2023年上半年，3D打印發(fā)布的7篇Nature/Science正刊

來源：高分子科學前沿

3D打印可以有效地創(chuàng)建復雜的三維材料結構，在許多領域顯示出巨大的應用潛力，如醫(yī)學、電子學、機器人和航空航天。在打印材料、打印技術（速度、精度）等方面已經取得了許多進展，今天我們一起回顧一下2023年上半年發(fā)表在《Science》和《Nature》上的突破性進展。

01
Science：降低500度！低溫、無燒結納米級透明玻璃3D打印技術



加利福尼亞州立大學J. Bauer團隊提出了一種無需燒結，低溫實現(xiàn)3D打印硅玻璃的技術，可以實現(xiàn)復雜的透明熔融石英玻璃納米結構的制造。該技術主要采用丙烯酸酯功能化的多面體低聚硅氧烷（POSS）樹脂進行自由形態(tài)熔融二氧化硅納米結構的無燒結、雙光子聚合，以實現(xiàn)納米結構的打印。與傳統(tǒng)通過犧牲性粘合劑不同，這種POSS樹脂本身構成了一個連續(xù)的硅氧分子網絡，僅在650℃時就能形成透明的熔融石英。這個溫度比將離散的二氧化硅顆粒熔化成連續(xù)體的燒結溫度低500°C。相關工作以“A sinterless, low-temperature route to 3D print nanoscale optical-grade glass”為題，于2023年6月1日發(fā)表在《Science》上。



全文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq3037

02
Science：高精度3D打印有機硅



美國弗羅里達大學Thomas E Angelini團隊開發(fā)了一種由PDMS為基材的3D打印精確、復雜細節(jié)結構的方法。該方法主要采用一種由硅油乳液制成的支撐材料，這種材料對有機硅油墨的界面張力可以忽略不計，消除了經常導致印刷有機硅特征變形和斷裂的破壞性力量，這種方法在文中被稱為為超低界面張力的增材制造。這種方法的多功能性使得能夠使用成熟的有機硅配方來制造直徑小至8微米的復雜結構和特征。通過調整這種支撐材料的彈性和流動特性實現(xiàn)了高性能打印，能夠制造出復雜的形狀，例如腦動脈瘤模型和功能性三葉心臟瓣膜。通過使用幾種不同的市售PDMS配方來打印各種結構，證明了該打印技術不需要專門的油墨。在深入的研究后，發(fā)現(xiàn)打印的3D打印結構比模制結構更具可擴展性并且機械性能良好。相關工作以“A silicone-based support material eliminates interfacial instabilities in 3D silicone printing”為題，于2023年3月23日發(fā)表在《Science》上。



全文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade4441

03
Science：3D打印+機器學習



美國弗吉尼亞大學Tao Sun團隊開發(fā)出一種高精度的方法，可以利用機器學習從熱特征中檢測出孔隙的形成，實施這種孔隙形成跟蹤有助于避免建造由于高孔隙率而導致失效的部件。通過同步高速同步x射線成像和熱成像，結合多物理模擬，發(fā)現(xiàn)了Ti-6Al-4V激光粉末床熔合過程中的兩種小孔振蕩。進一步通過機器學習擴大了這種理解，實現(xiàn)了以亞毫秒級的時間分辨率和近乎完美的預測率來檢測隨機小孔孔隙生成事件，這一簡單實用的策略有望在商業(yè)系統(tǒng)中得到應用。相關工作以“Machine learning–aided real-time detection of keyhole pore generation in laser powder bed fusion”為題，于2023年1月5日發(fā)表在《Science》上。



全文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.add4667

04
Nature：3D打印鈦合金



皇家墨爾本理工大學Ma Qian教授和悉尼大學Simon P. Ringer教授將合金設計與3D打印相結合，展示了一系列具有優(yōu)異拉伸性能的鈦-氧-鐵合金。豐富的氧氣和鐵以及簡單的工藝使鈦-氧-鐵合金對各種應用具有吸引力，也為目前作為工業(yè)廢料的非等級海綿鈦或海綿鈦-氧化鐵的工業(yè)規(guī)模使用提供了方向。相關工作以“Strong and ductile titanium–oxygen–iron alloys by additive manufacturing”為題，于2023年5月31日發(fā)表在《Nature》上。



全文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-05952-6

05
《Nature》高通量打印梯度材料



美國圣母大學張艷良教授團隊報告了一種高通量的組合打印方法，能夠以微觀空間分辨率制造具有成分梯度的材料。在氣溶膠階段進行原位混合和打印，可以即時調整各種材料的混合比例，這是使用液-液或固-固階段的原料進行傳統(tǒng)多材料打印時無法實現(xiàn)的重要特征。作者展示了各種高通量的打印策略和在組合摻雜、功能分級和化學反應方面的應用，使摻雜硫族化物和具有梯度特性的成分分級材料的材料探索成為可能。將增材制造的自上而下的設計自由與自下而上的對局部材料成分的控制結合起來的能力，有望開發(fā)出傳統(tǒng)制造方法所無法達到的成分復雜的材料。相關工作以“High-throughput printing of combinatorial materials from aerosols”為題，于2023年5月10日發(fā)表在《Nature》上。



全文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-05898-9

06
Nature：新型3D打印合金可承受極端條件



美國宇航局格倫研究中心Timothy M. Smith使用模型驅動的合金設計方法和激光快速制造技術，開發(fā)了一種新的氧化-分散-強化鎳鈷基合金。這種被稱為GRX-810的氧化物分散強化合金，使用激光粉末床熔融技術將納米級Y2O3顆粒分散到整個微觀結構中。GRX-810在1093℃下與傳統(tǒng)多晶鍛造鎳基合金相比，其強度提高了2倍，蠕變性能提高了1000倍，抗氧化性提高了2倍。這些結果展示了未來的合金開發(fā)是如何利用分散強化與增材制造加工相結合，有助于加速發(fā)現(xiàn)革命性的材料。相關工作以“A 3D printable alloy designed for extreme environments”為題，于2023年4月19日發(fā)表在《Nature》上。



全文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-05893-0

07
Nature：旋轉多材料3D打印



哈佛大學Jennifer A. Lewis團隊設計了一種旋轉的多材料3D打印平臺，可以控制3D打印細絲實現(xiàn)異質螺旋亞三維結構。通過控制連續(xù)旋轉多材料噴嘴角速度與平移速度比，可以在給定的圓柱體細絲中創(chuàng)建了具有可編程螺旋角度、層厚度和界面面積的螺旋絲亞三維結構。利用這種打印方法，在介電彈性體基體中嵌入了導電螺旋通道，實現(xiàn)了可靈活調控的功能性人造肌肉。相關工作以“Rotational multimaterial printing of filaments with subvoxel control”為題，于2023年1月18日發(fā)表在《Nature》上。



全文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05490-7