增材制造路線圖:走向智能化和工業(yè)化（2）

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：本文探討了AM技術(shù)研發(fā)中可能面臨的挑戰(zhàn)，為未來產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)搭建關(guān)鍵技術(shù)平臺。本文為第二部分。


5. 智能結(jié)構(gòu)
在過去的幾十年里，我們見證了對智能、集成和多功能結(jié)構(gòu)的日益增長的需求，這些結(jié)構(gòu)需要復(fù)雜的內(nèi)部配置。因此，制造難度一直是智能零部件產(chǎn)業(yè)化過程中最大的障礙之一。AM已經(jīng)成為一種強(qiáng)大的技術(shù)，戰(zhàn)略性地集成了傳感、驅(qū)動、計(jì)算和通信功能。其中一個(gè)例子是最近在3D打印纖維增強(qiáng)復(fù)合材料方面的創(chuàng)新，它使得分層和中空結(jié)構(gòu)的集成制造具有輕量化、高強(qiáng)度和低成本的優(yōu)點(diǎn)。

如一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，可打印磷酸鈣（PCaP）基油墨由顆粒和液相組成，由內(nèi)部制備（下圖）。對于1g可打印相，將660 mg研磨的α-磷酸三鈣微粒（α-TCP，平均尺寸3.83μm，Cambioceramics，荷蘭萊頓）與40 mg納米羥基磷灰石（納米HA，粒徑<200 nm，Ca5（OH）（PO4）3，Sigma-Aldrich）混合。液相由40%w/v水凝膠前體溶液組成，包括未改性的泊洛沙姆（Pluronic®F-127，Sigma-Aldrich）或定制合成的可水解、可交聯(lián)泊洛沙姆，其末端羥基通過接枝己內(nèi)酯低聚物和甲基丙烯�；�（P-CL-MA，CL為1個(gè)重復(fù)單元）進(jìn)行改性。

未改性（不可交聯(lián)）和改性（可交聯(lián)）泊洛沙姆分別溶解在PBS和添加25 mM過硫酸銨（APS，Sigma-Aldrich）的PBS中。在混合之前，將顆粒和液相在4°C下儲存30分鐘，以防止泊洛沙姆組分的熱凝膠化。隨后，將不可交聯(lián)（NC）或可交聯(lián)（C）泊洛沙姆添加到顆粒中，并通過在4°C下攪拌3分鐘手動混合，以確保顆粒的均勻分布。隨后，將制備的非交聯(lián)PCaP油墨（NC-PCaP）和交聯(lián)PCaP油墨（C-PCaP）裝入配藥筒中，用固定帽封閉，并在4°C下儲存，直至使用。

材料成分示意圖，表示PCaP膏體的成分。

基于AM技術(shù)，可以構(gòu)建和制作具有特殊機(jī)械性能、光學(xué)性能、聲學(xué)性能或熱性能的超材料。圖8(a)顯示了一個(gè)負(fù)泊松比的人工皮膚，可以大大提高損傷區(qū)域的恢復(fù)速度，并減少疼痛。此外，AM具有良好的材料相容性，促進(jìn)了形狀記憶聚合物、液晶彈性體、水凝膠等傳統(tǒng)制造技術(shù)難以原型化的先進(jìn)材料的工業(yè)化。3D打印結(jié)構(gòu)傳送或處理信息也被報(bào)道為新型電子。例如，金屬基油墨的直接墨寫和表面貼裝電子元件的拾取放置已經(jīng)結(jié)合在軟電子器件的制造平臺上(圖8(b))。通過操縱電荷，提出了一種新穎的方法，將包括金屬和半導(dǎo)體在內(nèi)的功能材料置于任意3D布局中，以創(chuàng)建混合電子設(shè)備(圖8(c))。此外，AM技術(shù)已賦予結(jié)構(gòu)的傳感能力，通�；�于電子元件。例如，可以在多材料AM程序中制造一種具有嵌入式壓阻應(yīng)變傳感器的組織培養(yǎng)裝置來監(jiān)測心臟組織的收縮。除了上述性能不變的結(jié)構(gòu)外，4D打印工藝還可以實(shí)現(xiàn)對環(huán)境刺激做出動態(tài)響應(yīng)的智能器件，包括可重構(gòu)、可編程形狀(圖8(d))、剛度、光學(xué)性能等。相關(guān)的應(yīng)用包括自部署裝置、藥物遞送、體敏致動器等。

