世界頂級(jí)學(xué)術(shù)雜志nature、science上的3D打印技術(shù)

《自然（nature）》雜志和《科學(xué)（science）》雜志是在學(xué)術(shù)界享有盛譽(yù)的國(guó)際綜合性科學(xué)周刊，發(fā)布的都是科學(xué)世界中的多次重大發(fā)現(xiàn)、重要突破和科研成果。而3D打印作為近些年的熱門技術(shù)，眾多研究團(tuán)隊(duì)在nature、science發(fā)表過(guò)非常多的科研成果（貌似從事3D打印技術(shù)發(fā)表頂級(jí)論文，存在很多的機(jī)會(huì)）。下面，南極熊匯總在nature、science雜志上發(fā)表的部分3D打印技術(shù)論文。他們都可能引發(fā)3D打印領(lǐng)域的重大變革。

《science》封面：革命性CLIP技術(shù)令3D打印速度提高100倍
2015年，UNC-Chapel Hill的研究人員在《科學(xué)》(Science)雜志上介紹了這種名為CLIP的新工藝，將其描述為“連續(xù)液態(tài)界面生產(chǎn)”， CLIP可以在相對(duì)很短的時(shí)間里打印出順滑的復(fù)雜物品，而且可以使用更多的材料來(lái)打印物品。

在CLIP工藝中，一個(gè)投影機(jī)從下方用紫外線顯示連續(xù)的、極薄的物品橫截面。紫外線在一缸液態(tài)樹脂中以橫截面方式硬化液體。與此同時(shí)，一臺(tái)升降機(jī)不斷將成形的物體撈出樹脂缸。CLIP打印機(jī)的關(guān)鍵之處位于樹脂缸的底部：那里有一個(gè)窗口讓氧氣和紫外線通過(guò)。因?yàn)檠鯕饪梢宰璧K固化過(guò)程，缸底的樹脂連續(xù)形成一個(gè)“死區(qū)”，不會(huì)固化。而這個(gè)“死區(qū)”非常之薄，只有幾個(gè)紅細(xì)胞那么厚。因此紫外線可以通過(guò)，并固化其上方?jīng)]有接觸氧氣的樹脂。不會(huì)有樹脂粘在缸底，而打印速度變得非�？�，因?yàn)樗�不是在空氣中，而是在樹脂里打印的（在空氣中打印，由于氧氣存在，固化速度就�?huì)減緩）。當(dāng)打印機(jī)撈起成形的物品時(shí)，吸嘴會(huì)往缸底添加低氧樹脂。

CLIP不僅大大加快了固化過(guò)程，同時(shí)也能打印出更順滑的3D物品。這種工藝不是等待3D物品一層層地固化，而是采取了連續(xù)打印的方式，制作出來(lái)的物品可以和注塑零件媲美。 CLIP的發(fā)明者還表示，他們可以生產(chǎn)更精細(xì)的物品——小于20微米（和丙烯酸纖維一樣厚）——而且可以使用彈性材料，以及某些生物材料。

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Nature（封面文章）：3/4D打印陶瓷及高熔點(diǎn)材料原理、工藝及應(yīng)用
呂堅(jiān)研究組的這種打印技術(shù)采用復(fù)合彈性體陶瓷材料，完成了從3D打印到結(jié)構(gòu)可變形的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了陶瓷折紙結(jié)構(gòu)的打印和4D陶瓷打印。他們采用成本較為低廉的“墨水直寫技術(shù)”，用二氧化鋯納米顆粒摻雜的聚二甲基硅氧烷復(fù)合材料，構(gòu)建出3D彈性體結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)柔軟且具有彈性，可拉伸至超過(guò)本身3倍的長(zhǎng)度，并可使用金屬絲讓其折疊變形，形成蝴蝶、悉尼歌劇院、玫瑰、裙子等折紙結(jié)構(gòu)。

研究人員利用這種柔性特質(zhì)設(shè)計(jì)出一種自動(dòng)拉伸裝置，讓3D彈性體結(jié)構(gòu)的基底拉伸產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，在其上面打印出主結(jié)構(gòu)。當(dāng)預(yù)應(yīng)力釋放后，主結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生變形，從而形成4D打印所需的彈性體結(jié)構(gòu)，熱處理后可轉(zhuǎn)化為4D陶瓷。接著他們實(shí)現(xiàn)了陶瓷折紙結(jié)構(gòu)。3D打印的彈性體結(jié)構(gòu)可以在金屬絲的輔助下折疊變形，經(jīng)過(guò)熱處理彈性體轉(zhuǎn)化為陶瓷，然后金屬絲被硝酸銷蝕掉，最只剩下陶瓷結(jié)構(gòu)。

