什么樣的3D打印研究能夠登上Nature & Science，看看你離大牛還有多遠(yuǎn)

來(lái)源：材料人

從石器時(shí)代到第三次工業(yè)革命，人類的生產(chǎn)力和生產(chǎn)方式發(fā)生了許多翻天覆地的改變和提高。隨著材料科學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)出了增材制造工藝，即通過(guò)軟件程序建立產(chǎn)物模型，將模型逐層打印產(chǎn)出目標(biāo)產(chǎn)品。這一工藝優(yōu)點(diǎn)在于可以通過(guò)編譯生產(chǎn)出許多復(fù)雜嵌套結(jié)構(gòu)類產(chǎn)品，同時(shí)避免不必要的浪費(fèi)。 但是由于加工工藝的本質(zhì)區(qū)別，增材（常見(jiàn)于3D打�。┕に嚰庸こ鰜�(lái)的產(chǎn)品與傳統(tǒng)工藝的產(chǎn)品性能上有所區(qū)別�？茖W(xué)家們正積極研發(fā)和改進(jìn)現(xiàn)有的3D打印技術(shù)，以適應(yīng)更豐富的原材料和應(yīng)用。在這篇文章中，我們總結(jié)了一些近兩年內(nèi)發(fā)表于Nature上關(guān)于3D打印研究的成果文章，為正在此研究方向或有志從事此研究方向的科學(xué)家們提供參考。

1.3D打印高強(qiáng)度鋁
金屬材料作為一種傳統(tǒng)材料，常用于航天航空，生物醫(yī)學(xué)，汽車工程等行業(yè)。然而，目前常見(jiàn)的約5500種金屬材料中，絕大多數(shù)都不能適用于3D打印工藝。因?yàn)榇蛴∵^(guò)程中的熔化和凝固過(guò)程會(huì)導(dǎo)致材料微觀結(jié)構(gòu)具有較大的柱狀晶粒和周期性裂紋。這些微觀結(jié)構(gòu)的缺陷大大削弱了材料的機(jī)械性能和耐久性。使得其無(wú)法代替通過(guò)傳統(tǒng)工藝加工生產(chǎn)的同類型材料的運(yùn)用。

美國(guó)加州圣地亞哥大學(xué)的Tresa教授和他的團(tuán)隊(duì)們發(fā)現(xiàn)在3D打印期間通過(guò)引入控制固化的納米成核劑顆粒可以有效解決這一難題，并于Nature上發(fā)表了題為“3D printing of high-strength aluminium alloys”的研究成果。他們根據(jù)材料晶體學(xué)信息選擇合適的成核劑，并將它們整合到7075和6061系列鋁合金粉末上。在用成核劑進(jìn)行官能化后，以前那些無(wú)法適用于3D打印工藝的高強(qiáng)度鋁合金材料可以通過(guò)選擇性激光熔化技術(shù)來(lái)加工生產(chǎn)。材料微觀結(jié)構(gòu)上無(wú)裂縫，等軸，材料強(qiáng)度與鍛造材料相當(dāng)。這種金屬基添加劑制造方法同時(shí)還適用于各種合金。因此，它為合金材料的3D打印技術(shù)廣泛化工業(yè)實(shí)用提供了基礎(chǔ)，并且能夠改善其他合金系統(tǒng)的制造，例如不可焊接的鎳超合金和金屬間化合物。此外，該技術(shù)可用于常規(guī)加工，例如連接，鑄造和注塑。在這些加工技術(shù)中，凝固裂紋和熱撕裂也是常見(jiàn)問(wèn)題。

圖1 未使用成核劑的3D打印合金產(chǎn)物微觀晶體結(jié)構(gòu)存在周期性裂痕和非等軸特征（上），使用成核劑的3D打印合金產(chǎn)物的無(wú)縫，等軸晶體結(jié)構(gòu)特征（下）[1]

2.3D打印可快速轉(zhuǎn)換的鐵磁疇軟質(zhì)材料
隨著3D打印工藝技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家們除了大量研究產(chǎn)品的幾何結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)化，也投入了很多努力研究材料功能化。其中一種研究方向是通過(guò)對(duì)部分軟質(zhì)材料進(jìn)行特定的修飾加工，使得產(chǎn)品能夠在光，熱，磁場(chǎng)和電場(chǎng)等刺激下發(fā)生三維空間上的形態(tài)變化。這種材料在生物醫(yī)學(xué)，機(jī)器人，柔性可穿戴電子設(shè)備等領(lǐng)域都有著很大的潛在運(yùn)用前景。尤其是在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，利用磁場(chǎng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程安全有效地操作。隨著技術(shù)的改進(jìn)，當(dāng)前的磁響應(yīng)材料通過(guò)嵌入離散磁體或?qū)⒋判粤Ｗ咏Y(jié)合到軟化化合物中以實(shí)現(xiàn)聚合物片材中的不均與磁性分布。

