经济实力尤为突出。从英国人安格斯·麦迪森所著《世纪经济千年史》我们可以看出，中国经济总量占世界经济的比重，公元1000年为22.7%，公元1500年为25%，公元1600年为29.2%，东方文明领先于西方世界。

然而这一格局在17世纪以后发生了根本的变化。随着资本主义制度在英国的确立，蒸汽机开始应用于生产领域，机器生产代替手工生产，整个世界从“手工业时代”跨入“蒸汽时代”，第一次工业革命拉开大幕，极大地推动了欧洲各国的经济发展。由于生产方式的改变，生产能力得到大幅提高，国内市场无法及时消化日益增长的商品生产，于是英、法、德、意、荷等资本主义国家纷纷向亚、非等其他各洲拓展殖民地，寻找新的市场与原料供应地。显然以英、法、德、意、荷为代表的欧洲文明已经赶上并超过亚洲，从而形成东方从属于西方的局面，可谓制造改变世界格局。最具实质性的变化是在第二次工业革命到20世纪中叶。1870年以后，由于电力的广泛应用，世界由“蒸汽时代”迈向“电气时代”，科学技术的发展突飞猛进，各种新技术、新发明层出不穷，并被迅速应用于工业生产，大大促进了世界经济的发展。特别是美国的崛起，足以说明制造业对一个国家有着重要的作用。18世纪末，美国独立以后仿效英国走工业化现代化的道路。由于英国自伊丽莎白时代开始, 制造业得到国家的鼓励, 商业势力开始向全球扩展。法国在路易十四统治时期, 工商业取得了长足的进步, 西班牙、葡萄牙在世界各地抢占大量商业据点, 连俄国与土耳其等国家也在发展商业与制造业。这是一个时代的潮流。因此, 美国意识到只有致力于工商业发展, 特别是制造业的发展与使用机器，美国才能跻身于世界大国的行列。基于这种理念，美国大力发展制造业。19世纪上半叶, 美国最主要的发展是创立新的工厂体制。它把原来的一些分散的制作过程加以合并,实行新的分工, 而后将制造某种商品的所有工序集中在一个工厂, 置于统一的管理之下。经过一百余年的发展，到十九世纪末，世界金融中心由伦敦转移至纽约，美国成为世界上最发达的国家，世界第一经济大国。可以说制造业不仅改变着世界格局，而且其发展水平决定着一个国家的发达程度。如美国68%的财富来自于制造业，国民总产值的49%是由制造业提供的。我国自改革开放以后制造业得到迅猛发展，2011年，我国高技术制造业年总产值达9.2万亿元，约占我国GDP比重19.51%，加工贸易出口总产值达8354亿美元，约占我国GDP比重为11.2%。制造业的发展不仅为老百姓的日常生活提供了保障，也为提升我国的综合国力奠定了基础。

自2008年美国金融导致的全球经济危机爆发以来，世界经济似乎始终都未走出低谷，尽管期间也曾多次试图反d，但最终仍因后劲不足而增长乏力。历史经验反复证明，在全球经济陷入衰退之时，正是新经济萌芽和新技术诞生之时。全球经济之萎靡不振，表明传统的生产关系已经严重阻碍了生产力的发展，变革将成为生产关系新的动力。

今年以来，对第三次工业革命的探讨达到高潮。美国学者杰里米·里夫金称，互联网与新能源的结合，将会产生新一轮工业革命——这将是人类继19世纪的蒸汽机和20世纪的电气化之后的第三次“革命”。而英国《经济学人》杂志也指出，3D打印技术市场潜力巨大，势必成为引领未来制造业趋势的众多突破之一。这些突破将使工厂彻底告别车床、钻头、冲压机、制模机等传统工具，改由更加灵巧的电脑软件主宰，这便是第三次工业革命到来的标志。

3D打印技术属于一种非传统加工工艺，也称为增材制造、快速成型等，是近30年来全球先进制造领域兴趣的一项集光/机/电、计算机、数控及新材料于一体的先进制造技术。与切削等材料“去除法”不同，该技术通过将粉末、液体片状等离散材料逐层堆积，“自然生长”成三维实体，该技术将三维实体变为若干二维平面，大大降低了制造复杂程度。理论上，只要在计算机上设计出结构模型，就可以应用该技术在无需刀具、模具及复杂工艺条件下快速地将设计变为实物。该技术特别适合于航空航天、武器装备、生物医学、模具等领域中批量小、结构非对称、曲面多及内容结构零部件（如航空发动机空心叶片、人体骨骼修复体、随形冷却水道）的快速制造，符合现代和未来的发展趋势。