圖8 具有多種功能的智能結(jié)構(gòu):(a)具有熱收縮性能的人工皮膚;(b)金屬墨水直接墨寫與電子元件拾取相結(jié)合的AM平臺;(c)導(dǎo)電和功能材料的電荷編程AM;(d) 形狀可變換結(jié)構(gòu)的4D打印。

盡管建造智能結(jié)構(gòu)的AM技術(shù)發(fā)展迅速，但仍有一些挑戰(zhàn)需要克服，如圖9所示。

(1) 除了3D和4D打印，AM系統(tǒng)現(xiàn)在正致力于融合不同的物理領(lǐng)域，并基于有效結(jié)合的傳感和驅(qū)動能力，為復(fù)雜的多尺度結(jié)構(gòu)提供動態(tài)響應(yīng)的n維(nD)打印。

(2) AM兼容材料庫應(yīng)擴(kuò)展到包括更多獨(dú)特的功能，并迫切需要智能AM工藝和設(shè)備來精確制造這些材料的多材料結(jié)構(gòu)。開發(fā)高精度噴嘴和提高不同材料間的界面兼容性是研究的重點(diǎn)。

(3)由于未來的工作環(huán)境可能包括外層空間、深海、火山等，3D打印結(jié)構(gòu)應(yīng)該在極端條件下具有魯棒性和多物理領(lǐng)域的適應(yīng)性。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之初，應(yīng)考慮不同的工作條件。通過解決這些困難，AM正朝著集現(xiàn)場診斷、柔性控制、全生命周期設(shè)計(jì)和自動原型設(shè)計(jì)于一體的智能系統(tǒng)發(fā)展。

圖9 AM技術(shù)在開發(fā)智能結(jié)構(gòu)方面遇到的挑戰(zhàn)

6. 活體結(jié)構(gòu)

器官是復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)相互作用以發(fā)展和發(fā)揮作用。由于具有形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)和材料組合(包括細(xì)胞和生物材料)的卓越能力，AM技術(shù)在模仿復(fù)雜的器官系統(tǒng)方面具有巨大的潛力。早期的研究使用3D打印的假體和不涉及細(xì)胞的生物可降解支架，越來越多的研究使用活細(xì)胞來3D打印結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)生物功能。獲得的活體結(jié)構(gòu)可植入人體修復(fù)/替換缺陷組織/器官，可作為比二維細(xì)胞培養(yǎng)模型更準(zhǔn)確再現(xiàn)生理?xiàng)l件的體外生物模型。

材料和加工方面的技術(shù)進(jìn)步極大地增強(qiáng)了我們以更精確和高效的方式模仿器官和豐富功能的能力。在材料方面，基于納米材料的導(dǎo)電生物材料和聚合物已被開發(fā)用于AM，它們賦予具有類似于大腦和心臟的電活動的活體結(jié)構(gòu)。對物理、化學(xué)或生物刺激產(chǎn)生反應(yīng)的生物材料也被打印出來，以形成細(xì)胞的動態(tài)微環(huán)境。在處理方面，嵌入式打印技術(shù)直接將柔軟的細(xì)胞外基質(zhì)和細(xì)胞沉積在支撐緩沖液中，這使得柔軟的細(xì)胞外基質(zhì)和細(xì)胞的多規(guī)模構(gòu)建能夠形成復(fù)雜的器官模型，如心臟(圖10(a))。

基于光聚合的AM技術(shù)也得到了增強(qiáng)，使用了適當(dāng)?shù)墓馕�收劑，以�?shí)現(xiàn)水凝膠的高分辨率投影立體光刻（圖10（b）），并通過動態(tài)照明充滿旋轉(zhuǎn)細(xì)胞的光敏水凝膠庫來實(shí)現(xiàn)快速體積打印（圖10（c））。為了實(shí)現(xiàn)精確的單細(xì)胞打印，研發(fā)了一種將3D打印機(jī)和小型化微流體分選機(jī)結(jié)合在一起的制造平臺，可從細(xì)胞混合物中沉積感興趣的單個(gè)細(xì)胞。作為先進(jìn)的生物模型，3D打印活體結(jié)構(gòu)被用于諸如芯片上器官設(shè)備等產(chǎn)品中，已證明有潛力改變生物醫(yī)學(xué)研究和制藥行業(yè)。3D打印的類肝器官模型在肝臟特異性轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)方面優(yōu)于2D和3D體積模型。同樣，3d打印的多細(xì)胞膀胱腫瘤模型支持了腫瘤進(jìn)展的重要分子基礎(chǔ)的識別。

