具有增強(qiáng)機(jī)械性能的仿生3D打印材料的最新進(jìn)展

來源：長(zhǎng)三角G60激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：據(jù)悉，本文綜述了具有增強(qiáng)機(jī)械性能的仿生3D打印材料的最新進(jìn)展。

經(jīng)過數(shù)百萬年的進(jìn)化，大自然已經(jīng)開發(fā)出一系列具有優(yōu)化機(jī)械性能的功能性微結(jié)構(gòu)。通過學(xué)習(xí)大自然的優(yōu)秀模型和原理，仿生為設(shè)計(jì)和制造性能增強(qiáng)的下一代智能材料提供了一種可行的策略。增材制造（AM）或3D打印工藝通過其制造復(fù)雜微/細(xì)觀結(jié)構(gòu)、增加設(shè)計(jì)自由度、提供大規(guī)模定制、減少浪費(fèi)以及快速原型制造的能力，徹底改變了制造業(yè)。本文綜述了具有增強(qiáng)機(jī)械性能的仿生3D打印材料的最新進(jìn)展。設(shè)計(jì)和制造的靈感來自各種自然結(jié)構(gòu)。最后，給出了未來的挑戰(zhàn)和展望。

介紹
地球上有許多生物系統(tǒng)，它們經(jīng)歷了數(shù)千年的進(jìn)化來完善它們的結(jié)構(gòu)，每一個(gè)都極大地利用了不同的環(huán)境。此外，生物結(jié)構(gòu)通常會(huì)演化為某些功能相關(guān)模型。至于生物靈感的應(yīng)用，仿生模型經(jīng)常被用作自然設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)代理。這樣做是為了使獨(dú)特的個(gè)體特征能夠獨(dú)立于其進(jìn)化約束進(jìn)行分析，人工修改，并在可訪問控制下進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。然而，自然界模型中復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)構(gòu)造超出了傳統(tǒng)制造方法的制造能力。這種局限性阻礙了對(duì)生物啟發(fā)設(shè)計(jì)的進(jìn)一步研究和探索其應(yīng)用。

Catania, K. C. 在2012年發(fā)表的題為《Evolution of brains and behavior for optimal foraging: a tale of two predators.》的論文中，詳細(xì)研究了Star-nosed moles 和tentacled snakes的特殊的機(jī)械感覺系統(tǒng)，以此說明了神經(jīng)系統(tǒng)組織和進(jìn)化的許多一般特征。Star-nosed moles 和tentacled snakes的臉上都有新的感覺器官。這些附屬物使這兩種動(dòng)物具有獨(dú)一無二的外觀，這在同類中是無與倫比的，沒有其他哺乳動(dòng)物或蛇有類似的附屬物（下圖）。然而，這些動(dòng)物的奇異外表吸引了我們的注意。極端的感官特化通常揭示了神經(jīng)系統(tǒng)功能和組織的一般原理，而這些原理在其他物種中并不明顯。更一般地說，形態(tài)學(xué)中的極端現(xiàn)象為進(jìn)化生物學(xué)提供了豐富的案例研究。

一種star-nosed mole 和tentacled snake（A）star-nosed mole前肢大，眼睛小，鼻子周圍有22個(gè)附肢或射線。（B）彩色掃描電子顯微照片顯示了蛇的鱗狀觸角。

增材制造（AM）或3D打印工藝通過允許更大的設(shè)計(jì)自由度、廢物最小化、大規(guī)模定制、幾何復(fù)雜能力、快速原型制作和制造復(fù)雜微/介觀結(jié)構(gòu)的能力，徹底改變了制造業(yè)。此外，為了使用3D打印技術(shù)研究多種特性，研究了仿生結(jié)構(gòu)，包括模仿植物、動(dòng)物和昆蟲（圖1）。龍蝦爪中的Bouligand結(jié)構(gòu)將通過增加裂紋擴(kuò)展的難度，有效地提高材料的韌性和抗沖擊性。輕木結(jié)構(gòu)中的對(duì)齊纖維將增強(qiáng)強(qiáng)度，從而提高抗風(fēng)能力。天然珍珠層中的磚和砂漿結(jié)構(gòu)通過裂縫偏轉(zhuǎn)和能量耗散提高了抗沖擊性。