3D打印技术的起源与发展

3D打印技术的核心制造思想最早起源于美国。早在1892年,J.E.Blanther在其专利中曾建议用分层制造法构成地形图。1902年，Carlo Baese的专利提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理。1904年，Perera提出了在硬纸板上切割轮廓线，然后将这些纸板纸板粘结成三维地形图的方法。20世纪50年代之后，出现了几百个有关3D打印的专利。80年代后期，3D制造技术有了根本性的发展，出现的专利更多，仅在1986-1998年间注册的美国专利就有24个。1986年Hull先生发明了光固化成型(SLA，Stereo lithography Appearance )，1988年Feygin发明了分层实体制造，1989年Deckard发胆了粉末激光烧结技术( SLS,Selective Laser Sintering)，1992年Crump发明了熔融沉积制造技术(FDM,Fused Deposition Modeling )，1993年Sachs先生在麻省理工大学发明了3D打印技术。

随着3D打印专利技术的不断发明，相应地用于生产的设备也被研发出来。1988年美国的3D Systems公司根据Hull的专利,生产出了第一台现代3D打印设备——SLA-250（光固化成形机），开创了3D打印技术发展的新纪元。在此后的10年中，3D打印技术蓬勃发展，涌现出了十余种新工艺和相应的3D打印设备。1991年Stratasys的FDM设备、Cubital的实体平面固化（SGC,Solid Ground Curing）设备和Helisys的LOM设备都实现了商业化。1992年DTM（现在属于3D Systems公司）SLS技术研发成功。1994年德国公司EOS推出了EOSINT选择性激光烧结设备。1996年3D Systems公司使用喷墨打印技术制造出其第一台3D打印机——Actua 2100。同年Z Corp也发布了Z402 3D打印机。总体而言，美国在设备研制、生产销售方面占全球主导地位，其发展水平及趋势基本代表了世界的发展水平及趋势。欧洲和日本也不甘落后，纷纷进行相关技术研究和设备研发。当时虽然台湾大学拥有LOM设备，但台湾各单位及军方的引进安装4SL系列设备，香港生产力促进局和香港科技大学、香港理工大学、香港城市大学等都拥有RP设备，其重点是有关技术的应用与推广。

邓小平同志说，科学技术是第一生产力。3D打印技术作为目前最为先进的一种制造方式，也代表了目前全球最前沿的科学技术。党和国家历来重视科技产业的发展。在上世纪80年代中期，党中央、国务院就提出了实施了高技术研究发展计划，对中国未来经济和社会发展有重大影响的生物技术、信息技术、自动化技术、新材料技术、激光技术等众多领域，确立了15个主题项目作为突破重点，以追踪世界先进水平。在这种形势下，1994年作为国内第一家从事3D打印的北京隆源自动成型有限公司成立，公司注册资金200万美元，专门进行快速成型设备的研发和销售，并于当年成功制造了中国第一台SLS快速成型设备——AFS-360。这种设备以聚丙烯（PP）、塑料粉末（PS）等为原材料，用于生产假牙、高尔夫球杆球头、头骨等。

3D打印技术与装备水平

在装备的研发方面，德国、美国和日本在该领域处于世界领先水平，并已形成了多家专业化和规模化研制和生产3D打印设备的知名企业，如德国EOS、美国3D Systems以及日本CMET公司。3D Systems公司生产的SLA装备在国际市场上占最大比例。该企业自1988年以来相继推出了SLA-250、250HR、3500、5000、7000以及Viper Pro System等SLA装备（最大形成空间达到1500×750×550mm）其主要技术优势为装备使用寿命长（5000小时以上），成形精度高（层厚可达0.025mm），成形效率高。日本的Denken工程公司和Autostrade公司打破SLA装备使用紫外线光源的常规，率先使用680nm左右波长的半导体激光器作为光源，大大降低了SLA装备的成本。在SLS装备方面，德国EOS公司和美国3D Systems公司是世界上该技术的主要提供商。成形材料由早期的高分子材料拓展至金属、陶瓷等功能材料，成形精度约为0.1-0.2mm，成形空间逐渐增大，最大台面超过500mm。在金属直接3D打印方面，世界范围内已经有多家成熟的装备制造商，包括德国EOS公司（EOSING M270）、美国MCP公司（Realizer系列）、德国Concept laser公司（M Cusing系列）。瑞典Acram公司的EBM装备也占有重要地位。