圖10 活體結(jié)構(gòu)的AM技術(shù)的代表性進(jìn)展:(a)懸浮浴中基于擠壓的3D生物打印允許制造人類心臟模型;(b)高分辨率立體平版印刷具有血管化肺泡模型拓?fù)涞墓饪删酆纤�凝膠;(c)細(xì)胞負(fù)載水凝膠的體積3D生物打印允許快速制造活組織構(gòu)建物。

在未來，活體結(jié)構(gòu)的AM可以顯著改善生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，并可能創(chuàng)新高水平生物智能產(chǎn)品(圖11)。例如，AM技術(shù)可能進(jìn)一步整合細(xì)胞與驅(qū)動和傳感材料，形成活體機(jī)器，在人體內(nèi)部移動和工作，用于細(xì)胞治療和藥物輸送等應(yīng)用。隨著巨大的前景，3d打印的生活結(jié)構(gòu)在邁向智能化和商業(yè)化時(shí)需要應(yīng)對多方面的挑戰(zhàn)。

(1）技術(shù)挑戰(zhàn):3d打印的活體結(jié)構(gòu)在建筑和功能復(fù)雜性方面還沒有完全匹配原生器官。調(diào)幅技術(shù)在制備復(fù)雜的多尺度結(jié)構(gòu)時(shí)需要實(shí)現(xiàn)更高的空間分辨率和更高的效率，需要更多的功能與調(diào)幅技術(shù)兼容的生物材料。

（2）跨學(xué)科挑戰(zhàn)：3D打印結(jié)構(gòu)中的細(xì)胞發(fā)育的有效控制為成功應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。對于植入生物結(jié)構(gòu)的生物智能，需要進(jìn)一步建立生物結(jié)構(gòu)與人體之間的相互作用和通信。因此，需要機(jī)械工程師、生物工程師、生命科學(xué)家和臨床醫(yī)生之間的密切合作，根據(jù)對特定應(yīng)用的生物醫(yī)學(xué)見解，設(shè)計(jì)制造策略。

（3）監(jiān)管和道德挑戰(zhàn):3D打印活體結(jié)構(gòu)構(gòu)成了生物醫(yī)學(xué)行業(yè)中一組新產(chǎn)品，這些產(chǎn)品受到高度監(jiān)管，涉及道德問題。3D打印生活建筑的商業(yè)化需要一套系統(tǒng)的基于科學(xué)的法規(guī)，專門為這些產(chǎn)品設(shè)計(jì)，以解決醫(yī)療和倫理影響方面的潛在問題。

圖11 AM技術(shù)走向生物智能的路線圖(由BioRender.com創(chuàng)建)。

研究人員在工作中報(bào)告了4D打印纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的自變形結(jié)構(gòu)具有高剛度和高承載能力。這是通過使用含有高含量溶劑、光固化聚合物樹脂、短玻璃纖維和氣相二氧化硅的雙層復(fù)合材料的多材料DIW來實(shí)現(xiàn)的。不同纖維含量的油墨分別裝入不同的注射器，如下圖A所示。在油墨擠壓過程中，短玻璃纖維被剪切排列。印刷材料在擠壓后立即部分光固化，以鎖定印刷幾何圖形。材料中的溶劑通過加熱蒸發(fā)(圖B)，在溶劑蒸發(fā)過程中，沿著和穿過打印路徑(或纖維方向)引入各向異性的體積收縮。不同纖維加載或取向的印刷結(jié)構(gòu)在溶劑去除后會出現(xiàn)應(yīng)變失配，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形。經(jīng)過加熱變形后，光固化后模量可提高到4.8 GPa(圖B)，具有較高的承載能力。然后利用復(fù)合材料理論研究了各向異性體積收縮和模量隨溶劑含量、纖維含量和纖維取向的變化。這些功能被納入有限元分析(FEA)模擬，以指導(dǎo)形狀變形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。我們證明了可變形雙層膜可用于將打印的二維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為具有大變形性能和高承載能力的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)。

高剛度、高承載能力結(jié)構(gòu)的多材料DIW打印原理圖。(A)在不同短玻璃纖維負(fù)載的油墨DIW印刷過程中，纖維在擠壓過程中對齊。(B)印刷后，油墨被部分光固化。然后，溶劑被加熱蒸發(fā)，引起形狀變化。后光固化進(jìn)一步用于顯著增加結(jié)構(gòu)的剛度。