圖1示意圖顯示了仿生結(jié)構(gòu)。（A）龍蝦爪的Bouligand結(jié)構(gòu)；（B）輕木中的定向纖維；（C）天然珍珠層中的磚和砂漿結(jié)構(gòu)。

3D打印是一種增材制造(AM)技術(shù)，用于從三維(3D)模型數(shù)據(jù)中制造廣泛的結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的幾何圖形。這個(gè)過程包括打印連續(xù)的材料層，這些材料層是在彼此的頂部形成的。這項(xiàng)技術(shù)由Charles Hull在1986年開發(fā)，其過程被稱為立體光刻(SLA)，隨后的發(fā)展如粉末床熔合、熔融沉積建模(FDM)、噴墨打印和輪廓加工(CC)。3d打印涉及多種方法、材料和設(shè)備，多年來不斷發(fā)展，有能力改變制造和物流流程。增材制造已廣泛應(yīng)用于建筑、原型和生物力學(xué)等不同行業(yè)。3D打印在建筑行業(yè)的應(yīng)用尤其緩慢和有限，盡管它具有浪費(fèi)少、設(shè)計(jì)自由和自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。

據(jù)報(bào)道，一種新的環(huán)氧基油墨可以3D打印輕質(zhì)蜂窩復(fù)合材料，并控制多尺度，高坡向纖維增強(qiáng)的對(duì)準(zhǔn)，以創(chuàng)建受輕木啟發(fā)的分層結(jié)構(gòu)。楊氏模量值比現(xiàn)有的市售3D打印聚合物高出10倍，同時(shí)保持了可比的強(qiáng)度值。

在本文重點(diǎn)介紹了具有增強(qiáng)性能，特別是機(jī)械性能的仿生3D打印材料的最新發(fā)展。

增材制造的仿生增強(qiáng)結(jié)構(gòu)

單一材質(zhì)
使用單一材料的仿生結(jié)構(gòu)的3D打印已被廣泛研究。材料可以是不同類型的聚合物、金屬、陶瓷等。使用3D打印的仿生結(jié)構(gòu)在增強(qiáng)單一材料的機(jī)械性能方面發(fā)揮著重要作用。

聚合物復(fù)合材料的3D打印通過將顆粒、纖維或納米材料增強(qiáng)材料并入聚合物中，可以制備具有高機(jī)械性能和優(yōu)異功能性的聚合物基復(fù)合材料。傳統(tǒng)的復(fù)合材料制造技術(shù)，如模塑、鑄造和機(jī)加工，通過材料去除過程制造具有復(fù)雜幾何形狀的產(chǎn)品。雖然這些方法中的復(fù)合材料的制造過程和性能得到了很好的控制和理解，但控制復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的能力是有限的。3D打印能夠在無典型浪費(fèi)的情況下制造復(fù)雜的復(fù)合結(jié)構(gòu)。借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，可以精確控制復(fù)合材料的尺寸和幾何形狀。因此，復(fù)合材料的3D打印實(shí)現(xiàn)了工藝靈活性和高性能產(chǎn)品的完美結(jié)合。

使用（a）丙烯酸酯樹脂，（b）30%（w / v）復(fù)合材料的3D打印散熱器;（c）聚合物散熱器（d）復(fù)合散熱器在100°C下加熱10分鐘的紅外圖像。