北京隆源公司自1994年研制成功第一台激光快速成型机开始，便倾力开发选区激光粉末烧结（SLS）快速成型机，同时致力于快速原型的应用加工服务。先后推出了AFS-360、500、laserCore5100、5300、7000等型号的SLS装备（最大成形空间为1400×700×400mm），目前拥有110多家设备用户及100多家加工服务用户，市场主要集中在航空航天、汽车制造、军工和铸造行业等。作为公司总经理的冯涛，毕业于清华大学，曾任职于清华大学高分子材料研究所，具有较好的高分子材料和激光光学理论知识和实践经验，是我国最早从事激光快速自动成型技术研究的专家之一。他对于3D打印技术的应用与材料有着很深的造诣。早在1995年他就提出将SLS应用于快速精密制造。与其他3D打印机技术相比，SLS最突出的优点在于它所使用的成型材料十分广泛。从理论上说，任何加热后能够形成原子间粘结的粉末材料都可以作为SLS的成型材料。目前可成功进行SLS成型加工的材料有石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末和它们的复合粉末材料。由于SLS成型材料品种多、用料节省、成型件性能分布广泛，适合多种用途以及SLS无需设计和制造复杂的支撑系统，所以SLS的应用越来越广泛。在他的带领下，隆源公司成功研制出铸造熔模、蜡模压型及铸造型壳等复杂工艺制作方法，后来又研制出聚苯乙烯粉末、资材料在3D打印中的应用方法，如今冯涛又着手研究金属粉末在SLS技术中的应用，并取得了一定的成效。在他看来，实现使用高熔点金属直接烧结成型零件，对用传统切削加工方法难以制造出高强度零件对3D打印技术更广泛的应用具有特别重要的意义。SLS成形技术在金属材料领域中研究方向应该是单元体系金属零件烧结成型，多元合金材料零件的烧结成型，先进金属材料如金属纳米材料，非晶态金属合金等的激光烧结成型等，尤其适合于硬质合金材料微型元件的成型。此外根据零件的具体功能及经济要求来烧结形成具有功能梯度和结构梯度的零件。随着对激光烧结金属粉末成型机理的掌握对各种金属材料最佳烧结参数的获得，以及专用的快速成型材料的出现，SLS技术的研究和引用必将进入一个新的境界。

广泛的应用领域

作为一项集光/机/电、计算机、数控及新材料于一体的先进制造技术，3D打印技术已广泛应用于航空航天、军工与武器、汽车与赛车、电子、生物医学、牙科、首饰、游戏、消费品和日用品、食品、建筑、教育等众多领域。可以预见的是，3D打印技术将更趋向于日常消费品制造、功能零件制造及组织与结构一体化制造的方向。

航空航天：航空航天产品具有形状复杂、批量小、零件规格差异大、可靠性要求高等特点，产品的定型是一个复杂而精密的过程，往往需要多次的设计、测试和改进，耗资大、耗时长，传统方法难以制造，3D打印技术以其灵活多样的工艺方法和技术优势而在现代航空航天产品的研制与开发中具有独特的应用前景。在国外3D打印技术很早就应用于航空航天领域。美国波音公司应用3D打印技术与传统铸造技术相结合，制造出铝合金、钛合金、不锈钢等不同材料的货舱门托架等制件；通用公司应用3D打印技术制造航空航天与船舶叶轮等关键制件；比利时Materialise公司的Mammoth激光快速成型系统，其一次性最大加工尺寸可达2200mm；在国内，北京隆源凭着自身的技术优势，我国航天部等部门及飞机制造公司提供直升机发动机、直升机机匣、蜗轮泵、钛机架、排气道（最大高度达到2800mm）、飞机悬挂件、飞轮壳等飞机零部件的生产服务。