麻省理工大學(xué)的趙選賀教授及他的團(tuán)隊(duì)改進(jìn)了一種鐵磁疇軟質(zhì)材料的印刷技術(shù)并于Nature上發(fā)表了題為“Printing ferromagnetic domains for untethered fast-transforming soft materials”的研究成果。他們將含有鐵磁微粒的彈性體復(fù)合材料直接進(jìn)行油墨打印。在打印時(shí)向噴嘴施加磁場(chǎng)從而重新定向磁性微粒以實(shí)現(xiàn)圖案化的磁極性。這一改進(jìn)方案使得在復(fù)雜的3D打印軟質(zhì)材料中編譯鐵磁疇可行。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了在此技術(shù)之前很難達(dá)到的轉(zhuǎn)換模式，例如遠(yuǎn)程控制具有負(fù)泊松比的超材料的拉長(zhǎng)行為（auxetic behaviours）。其產(chǎn)品比現(xiàn)有的3D打印活性材料在驅(qū)動(dòng)速度上和功率密度上均大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。除此之外，他們?cè)谖闹羞�展示了復(fù)雜形狀可變的軟質(zhì)材料在軟電子設(shè)備和機(jī)器人領(lǐng)域運(yùn)用的潛能。

圖2 不同三維空間結(jié)構(gòu)的鐵磁疇3D打印產(chǎn)品在施加磁場(chǎng)后的形變狀態(tài) [2]

3.3D打印分層結(jié)構(gòu)產(chǎn)物的液晶材料
纖維增強(qiáng)聚合物結(jié)構(gòu)材料擁有較高的剛度，強(qiáng)度和較低的質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛使用在航天航空，車輛以及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。然而這種高強(qiáng)度材料的生產(chǎn)需要高能量和大量的勞動(dòng)力。材料本身表現(xiàn)出脆性且無(wú)法回收利用等缺點(diǎn)。除此之外，當(dāng)前聚合物輕質(zhì)材料的生產(chǎn)工藝制造存在兩種阻礙因素：復(fù)雜結(jié)構(gòu)的3D打印產(chǎn)品機(jī)械性能太差；具有高強(qiáng)度性能的聚合物產(chǎn)品只適用于生產(chǎn)簡(jiǎn)單的幾何形狀結(jié)構(gòu)。為了結(jié)合高設(shè)計(jì)自由度和優(yōu)秀機(jī)械性能，科學(xué)家們開發(fā)出了液晶彈性體3D打印工藝。盡管這可以一定程度上提高材料的機(jī)械性能，但是和高性能液晶合成纖維材料產(chǎn)品相比還是差了三到四個(gè)數(shù)量級(jí)。

相比之下，通過(guò)定向自組裝形成的分層結(jié)構(gòu)的骨骼，絲綢以及木材材料也同樣擁有優(yōu)秀的機(jī)械性能，但可以很好地循環(huán)整合到環(huán)境中�？茖W(xué)家Silvan Gantenbein利用這一結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，改進(jìn)了一種3D打印的方法，以生成具有分層結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度，高韌性可回收輕質(zhì)材料結(jié)構(gòu)。這一新型結(jié)構(gòu)材料特征源于在擠出過(guò)程中液晶聚合物分子自組裝具有高度定向的特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)打印路徑上的分子進(jìn)行高度定向，他們能夠根據(jù)預(yù)設(shè)的機(jī)械性能增強(qiáng)聚合物的結(jié)構(gòu)，使得產(chǎn)品強(qiáng)度和剛度超過(guò)當(dāng)前最先進(jìn)的3D打印聚合物材料并與高性能輕質(zhì)復(fù)合材料相當(dāng)。除此之外，利用3D打印工藝自下而上的形成產(chǎn)品的特點(diǎn)，我們可以突破當(dāng)前制造工藝的典型限制從而制造出結(jié)構(gòu)更多樣自由的產(chǎn)品。Silvan和他的團(tuán)隊(duì)依照自然界中高強(qiáng)度生物材料的生長(zhǎng)原理，提出兩種設(shè)計(jì)原則：首先，通過(guò)液晶聚合物分子在打印路徑上的自組裝過(guò)程實(shí)現(xiàn)各向異性；其次，根據(jù)產(chǎn)品特定的作業(yè)環(huán)境和載荷狀態(tài)利用3D打印技術(shù)定制和局部修飾材料結(jié)構(gòu)，剛度和強(qiáng)度。

圖3 3D打印分層結(jié)構(gòu)的液晶聚合物產(chǎn)物示意圖 [3]