在該實(shí)驗(yàn)中，研究人員進(jìn)一步論證了變形三浦ori結(jié)構(gòu)的承載能力。該圖案由對稱金字塔頂點(diǎn)構(gòu)成，該頂點(diǎn)由四條相交的折痕線組成。它可以通過四度頂點(diǎn)從一個(gè)完整的平板上折疊起來。在這里制造了一個(gè)高負(fù)載可承受的三浦ori重新配置從一個(gè)平板。打印的是原始的平板(56 × 45 × 0.9 mm)，它由一個(gè)S0面板區(qū)域和由S0和S6雙層制成的折痕組成(下圖A)。折痕對稱排列，蒸發(fā)后成功折疊成三浦ori結(jié)構(gòu)(圖B)，這與模擬結(jié)果(圖C)一致。由于完全固化的印刷材料的高硬度和三浦ori結(jié)構(gòu)，折疊后的折紙可以承受重量(6.8公斤)約為自身重量(1.9克)的3580倍(圖D)。研究人員相信，這種具有高承載能力的可重構(gòu)技術(shù)可以應(yīng)用于工程方面的大型結(jié)構(gòu)。

三浦折紙結(jié)構(gòu)的驅(qū)動具有高承載能力。(A, B)三浦折紙的驅(qū)動。(C)模擬重構(gòu)結(jié)構(gòu)。(D)三浦ori結(jié)構(gòu)(1.9 g)可以承載相當(dāng)于自身重量約3580倍的重量(6.8 kg)。比例尺:10mm。

7. 極端尺度和極端環(huán)境

AM具有豐富的科學(xué)技術(shù)內(nèi)涵，涉及機(jī)械、材料、計(jì)算、自動化控制等先進(jìn)技術(shù)。由于其設(shè)計(jì)自由、快速原型、最小化浪費(fèi)和制造具有獨(dú)特性能的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的能力，它在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、汽車、核能和建筑行業(yè)帶來了革命性的應(yīng)用。AM作為一項(xiàng)關(guān)鍵的產(chǎn)業(yè)發(fā)展技術(shù)，將極大地推動和引領(lǐng)智能制造的升級和發(fā)展。

AM的發(fā)展主要集中在兩個(gè)極端尺度:一是微/納米尺度，即實(shí)現(xiàn)微米和納米尺度的精細(xì)3D打印;另一種是宏觀尺度，實(shí)現(xiàn)大尺寸、高速3D打印，如圖12所示。以雙光子聚合為代表的微納尺度3D打印克服了光照的光學(xué)限制，能夠在亞波長空間分辨率下打印納米結(jié)構(gòu)，打印精度小于100 nm。這種高精度、復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)極大地拓寬了其在超材料和光電子領(lǐng)域的應(yīng)用。另一方面，大型混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)場打印需要結(jié)合機(jī)械工程、混凝土技術(shù)、數(shù)據(jù)管理和施工管理。這是第一個(gè)由多個(gè)移動機(jī)器人同時(shí)打印大型混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)物演示，將擴(kuò)大建筑和建筑行業(yè)的設(shè)計(jì)和打印規(guī)模。航空航天領(lǐng)域，在打印C919飛機(jī)主擋風(fēng)玻璃窗框、中心法蘭等大型復(fù)雜鈦結(jié)構(gòu)件后，制造出世界上第一個(gè)10米級的重型運(yùn)載火箭高強(qiáng)度鋁合金連接環(huán)。

這些突破克服了大尺寸結(jié)構(gòu)在印刷過程中的變形和應(yīng)力控制，為航天工程的快速發(fā)展提供了技術(shù)支持。美國Relativity Space公司的目標(biāo)是制造一種幾乎完全3D打印的火箭，帶有冷卻通道，將1250公斤的火箭送入近地軌道。這些由機(jī)器人手臂建造的大型金屬印刷項(xiàng)目，由于零件減少了100倍，生產(chǎn)時(shí)間縮短了10倍，沒有固定的收費(fèi)和簡單的供應(yīng)鏈，正在顛覆60年的航空業(yè)。

圖12 3D打印的應(yīng)用:極端尺度和極端環(huán)境:(a)雙光聚合3D打印工藝和二氧化硅打印點(diǎn)陣晶體示意圖;(b)中國和美國印制的超大型金屬部件;(c) 3D打印雙金屬室的熱火測試;(d)世界上第一個(gè)在空間中使用連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料的3D打印。