军事工业：3D打印技术和传统制造技术相比，具有简单化，易 *** 作性等特点，特别是对于一些新材料的加工，成效尤为显著。比如铝合金一直是军事工业中应用最广泛的金属结构材料。铝合金具有密度低、强度高、抗腐性好，耐高温等特点，作为结构材料，因其加工性能优良，可制成各种截面的型材、管材、高筋板材等，以充分发挥材料的潜力，提高构件刚、强度。所以，铝合金是武器轻量化首选的轻质结构材料。美国军方应用3D打印技术辅助制造导d用d出式点火器模型，取得了良好的效果。在我国钛合金已经广泛应用于自行火炮炮塔、构件、装甲车、坦克、军用直升机等的制造。1999年，北京隆源自动成型有限公司利用3D打印技术，参与完成了若干项国家重点项目的开发研制任务，如：用于大推力火箭的液氧－煤油和液氧－液氢发动机；JS-Ⅱ型新式坦克的涡轮增压器，卫星陀螺仪框体；红外制导仪观测镜壳体等，进一步推动了我国军事工业的发展。

汽车制造：目前德国奥迪汽车公司（Audi）使用3D打印技术成功的KUKA机器人来制造的Audi RSQ汽车。随着我国汽车工业的发展，汽车产量的迅猛增长，但其中一些关键性零部件日趋复杂化、大型化和轻量化，要求零部件的整体化、集成化制造，采用模具进行翻砂制模的传统工艺，模具越来越复杂，活块数量也急剧增加，这些因素都制约了我国汽车工业的发展。为此，北京隆源公司总经理冯涛展开3D打印技术生产汽车发动机的研究。SLS是利用红外激光光束所提供的热量熔化热塑性材料以形成三维零件。加工开始时先将一层很薄(100μm～250μm)的热塑性粉末均匀地铺在工作平台上，辅助加热装置将其加热到熔点以下的温度，在均匀的粉末表面，计算机控制激光按照零件当前层的信息扫描，激光扫描到的地方粉末烧结形成固体，激光未扫描到的地方仍是粉末，可以作为下一层的支撑并能在成型完成后去除。上一层制作完毕后成型活塞下降一层，供粉活塞上升，用铺粉滚筒将粉体从供粉活塞移到成型活塞，将粉体铺平后即可扫描下一层。不断重复这个辅粉和选区烧结过程直到最后一层，这样一个三维实体就制作出来了。SLS最大特点一个是成型过程与复杂程度无关，因此特别适合于内部结构极其复杂的发动机缸体、缸盖、进排气管等部件；另一个重要的特点是成型材料广泛，特别是可以用铸造的树脂砂和可消失熔模材料成型，因此，可以通过与铸造技术结合，快速铸造出发动机的部件。SLS技术将快速成型与传统铸造技术有效结合快速制造复杂金属零件的技术。发动机的缸体、缸头一般都是铸造产品，利用快速铸造技术可以在很短时间内得到与最终产品材料一致、性能接近的发动机产品供测试与检验。冯涛认为，SLS技术与铸造技术结合，衍生出快速铸造技术，其工艺特征是简捷、准确、可靠和具有延展性，可有效地应用于发动机设计开发阶段中样机的快速制造。其适合单件和小批量试制和生产的特点，可迅速响应市场和提供小批量产品进行检测和试验，有助于保证产品开发速度。其成型工艺过程的可控性，可在设计开发阶段低成本地即时修改，以便检验设计或提供装配模型。有助于提高产品的开发质量，其快速成型原材料地多元性，为产品开发阶段提供了不同地工艺组合，由于SLS原材料的国产化和成型工艺可与传统工艺有机结合，有助于降低开发成本，其组合工艺的快捷性，支持产品更新换代频次的提高，有助于推动产品早日进入市场。利用3D打印技术，为汽车制造商生产发动机缸体、缸盖、变速箱壳等，不仅制造速度快而且精度高，从而使得汽车复杂零部件制造变得数字化、精密化、柔性化、绿色化。如今，国内众多的高铁、动车、地铁的发动机都有隆源的产品。

生物医药：目前3D打印技术也被应用到生物医药方面，包括骨骼、牙齿、人造肝脏、人造血管、药品制造等。在生物制造方面，欧美等发达国家研究较多、范围较广且已经取得临床应用：在美国利用SLA制造技术，使用生物相容树脂可以制作医用助听器、眼睛水晶体模型、人工牙齿等；在意大利利用SLA制造技术制造了人体骨骼修复体。1998年，北京隆源公司与北京大学口腔医院合作，由口腔医院将患者的CT扫描数据从CT工作站经Magics软件处理后传输至PC机上 ,以标准格式(Dicom 格式)刻录存储 ,提供给北京隆源公司，北京隆源公司利用开发研制AFS-320型快速成型机, 采用选区激光粉末烧结法 ,原料为聚苯乙烯粉末 ,制作成实体模型,医治颧上颌骨骨纤维异常增生症，取得了很好的疗效，同时在陈旧性颧骨颧弓粉碎性骨折的治疗，临床应用结果表明治疗效果良好。