超納材料是用PVD做的，也是一種增材制造，來(lái)源于液態(tài)金屬或者金屬玻璃的材料。金屬玻璃是一種非常好的3D打印材料，但是最大的問題是太脆了，它和普通的玻璃是一樣的。經(jīng)過(guò)近幾年一系列的研究，我們?cè)诮饘俨ＡУ脑鲰g領(lǐng)域取得了很大的發(fā)展，發(fā)展了一系列的方法和新型材料。之前推出了一個(gè)新型的金屬材料家族，即超納材料，也在《Nature》雜志上獲得了中國(guó)結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域首篇封面文章，也是2017年中國(guó)科學(xué)家在《Nature》雜志上52個(gè)期刊里發(fā)表的唯一一篇封面文章。

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多波長(zhǎng)光源，同時(shí)3D打印多種光敏樹脂材料
威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的科學(xué)家開發(fā)出一種新型3D打印機(jī)，它擁有可見光和紫外光兩種模式，可以同時(shí)打印多種光敏樹脂材料。該方法利用多材料光固化空間控制（MASC）技術(shù)，在增材制造過(guò)程中根據(jù)不同的材料化學(xué)成分選擇不同的光源波長(zhǎng)。多組分光敏素包括具有相應(yīng)的自由基和陽(yáng)離子引發(fā)劑的丙烯酸酯和環(huán)氧化物基單體。

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納米成核劑+結(jié)晶，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度鋁合金
美國(guó)HRL實(shí)驗(yàn)室通過(guò)添加納米成核劑的方法，成功實(shí)現(xiàn)了Al7075、Al6061等高強(qiáng)度鋁合金的3D打印，并且打印成品強(qiáng)度和質(zhì)量都顯著提高，沒有出現(xiàn)開裂等情況。

TresaM. Pollock等人通過(guò)將納米顆粒作為成核劑與液體金屬混合來(lái)孕育晶種，從而實(shí)現(xiàn)在溫度梯度較大和凝固速度快的非平衡條件下晶體實(shí)現(xiàn)精細(xì)生長(zhǎng)，從而提高產(chǎn)品的性能。其打印出的鋁合金7075的強(qiáng)度可以達(dá)到400MPa以上，與鍛件的性能相當(dāng)。

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3D打印抗損傷結(jié)構(gòu)化“超晶體”
英國(guó)倫敦帝國(guó)理工學(xué)院（Imperial College London）的Minh-Son Pham等研究者使用晶體材料中發(fā)現(xiàn)的硬化機(jī)制，通過(guò)模擬晶體材料的微觀結(jié)構(gòu)（例如晶界、析出和相），通過(guò)3D打印制備出堅(jiān)固耐用且耐損傷的結(jié)構(gòu)化材料。此類晶體介觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所具有的自由度，也為研究金屬合金中復(fù)雜冶金學(xué)現(xiàn)象（如滑移）提供了替代方法。他們還表明，使用多晶材料制造晶格可得到多級(jí)結(jié)構(gòu)化材料，包含在介觀尺度結(jié)構(gòu)化晶格內(nèi)的原子晶格以及在類多晶介觀結(jié)構(gòu)內(nèi)的多晶微結(jié)構(gòu)。而且，這種材料的性質(zhì)可以通過(guò)微觀、介觀和宏觀尺度晶格的多種組合而輕松調(diào)控。

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低成本電化學(xué)多金屬4D打印ECAM
電化學(xué)增材制造（ECAM）是倫敦帝國(guó)理工學(xué)院（ICL）開發(fā)的低成本金屬制造的新方法。ECAM是一種基于電鍍?cè)�理的制造方法，通常用于為珠寶首飾添加更多有價(jià)值的金屬層。它使用帶電金屬離子的液體溶液作為原料，在與帶負(fù)電的銅床接觸時(shí)產(chǎn)生固體金屬層。如Wu博士所解釋的，用于該過(guò)程的常用材料包括“銅，鋅，鎳和錫”，盡管也可以使用合金�！盎�本上，”他補(bǔ)充道，“任何可以電鍍的金屬都可以用于ECAM工藝。”