蜂窩結(jié)構(gòu)
由六邊形蜂窩衍生的仿生結(jié)構(gòu)通常受到公眾的極大關(guān)注，并已應(yīng)用于多個(gè)工程相關(guān)領(lǐng)域。Hedayati等人（2016年）使用聚乳酸（PLA）作為單一原料，通過熔融沉積建模（FDM）制造厚蜂窩結(jié)構(gòu)，該過程通過加熱打印噴嘴直接擠出材料來完成（圖2A）。有限元分析表明，對(duì)于細(xì)胞壁很厚的蜂窩，其解與實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值一致。然而，隨著相對(duì)密度的增加，有限元模型和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果開始相互偏離。采用相同的PLA材料和FDM技術(shù)，對(duì)蜂巢激勵(lì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了另一項(xiàng)研究（圖2B）。本研究表明，低密度L-EH樣品的彈性模量、抗壓強(qiáng)度和單位體積能量吸收從71.77、2.16 MPa、341 KJ/m3增加到高密度L-FH-1樣品的496.97、5.96 MPa、2132 KJ/m 3。

圖2 3D打印仿生加固結(jié)構(gòu)。（A） 3D打印厚蜂窩的機(jī)械性能；（B）蜂窩激勵(lì)結(jié)構(gòu)和不同層厚的平面內(nèi)壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線；（C）使用剛性聚合物的幾丁質(zhì)鱗片激發(fā)的柔性裝甲；（D）成蟲Allomyrina dichotoma甲蟲啟發(fā)的結(jié)構(gòu)，具有通過選擇性激光熔煉（SLM）制造的金屬晶格結(jié)構(gòu)。

規(guī)模和殼體啟發(fā)結(jié)構(gòu)
關(guān)于仿生3D打印的研究不僅關(guān)注仿生微結(jié)構(gòu)或微體系結(jié)構(gòu)，還通過關(guān)注某些生物可能產(chǎn)生的獨(dú)特現(xiàn)象來提供價(jià)值（Baik等人，2019年）。

Baik等人2019年發(fā)表論文，表示在生物啟發(fā)的多尺度架構(gòu)的各種應(yīng)用中，可附著在皮膚上的貼片引起了人們的高度關(guān)注，下圖為自然粘附與微型結(jié)構(gòu)的代表性示例。人體皮膚是人體最外層的器官，具有非凡的可伸縮性（ε >100%，其中ε是應(yīng)變），高度粗糙（最大高度為40μm），并且經(jīng)常被沉淀物和毛發(fā)覆蓋。因此，在實(shí)際市場(chǎng)中，實(shí)現(xiàn)皮膚貼片對(duì)人體皮膚的充分附著力仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。常規(guī)方法對(duì)皮膚的粘附性很強(qiáng)，但細(xì)胞毒性，皮膚污染，損傷，感染風(fēng)險(xiǎn)和濕粘附損失使它們效果較差。另一方面，仿生粘合劑結(jié)構(gòu)已被證明有望以最小的污染實(shí)現(xiàn)對(duì)人體皮膚的高附著力，一致性和可重復(fù)性。

研究生物啟發(fā)結(jié)構(gòu)的干/濕粘合示意圖。a）生物結(jié)構(gòu)的代表性例子b）模仿生物結(jié)構(gòu)以開發(fā)皮膚貼片和生物電子學(xué)的結(jié)構(gòu)界面。

多種材質(zhì)
目前，3D打印可以構(gòu)建多材料或復(fù)合系統(tǒng)，并提高用戶定義位置的性能。在受自然結(jié)構(gòu)啟發(fā)的單個(gè)組件中，硬度、耐腐蝕性和環(huán)境適應(yīng)性等性能可以在最需要的區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化。這些新技術(shù)可以生產(chǎn)令人興奮的多功能組件，這是傳統(tǒng)的單材料3D打印所無法做到的。