重要的战略意义

3D打印技术有着广

背景

目前，以硅为代表的传统半导体材料正在面临严峻挑战。通过原理创新、结构改善、工艺进步，科研人员很难再大幅度提升硅基半导体器件的总体性能。“后摩尔时代”已经悄然到来。作为有望取代硅基半导体材料的新一代半导材料，近年来二维半导体的研究进展迅猛。

石墨烯凭借机械强度高、导电导热性好、轻薄、柔性、透明等优势，一度被誉为“新材料之王”，也让二维材料成为了备受瞩目的热点。遗憾的是，石墨烯中独特的碳原子排列，虽然有利于电子轻松地高速流动，但也使之不适合作为半导体。石墨烯没有带隙，无法选择”打开“或者”关闭“电流，而这种二进制开关机制正是现代电子器件的基础。

不过除了石墨烯之外，越来越多的二维材料被人类发现并研究，其中也不乏可以作为半导体的二维材料，例如过渡金属硫族化合物、黑磷等。科学家们已经通过这些二维材料创造出诸多半导体器件，例如：

然而，在二硫化钼（MoS2）为代表的二维半导体器件的制造工艺中，采用电子束光刻技术，将金属电极纳米刻画到这种原子级二维材料的层上，目前会产生一些问题，导致“非欧姆接触”与“肖特基势垒”。

创新

近日，美国纽约大学工学院化学与生物分子工程系教授 Elisa Riedo 领导的团队，报告了原子级薄度处理器制造工艺中的一项重要突破。这一发现不仅将对纳米芯片制造工艺产生深远影响，而且也将鼓舞全世界各个实验室中 探索 将二维材料应用于更小更快的半导体的科学家们。

团队将他们的科研成果发表在最近一期的《自然电子学（Nature Electronics）》期刊上。

技术

他们演示的这种刻蚀技术，采用了加热至100摄氏度以上的探针，超越了在二硫化钼等二维半导体上制造金属电极的普遍方法。科学家们相信，这种过渡金属属于有望替代硅应用于原子级微型芯片的材料。团队开发的新制造方法，称为“热扫描探针刻蚀技术（t-SPL）”，相比于目前的电子束光刻技术（EBL）具有一系列优势。

价值

首先，热刻蚀技术显著提升了二维晶体管的质量，抵消了肖特基势垒。肖特基势垒阻碍了二维衬底与金属交界处的电子流动。其次，不同于EBL，热刻蚀技术使芯片制造者可轻松获取二维半导体图像，然后在期望的位置刻画电极。再次， t-SPL 制造系统有望显著减少初始投入以及运营成本：它们通过在一般环境条件下的运作大幅降低功耗，无需生成高能电子以及超高真空。最后，这种热加工方法很容易通过采用“并行”的热探针来扩展，从而应用于工业生产。

Riedo 表示，她希望 t-SPL 将许多加工过程带出稀缺的净室，带入个人实验室。在净室中，研究人员们必须为这些昂贵的设备争取时间；而在个人实验室中，他们将迅速地推进材料科研与芯片设计。3D打印机这个先例，就是一个很好的类比。有朝一日，这些低于10纳米分辨率的 t-SPL 工具，在普通环境条件下，依靠标准的120伏电源运行，将遍及像她的实验室一样的各个研究实验室。

参考资料

【1】https://engineering.nyu.edu/news/breakthrough-reported-fabricating-nanochips

【2】https://www.nature.com/articles/ncomms8702

【3】Xiaorui Zheng, Annalisa Calò, Edoardo Albisetti, Xiangyu Liu, Abdullah Sanad M. Alharbi, Ghidewon Arefe, Xiaochi Liu, Martin Spieser, Won Jong Yoo, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Carmela Aruta, Alberto Ciarrocchi, Andras Kis, Brian S. Lee, Michal Lipson, James Hone, Davood Shahrjerdi, Elisa Riedo. Patterning metal contacts on monolayer MoS2 with vanishing Schottky barriers using thermal nanolithography . Nature Electronics, 20192 (1): 17 DOI: 10.1038/s41928-018-0191-0

---