AM在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常受到以下幾個(gè)方面的挑戰(zhàn):
(1）極端環(huán)境，如極端溫度和壓力、強(qiáng)輻射和微重力。2020年，NASA完成了液體火箭發(fā)動機(jī)3D打印雙金屬燃燒室的重要材料表征和測試以及熱火測試，證明了雙金屬燃燒室在嚴(yán)酷的溫度和壓力下的多功能和生存能力。自2014年國際空間站(ISS)配備3D打印設(shè)備后，研究人員也于2020年成功完成了微重力空間的首次3D打印測試。這是世界上首次對連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料進(jìn)行在軌3D打印測試，使研究人員能夠研究材料的成型過程，更好地揭示了微重力對材料及其結(jié)構(gòu)機(jī)制的影響。3D打印不僅可以為國際空間站現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)設(shè)施做出貢獻(xiàn)，還可以使長時(shí)間的太空飛行、太空探索和殖民更加方便和可持續(xù)。極端的環(huán)境條件，如微/零重力、宇宙輻射、晝夜溫差大等，都會對月球或火星風(fēng)化層的原位打印產(chǎn)生重大影響。

（2）3D打印在月球和火星上棲息地的另一個(gè)挑戰(zhàn)是開發(fā)相關(guān)的空間機(jī)器人和自動化技術(shù)。為了適應(yīng)這樣的極端環(huán)境，需要開發(fā)優(yōu)良的輻射和熱阻電子器件和結(jié)構(gòu)材料，多傳感器集成和數(shù)據(jù)融合可能是未來無人系統(tǒng)探索的關(guān)鍵技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)對制造過程的自適應(yīng)控制和監(jiān)控，空間調(diào)幅需要在控制系統(tǒng)中采用獨(dú)特的“觀測器定向決策行動”周期。

（3）為了加快3D打印的數(shù)字化，智能AM領(lǐng)域最令人興奮的前沿之一是數(shù)字雙胞胎的概念。通過在實(shí)時(shí)對象上整合智能傳感、大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析以及機(jī)器學(xué)習(xí)能力，數(shù)字雙胞胎在以下方面展示了巨大的潛力:(i) 3D打印新產(chǎn)品的高效設(shè)計(jì)，(ii)針對極端使用場景和環(huán)境的增材制造生產(chǎn)計(jì)劃，(iii) 3D打印操作數(shù)據(jù)的捕獲、分析和操作，并最終獲得高質(zhì)量。

8. 未來的角度
面向未來，AM技術(shù)將進(jìn)一步向智能化和產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。AM是一個(gè)涉及多因素、多層次、多尺度、耦合材料、結(jié)構(gòu)、各種物理化學(xué)領(lǐng)域的極其復(fù)雜的系統(tǒng)。有必要結(jié)合大數(shù)據(jù)和人工智能對這一極其復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行研究，突破AM多功能集成優(yōu)化設(shè)計(jì)的原理和方法。通過開發(fā)形狀主動可控的智能調(diào)幅技術(shù)，為未來調(diào)幅技術(shù)在材料、工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品質(zhì)量、服務(wù)效率等方面的飛躍改進(jìn)奠定了充分的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)。具有自采集、自建模、自診斷、自學(xué)習(xí)和自決策能力的智能調(diào)幅設(shè)備是未來調(diào)幅技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。開展AM技術(shù)與材料、軟件、人工智能、生命、醫(yī)學(xué)等學(xué)科交叉研究，實(shí)現(xiàn)重大原創(chuàng)性技術(shù)創(chuàng)新。AM的應(yīng)用應(yīng)擴(kuò)展到新能源、航空航天、健康、建筑、文化創(chuàng)意等領(lǐng)域，如導(dǎo)航、核電等。

未來，AM技術(shù)將向材料、結(jié)構(gòu)、功能一體化的四維智能結(jié)構(gòu)、生命體、構(gòu)件制造方向發(fā)展，為可控形狀、可控性能提供新的技術(shù)方法，為產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)提供技術(shù)平臺。AM的開發(fā)應(yīng)遵循“以應(yīng)用開發(fā)為導(dǎo)向，以技術(shù)創(chuàng)新為動力，以產(chǎn)業(yè)發(fā)展為目標(biāo)”的原則。建立合理的AM行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系，結(jié)合云制造、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)和智能制造系統(tǒng)，促進(jìn)AM工藝和設(shè)備的全面創(chuàng)新和應(yīng)用，這對實(shí)現(xiàn)制造技術(shù)的跨越式發(fā)展具有重要意義。

來源：Roadmap for Additive Manufacturing: Toward Intellectualization andIndustrialization，Chinese Journal of Mechanical Engineering: Additive ManufacturingFrontiers，doi.org/10.1016/j.cjmeam.2022.100014
參考文獻(xiàn)：Chinese Mechanical Engineering Society Technology roadmap of Chinesemechanical engineering，China Science and Technology Press, Beijing (2021)