Bouligand結(jié)構(gòu)材料
Bouligand型結(jié)構(gòu)是一種特殊的層次結(jié)構(gòu)，可以在保持少量質(zhì)量的同時(shí)獲得優(yōu)異的機(jī)械性能。Sun等人通過控制不同層之間的角度，使用FDM方法用聚乳酸（PLA）構(gòu)建Bouligand型結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，機(jī)械性能得到改善，10度時(shí)的最大極限強(qiáng)度為57 MPa，15度時(shí)的韌性為1.4 N/mm2（圖3A）。Moini等人（2018年）建造了用于土木工程的Bouligand型水泥結(jié)構(gòu)，他們發(fā)現(xiàn)與具有同等密度的傳統(tǒng)鑄造結(jié)構(gòu)相比，其性能顯著提高（圖3B）。Zaheri等人（2018年）受無花果甲蟲角質(zhì)層螺旋狀結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，研究了微觀結(jié)構(gòu)變化的實(shí)驗(yàn)和分析。這是通過進(jìn)行機(jī)械分析并使用3D打印制造纖維增強(qiáng)合成螺旋復(fù)合材料來實(shí)現(xiàn)的，該復(fù)合材料由用于基體的軟橡膠類聚合物和用于纖維的剛性聚合物制成（圖3C；Zaheri等人，2018）。Yang等人應(yīng)用外部電場(chǎng)來控制樹脂基體中碳納米管（CNT）的對(duì)準(zhǔn)，以制造布利甘型對(duì)準(zhǔn)表面功能化MWCNT-S（圖3D；Yang等人，2017）。

圖3 示意圖說明了Bouligand微觀結(jié)構(gòu)的3D打印研究，（A）設(shè)計(jì)用于拉伸試驗(yàn)的平行掃描路徑；（B）與鑄造控制盤的斷裂模量（MOR）相比，具有不同節(jié)角和填充百分比的Bouligand結(jié)構(gòu)的斷裂模量與相對(duì)密度；（C）螺旋結(jié)構(gòu)示意圖；（D） Bouligand型MWCNT-S仿生建筑的電輔助3D打�。唬‥） Bouligand結(jié)構(gòu)的磁性3D打印以及具有不同比率或嵌入微觀結(jié)構(gòu)的部件的沖擊強(qiáng)度比較。

Ren等（2018）將磁場(chǎng)應(yīng)用于仿生結(jié)構(gòu)材料的3D打印制造過程，以獲得受螳螂蝦“人字形”螺旋結(jié)構(gòu)和阿拉伯長(zhǎng)臂猿Bouligand結(jié)構(gòu)啟發(fā)的微觀結(jié)構(gòu)（圖3E）。在提高機(jī)械性能和缺陷容限的同時(shí)，印花長(zhǎng)絲的結(jié)構(gòu)保持了較高的比強(qiáng)度，可用于航空航天工程中的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)。

具有布配體型MWCNT-S的仿生結(jié)構(gòu)可以通過電動(dòng)輔助3D打印來重建。a）美洲蕓香的示意圖和用布配體型甲殼素蛋白纖維制成的爪子的微觀結(jié)構(gòu)。b）通過電極旋轉(zhuǎn)不同排列的碳納米管示意圖。c）裂縫表面的光學(xué)顯微鏡圖像和裂縫表面的掃描電鏡圖像，用于MWCNT-S的不同對(duì)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)于（b）。d）由電輔助納米復(fù)合材料3D打印制造的逐層生物啟發(fā)的BOUCNT型MWCNT-S的示意圖。

生物有機(jī)體中布配體排列結(jié)構(gòu)的多功能性與其強(qiáng)大的機(jī)械性能相結(jié)合，使其成為新材料設(shè)計(jì)的豐富靈感來源。天然材料中布配體排列結(jié)構(gòu)的特殊例子可以在巨骨舌魚的鱗片以及螃蟹和美洲霍馬魯斯的爪子中找到，這些魚片用于保護(hù)自己免受早熟或?qū)ｉT用于近距離戰(zhàn)斗（上圖a）。布配體排列纖維的存在通過增加能量耗散和斷裂韌性來增強(qiáng)抗沖擊性。這里提出了一種稱為電輔助納米復(fù)合3D打印的方法，該方法可以通過控制旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)來動(dòng)態(tài)對(duì)齊MWCNT-S，以制造受生物啟發(fā)的加固結(jié)構(gòu)。