4.3D打印仿晶體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)材料
3D打印的一大優(yōu)點(diǎn)在于可以打印復(fù)雜的傳統(tǒng)工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn)的幾何結(jié)構(gòu)，減少各成分之間的鏈接點(diǎn)從而在節(jié)省原料的條件下實(shí)現(xiàn)優(yōu)秀的機(jī)械性質(zhì)�？茖W(xué)家們?cè)鴩L試?yán)��?D打印工藝制作類似于晶體結(jié)構(gòu)的周期性排列的節(jié)點(diǎn)與支柱的架構(gòu)組織，如圖4。這種架構(gòu)材料擁有質(zhì)量輕和特殊機(jī)械性能的特點(diǎn)（如負(fù)泊松比）。一直以來(lái)的研究方向在于優(yōu)化單元格的結(jié)構(gòu)并將其周期排列。這些單元格的排列方式使得他們具有相同的方向。所以，當(dāng)載荷超過(guò)屈服點(diǎn)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)局部高應(yīng)力帶，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)械強(qiáng)度災(zāi)難性崩潰。這種崩潰類似于常規(guī)固體金屬單晶材料中的位錯(cuò)滑移所引起的應(yīng)力下降。

圖4 FCC晶體結(jié)構(gòu)和仿晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)材料 [4]

英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院的Minh-Son Pham教授一摒其他學(xué)者的研究方向，考慮模仿真實(shí)晶體材料的微觀結(jié)構(gòu)，例如晶界，沉淀和相，開發(fā)出堅(jiān)固又耐用的結(jié)構(gòu)材料。他們認(rèn)為宏觀尺度下的仿晶體結(jié)構(gòu)原理與晶體微觀尺度下的硬化原理一樣重要。結(jié)合金屬單晶材料的硬化原理和結(jié)構(gòu)材料，他們可以開發(fā)并設(shè)計(jì)出符合性能期待要求的材料。通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)可以將金屬單晶晶體硬化原理運(yùn)用在結(jié)構(gòu)材料中，并成功改善材料的機(jī)械性能，并發(fā)表題為“Damage-tolerant architected materials inspired by crystal microstructur”的研究成果

圖5 仿金屬單晶材料硬化原理的結(jié)構(gòu)材料示意圖 [4]

5.空間（非疊層）增材制造工藝
增材制造工藝（即3D打印技術(shù)）由于其可構(gòu)造復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，越來(lái)越多的被用于真正的生產(chǎn)和工業(yè)領(lǐng)域，包括醫(yī)療設(shè)備，光學(xué)器材，航天部件，工具等。當(dāng)前的增材制造工藝大抵是通過(guò)重復(fù)1D或者2D單元實(shí)現(xiàn)三維幾何結(jié)構(gòu)。然而這種加工方式使得產(chǎn)品表面質(zhì)量和光滑度差強(qiáng)人意，而且對(duì)于復(fù)雜的嵌套結(jié)構(gòu)并不友好（需要支撐材料）。更重要的是，逐層加工可能導(dǎo)致機(jī)械性能的各項(xiàng)異性。

加州伯克利大學(xué)的教授Hayden Taylor及他的團(tuán)隊(duì)日前開發(fā)出了一種可以同時(shí)制造所有點(diǎn)的制造技術(shù)以適用于任何幾何結(jié)構(gòu)并發(fā)表了題為“Volumetric additive manufacturing via tomographic reconstruction”的研究成果。他們通過(guò)繞軸進(jìn)行光聚合反應(yīng)合成產(chǎn)品，如圖6。這一合成方法相較于傳統(tǒng)3D打印方法擁有諸多優(yōu)點(diǎn)。該方法可以規(guī)避支撐結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗�可以直接打印成高粘稠液體甚至固體。該方法還使得加工速度提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，并且避免了各向異性的機(jī)械性能。這種利用多角度曝光實(shí)現(xiàn)3D打印加工工藝的技術(shù)的靈感來(lái)自于我們常見(jiàn)的醫(yī)用成像手段——CT掃描技術(shù)。這一合成方式可以看做是CT成像方法的反向運(yùn)用：利用軟件合成好的3D模型加以反向數(shù)字轉(zhuǎn)化計(jì)算出各角度的成像及光輻射強(qiáng)度。這一3D打印技術(shù)與我們所熟知的加工手法有著本質(zhì)上的區(qū)別，其產(chǎn)物的加工方式不再是逐層而是通過(guò)空間合成。

圖6 多角度繞軸進(jìn)行光聚合反應(yīng)示意圖 [5]

總結(jié)
從這些近年來(lái)發(fā)表于Nature上的成果來(lái)看，一篇優(yōu)秀的大牛成果報(bào)告不僅僅應(yīng)有材料性能的突破性，通常還伴隨著技術(shù)的改進(jìn)，新技術(shù)的開發(fā)甚至交叉學(xué)科的參與�？梢灶A(yù)見(jiàn)的是，3D打印工藝的研究和發(fā)展還遠(yuǎn)沒(méi)有到達(dá)飽和。目前為止，大多數(shù)的材料還無(wú)法適用于這一技術(shù)。盡管科技進(jìn)步的每一步都困難重重，但是這些阻力后面也蘊(yùn)藏著無(wú)限的機(jī)會(huì)和可能性。

參考文獻(xiàn)
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