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結(jié)合神經(jīng)干細(xì)胞技術(shù)，3D打印水凝膠植入物有望修復(fù)受損脊髓
加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校的工程團(tuán)隊(duì)和神經(jīng)科學(xué)團(tuán)隊(duì)開展了一項(xiàng)研究，通過(guò)3D打印植入物修復(fù)脊髓損傷患者的神經(jīng)連接和喪失的運(yùn)動(dòng)功能。3D打印植入物起到的作用是通過(guò)微通道結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)神經(jīng)干細(xì)胞和軸突沿著脊髓損傷的長(zhǎng)度生長(zhǎng)。在研究中使用的植入物是一種水凝膠結(jié)構(gòu)，它是研究人員通過(guò)3D打印技術(shù)創(chuàng)建的模仿中樞神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的支架，它們可以通過(guò)3D打印技術(shù)快速制造成不同的尺寸和形狀，以適應(yīng)患者脊髓損傷的精確解剖。

研究人員用神經(jīng)干細(xì)胞填充3D打印植入物/支架，然后將它們像缺失的拼圖一樣裝入脊髓損傷部位。3D打印支架就像橋一樣，將脊髓損傷一端的再生軸突與另一端連接并對(duì)齊。神經(jīng)軸突本身可以向任何方向擴(kuò)散和再生，但是支架使軸突保持整齊，引導(dǎo)它們朝正確的方向生長(zhǎng)以完成脊髓連接。

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使用FDM 3D打印機(jī)和聚合物打印出堅(jiān)固輕巧的結(jié)構(gòu)
當(dāng)需要堅(jiān)硬的輕質(zhì)材料時(shí)，例如在飛機(jī)，車輛和生物醫(yī)學(xué)植入物中，通常使用纖維增強(qiáng)聚合物結(jié)構(gòu)。盡管它們具有非常高的剛度和強(qiáng)度，但是這種輕質(zhì)材料需要能量和勞動(dòng)密集的制造工藝。此外，結(jié)果是易碎的，易于損壞并且難以成形和再循環(huán)。

研究人員的靈感來(lái)自于自然界中可以找到的兩種材料 - 蜘蛛絲和木材。蜘蛛絲通過(guò)絲蛋白沿纖維方向的高度分子排列獲得其無(wú)與倫比的機(jī)械性能。通過(guò)使用液晶聚合物（LCP）作為FDM原料，研究人員能夠再現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)。這種設(shè)計(jì)原理的靈感來(lái)自于木材等，它們擁有根據(jù)生長(zhǎng)和適應(yīng)環(huán)境的應(yīng)力線排列纖維的能力。

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革命性高速“容積3D打印技術(shù)”
全球頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《Science》上刊登了一篇革命性“容積3D打印技術(shù)”文章（Volumetric additive manufacturing via tomographic reconstruction.PDF），光照幾十秒即可打印出一個(gè)完整的人像。

工作原理就像反向計(jì)算機(jī)斷層（CT）掃描一樣，在CT機(jī)中，X射線管在患者周圍旋轉(zhuǎn)，拍攝人體內(nèi)部器官的照片。然后，計(jì)算機(jī)再利用這些投影重構(gòu)出一幅3D畫面。在計(jì)算機(jī)模擬一個(gè)3D物體的情況下，研究人員從多個(gè)不同角度計(jì)算出物體的形狀，然后將由此產(chǎn)生的2D圖像輸入一臺(tái)普通的幻燈片投影儀。投影儀將圖像投射到一個(gè)裝著丙烯酸酯（一種合成樹脂）的圓柱形容器中。當(dāng)投影儀通過(guò)全方位覆蓋的圖像旋轉(zhuǎn)時(shí)，容器也以相應(yīng)的角度旋轉(zhuǎn)。加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的電氣工程師泰勒說(shuō)：“當(dāng)圓柱體旋轉(zhuǎn)時(shí)，任何接收到光量的位置都可以單獨(dú)控制。”“如果光的總量超過(guò)一定數(shù)值，液體就會(huì)變成固體�！�

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預(yù)測(cè)金屬3D打印缺陷形成的方法

在3D打印過(guò)程中，如果氣體被困在供給3D打印機(jī)的金屬粉末內(nèi)，可能會(huì)出現(xiàn)微小的氣穴。 這些地區(qū)具有瑞士奶酪般的結(jié)構(gòu)，密度較小，比周圍環(huán)境弱，可能導(dǎo)致裂縫和其他故障，來(lái)自卡內(nèi)基梅隆大學(xué)和美國(guó)能源部（DOE）阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究小組已經(jīng)確定了這些氣穴，并創(chuàng)建了一種預(yù)測(cè)氣穴形成的方法。