擠壓巴薩木結(jié)構(gòu)
由于在擠壓過程中纖維通過剪切力對(duì)齊，巴薩木啟發(fā)結(jié)構(gòu)被廣泛研究并通過基于擠壓的3D打印方法制造。不僅生產(chǎn)和管理表面結(jié)構(gòu)以改善材料的總體機(jī)械性能，而且還可以通過創(chuàng)建獨(dú)特的內(nèi)部布局來提高性能。輕質(zhì)蜂窩復(fù)合材料是一種高性能結(jié)構(gòu)材料，在承載、能量吸收、減振和絕緣方面具有廣闊的應(yīng)用前景。輕木結(jié)構(gòu)是自然界的多孔材料之一，具有出色的強(qiáng)度重量比和剛度重量比，以及出色的能量吸收。 Compton等人制備了一種由3D直接墨水書寫產(chǎn)生的巴薩木仿生結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通過剪切力沿打印方向?qū)�銑削碳纖維（220μm長(zhǎng)）定向在環(huán)氧樹脂中（圖4A）。通過該工藝印制的拉伸鋼筋的楊氏模量約為商業(yè)3D印制環(huán)氧樹脂（2.66 GPa）的10倍。這種新興的3D打印技術(shù)不僅展示了一種新的省時(shí)制造方法，而且還降低了生產(chǎn)過程中不必要的成本。

圖4示意圖說明了輕木中對(duì)齊的纖維結(jié)構(gòu)。（A）帶有定向SiC/C纖維的3D印刷三角形蜂窩復(fù)合材料的光學(xué)圖像；（B）受輕木啟發(fā)的多孔復(fù)合材料多尺度建模方法示意圖；（C）真菌類模擬材料的超分子組織；（D）顯示通過旋轉(zhuǎn)噴嘴旋轉(zhuǎn)3D打印以獲得螺旋圖案時(shí)纖維方向的示意圖。

本研究還強(qiáng)調(diào)了基于直接墨水書寫（DIW）的大規(guī)模3D打印設(shè)備在FLAM材料制造渦輪葉片和改善其表面光潔度和功能方面的獨(dú)特應(yīng)用。

打印機(jī)和超聲波操作裝置的示意圖。

在3D打印部件中引入短纖維微尺度增強(qiáng)材料是目前的興趣，以改善基于聚合物的3D打印組件的結(jié)構(gòu)性能。為了完全控制微觀結(jié)構(gòu)的分布和取向，需要一種替代熔融長(zhǎng)絲制造打印的方法，以便設(shè)計(jì)人員可以對(duì)顆粒進(jìn)行完整的3D放置控制，而沒有任何強(qiáng)加的制造限制。

Nacre構(gòu)造
珍珠層的“磚和砂漿”結(jié)構(gòu)是自然界中最常見的仿生設(shè)計(jì)，這種結(jié)構(gòu)可以用作體育應(yīng)用、航空航天和其他相關(guān)領(lǐng)域的輕型和堅(jiān)固的防護(hù)罩。Tran等人還提出了一種3D打印方法，用于制作珍珠層啟發(fā)的Voronoi基復(fù)合結(jié)構(gòu)（圖5B），從而能夠制作可用于各種潛在應(yīng)用的輕質(zhì)和堅(jiān)固結(jié)構(gòu)。Yang等人提出了一種通過3D打印制造受珍珠層啟發(fā)的多功能設(shè)備的新方法（圖5C）。電子輔助3D打印用于校準(zhǔn)石墨烯納米板（GNs），GNs充當(dāng)磚塊，而聚合物在其間充當(dāng)砂漿。研究了3D打印珍珠層的力學(xué)/電學(xué)特性，并比較了具有排列GN的珍珠層激發(fā)結(jié)構(gòu)和具有隨機(jī)GN的結(jié)構(gòu)。通過對(duì)齊GN，3D打印結(jié)構(gòu)材料顯示出了更好的斷裂韌性、抗沖擊性和導(dǎo)電性。

圖5 示意圖說明了珍珠層的微觀結(jié)構(gòu)。（A）有限元（FE）模型指導(dǎo)的珍珠層啟發(fā)結(jié)構(gòu)的3D打�。唬˙）鮑魚殼的微觀結(jié)構(gòu)顯示出磚和砂漿結(jié)構(gòu)；（C）電輔助3D打印產(chǎn)生的具有各向異性電性能的珍珠層模型和自感知智能頭盔；（D）海螺殼啟發(fā)的三層碳酸鈣跨層結(jié)構(gòu)的3D打印。