科學(xué)家們?cè)诿绹?guó)能源部科學(xué)用戶設(shè)施辦公室Argonne的先進(jìn)光子源（APS）上使用了極其明亮的高能X射線，拍攝了超高速視頻和激光融合（LPBF）過(guò)程的圖像，其中激光用于將材料粉末熔化并融合在一起。

激光掃描每層粉末熔化金屬，從字面上創(chuàng)造出從頭開始的成品。當(dāng)微小的氣穴被困在這些層中時(shí)，就會(huì)形成缺陷。這些缺陷會(huì)導(dǎo)致瑕疵，導(dǎo)致最終產(chǎn)品出現(xiàn)裂縫或其他故障。

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鄭小雨團(tuán)隊(duì)突破晶格局限3D打印壓電智能材料
位于美國(guó)東部的弗吉尼亞理工學(xué)院的Xiaoyu (Rayne) Zheng 鄭小雨教授及其實(shí)驗(yàn)室博士團(tuán)隊(duì)首次打破這一局限，提出可任意設(shè)計(jì)可快速打印的壓電三維材料，實(shí)現(xiàn)電壓在任意方向可被放大，縮小，及反向的特性。

他們的設(shè)計(jì)方案正來(lái)源于利用壓電效應(yīng)產(chǎn)生的晶格原理并打破晶格的局限性，通過(guò)三維幾何構(gòu)型在二維投影面的投影的分布，巧妙的設(shè)計(jì)出在各個(gè)方向具有不同壓電輸出的人工壓感結(jié)構(gòu) (圖1)。該設(shè)計(jì)理念巧妙的聯(lián)想于人們熟悉的影子木偶游戲。 該單元人工晶格結(jié)構(gòu)，通過(guò)排列組合，構(gòu)成了三維桁架式立體結(jié)構(gòu)。通過(guò)設(shè)計(jì)和機(jī)電耦合有限元計(jì)算，實(shí)現(xiàn)在三個(gè)坐標(biāo)方向上具有不同的對(duì)稱性從而產(chǎn)生任意壓電系數(shù)空間方向張量，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超過(guò)晶體本身的對(duì)稱分布。他們通過(guò)使用不同連接度的設(shè)計(jì)單元進(jìn)行組合， 還可使一完整結(jié)構(gòu)同時(shí)具有不同的剛度和強(qiáng)度特性，實(shí)現(xiàn)力電多功能壓電耦合材料。

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解決Carbon 3D致命缺陷，用兩個(gè)光源實(shí)現(xiàn)百倍速3D打印實(shí)體

以Carbon為代表的技術(shù)仍然存在一些缺陷，比如在打印實(shí)心物體的時(shí)候，打印速度將大打折扣。這主要是因?yàn)橐翰鄣撞康耐秆跄ぃ�所透過(guò)的氧氣量有限，固化抑制區(qū)域間隙只有一塊透明膠帶的厚度，所以如果打印實(shí)心物體時(shí)，樹脂無(wú)法快速的補(bǔ)充到間隙內(nèi)的所有位置。密歇根大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種新方法，可以彌補(bǔ)以Carbon為代表的光固化技術(shù)的缺陷，實(shí)現(xiàn)百倍速打印實(shí)體模型結(jié)構(gòu)。

他們使用兩個(gè)光源（分別為波長(zhǎng)365納米的UV LED和波長(zhǎng)為458納米的Blue DLP光源），其中一個(gè)光源對(duì)樹脂進(jìn)行固化，而另外一個(gè)光源則負(fù)責(zé)抑制樹脂固化。通過(guò)用第二道光替換透氧膜來(lái)實(shí)現(xiàn)抑制樹脂凝固，密歇根大學(xué)的團(tuán)隊(duì)可以在物體與液槽之間產(chǎn)生更大的間隙，可以達(dá)到毫米級(jí)厚，這使得樹脂的流動(dòng)速度提高數(shù)千倍。

根據(jù)論文中的介紹，該技術(shù)的Z軸3D打印速度可以達(dá)到2000mm/小時(shí)，也就是超越了文章上述的8款高速光固化3D打印機(jī)中的最高速1200毫米/小時(shí)。如果能夠以百倍速3D打印實(shí)體模型，將大大拓寬其應(yīng)用場(chǎng)景。

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