Menger結(jié)構(gòu)旨在演示使用布配體型MWCNT-S進(jìn)行電動(dòng)輔助3D打印，以實(shí)現(xiàn)新型堅(jiān)固輕質(zhì)復(fù)合材料。下圖顯示了使用PA / MWCNT-S復(fù)合材料的Menger海綿模型的3D打印過程。在打印過程中，電場(chǎng)用于啟用MWCNT-S的方向。下圖g中的顯微鏡圖像顯示模型（5 mm × 5 mm）已成功構(gòu)建，層厚度為25 μm。模型中正方形的長(zhǎng)度分別為2 mm，750 μm和250 μm（不同顏色的三角形是顯示模型不同部分的顯微鏡的標(biāo)簽）。橫截面展示了逐層制造過程。層厚度的均勻性顯示了建筑加固建筑中對(duì)電動(dòng)輔助3D打印的控制。SEM圖像顯示層之間沒有缺陷，這表明層間粘合很強(qiáng)。

電動(dòng)輔助3D打印功能模型打印過程示意圖。

改變形狀的材料
仿生結(jié)構(gòu)和仿生運(yùn)動(dòng)可以提高人造材料的力學(xué)性能。Arslan等人（2019年）發(fā)現(xiàn)了一種生物啟發(fā)設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)采用線性水凝膠致動(dòng)器，由無溫度響應(yīng)填料和增強(qiáng)型溫度響應(yīng)聚合物制成（圖6B）。通過在特定溫度下操縱部件的幾何設(shè)計(jì)和方向，致動(dòng)器引入了鞍形形狀變化和其他運(yùn)動(dòng)。這項(xiàng)研究還發(fā)現(xiàn)，臨界模量的下限（15 kPa）足以打印自支撐3D結(jié)構(gòu)。由于形狀的變化，強(qiáng)化結(jié)構(gòu)受到自然濕度形態(tài)和種子莢的啟發(fā)，通過響應(yīng)濕度的刺激，模擬生物有機(jī)體的運(yùn)動(dòng)，誘導(dǎo)彎曲和扭曲運(yùn)動(dòng)。結(jié)果表明，由功能部件模塊化組裝而成的仿生形狀，由于刺激誘導(dǎo)控制機(jī)制，在制造具有仿生運(yùn)動(dòng)的軟器件方面具有巨大潛力。

圖6 通過3D打印表示形狀變化材料結(jié)構(gòu)的示意圖。

Mao等人研究了通過形狀記憶聚合物和水凝膠的3D打印設(shè)計(jì)的可逆形狀變化組件（圖6C；Mao等人，2016）。此外，由于受生物啟發(fā)的軟致動(dòng)器與人類及其周圍環(huán)境的相互作用具有安全性，因此引起了人們的關(guān)注（圖6D；Schaffner等人，2018）。本研究進(jìn)一步推動(dòng)了運(yùn)動(dòng)精確控制的軟致動(dòng)器的發(fā)展，它在需要安全機(jī)器人與人交互的領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。

立體光刻在30年內(nèi)的市場(chǎng)演變。

液體樹脂固化因其簡(jiǎn)單易行而廣泛應(yīng)用于3D打印（Manapat等人，2017）。當(dāng)兩種或多種單片材料組合在一起時(shí)，復(fù)合材料就形成了，使得更強(qiáng)和剛性的增強(qiáng)相分散在較弱的連續(xù)相中，稱為基體。如果兩相中的任何一個(gè)具有十億分之一米尺度的一個(gè)，兩個(gè)或三個(gè)尺寸，則所得材料被歸類為納米復(fù)合材料。SLA將在未來30年內(nèi)走向直接制造（上圖），涉及納米復(fù)合材料的新型化學(xué)或更好的交聯(lián)策略。在聚合物的情況下，這將導(dǎo)致更多的熱固性或高性能聚合物性能，具有高熱機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

在自下而上的方法中，樹脂位于可移動(dòng)的構(gòu)建平臺(tái)的頂部。在印刷過程中，構(gòu)建平臺(tái)最初放置在僅暴露在表面上的薄層樹脂的位置。激光掃描暴露的樹脂，形成具有2D圖案的固化層。打印一層后，構(gòu)建平臺(tái)向下移動(dòng)，滾筒提供一層新的未固化樹脂。通過確保固化深度大于樹脂層厚度，可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的層間粘合力。

自下而上的 SLA（左）和自上而下的 SLA（右）的方案。

結(jié)論與展望
經(jīng)過數(shù)百萬年的進(jìn)化，自然結(jié)構(gòu)和材料已經(jīng)進(jìn)化出優(yōu)良的力學(xué)性能。但這些自然結(jié)構(gòu)往往過于復(fù)雜，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)制造技術(shù)的范圍。增材制造（3D打�。┯捎谄渲圃鞆�(fù)雜結(jié)構(gòu)的能力，在設(shè)計(jì)和建造仿生結(jié)構(gòu)方面顯示出巨大的優(yōu)勢(shì)。機(jī)械增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的仿生3D打印的進(jìn)一步發(fā)展將取決于材料和結(jié)構(gòu)的發(fā)展，以進(jìn)一步提高拉伸模量、抗沖擊性和韌性。此外，還需要開發(fā)新的3D打印工藝，如更高的分辨率、多材料能力、更大的打印面積和更低的制造成本。

最近，生物靈感3D打印的研究已從單一功能特性的研究轉(zhuǎn)變?yōu)槎喙δ芴匦�，因�(yàn)榇蠖鄶?shù)自然結(jié)構(gòu)具有多功能特性（例如機(jī)械/電氣/熱特性的組合）。使用了多種類型的聚合物，而天然珍珠層通過結(jié)合陶瓷和聚合物形成了優(yōu)良的結(jié)構(gòu)。這一點(diǎn)以及各層之間的相互聯(lián)系目前很難實(shí)現(xiàn)。這一困難仍然是用聚合物、陶瓷和金屬建造仿生多材料結(jié)構(gòu)的主要挑戰(zhàn)。外部場(chǎng)輔助3D打印技術(shù)在構(gòu)建仿生結(jié)構(gòu)方面表現(xiàn)出出色的能力，但目前打印樣本的大小僅限于厘米。為車輛、裝甲和航空航天工程的實(shí)際應(yīng)用建造大型結(jié)構(gòu)仍然具有挑戰(zhàn)性。

此外，自然界中的一些結(jié)構(gòu)在單層中包括不同排列的互鎖填料，需要對(duì)此進(jìn)行進(jìn)一步研究。生物靈感3D打印的進(jìn)一步研究在于開發(fā)多材料打印技術(shù)、高分辨率打印以及使用3D打印輔助傳統(tǒng)技術(shù)。幸運(yùn)的是，當(dāng)今制造和技術(shù)環(huán)境的快速發(fā)展正在推動(dòng)生物靈感3D打印技術(shù)的進(jìn)步。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，使用新材料和新3D打印工藝的下一代自然啟發(fā)結(jié)構(gòu)的未來發(fā)展需要環(huán)保、降低成本、使用綠色能源，并具有先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)。總的來說，了解自然結(jié)構(gòu)的機(jī)制可以促進(jìn)3D打印工藝的發(fā)展，3D打印工藝將在未來的工程應(yīng)用中發(fā)揮重要作用，例如防彈衣、機(jī)器人手臂、藥物輸送等。

來源：Recent Advancements in Biomimetic 3D Printing Materials With Enhanced Mechanical Properties, Frontiers in Materials, doi.org/10.3389/fmats.2021.518886

參考文獻(xiàn)：Laser additive manufacturing of bio-inspired lattice structure: forming quality, microstructure and energy absorption behavior. Mater. Sci. Eng. A 773:138857. doi: 10.1016/j.msea.2019.138857