3D打印科研突破：2023年《Science》和《Nature》正刊上的十篇文章

3D打印可以有效地創(chuàng)建復(fù)雜的三維材料結(jié)構(gòu)，在許多領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用潛力，如醫(yī)學(xué)、電子學(xué)、機(jī)器人和航空航天。在打印材料、打印技術(shù)（速度、精度）等方面已經(jīng)取得了許多進(jìn)展。

《Nature》和《Science》期刊是在學(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，3D打印作為近些年的熱門技術(shù)，眾多研究團(tuán)隊(duì)在上面發(fā)表過非常多與之相關(guān)的科研成果，南極熊整理了十篇2023年正刊相關(guān)文章。

一、《Science》：深穿透聲學(xué)體積打印(DAVP)——使用粘彈性墨水和高強(qiáng)度聚焦超聲波





來自哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院和杜克大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一種新的3D打印方法，稱為深穿透聲學(xué)體積打�。―VAP），該技術(shù)使用粘彈性墨水和高強(qiáng)度聚焦超聲波。相關(guān)研究成果以題為《Self-enhancing sono-inks enable deep-penetration acoustic volumetric printing》發(fā)表在《Science》上。



體積打印是一種新興的增材制造技術(shù)，可以提高打印速度和表面質(zhì)量�，F(xiàn)有的體積打印技術(shù)幾乎完全依賴光能來觸發(fā)光敏材料的光聚合反應(yīng)，限制了材料的選擇和構(gòu)建尺寸。

此研究使用了一種用于深穿透聲學(xué)體積打�。―AVP）的自增強(qiáng)聲波墨水（或聲波墨水）設(shè)計(jì)和相應(yīng)的聚焦超聲書寫技術(shù)，使用實(shí)驗(yàn)和聲學(xué)建模來研究頻率和掃描速率相關(guān)的聲學(xué)打印行為。DAVP 實(shí)現(xiàn)了低聲流、快速聲熱聚合和大打印深度的關(guān)鍵特征，能夠打印各種形狀的體積水凝膠和納米復(fù)合材料。DAVP 還允許在生物組織中進(jìn)行厘米深度的打印，為微創(chuàng)醫(yī)學(xué)鋪平了道路！

全文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi1563

二、《Science》:普適性的納米材料3D打印新方法



清華大學(xué)化學(xué)系張昊副教授、李景虹院士、精密儀器系林琳涵副教授、孫洪波教授共同開發(fā)了一種普適性的納米材料3D打印新方法，簡(jiǎn)稱為3D Pin，通過引入光敏氮賓小分子，實(shí)現(xiàn)了多種無機(jī)納米材料（半導(dǎo)體、金屬、氧化物納米材料）的納米級(jí)3D打印，結(jié)構(gòu)具有高的無機(jī)組分占比，并具有優(yōu)異的力學(xué)性能與可調(diào)諧的光學(xué)性能。相關(guān)研究成果以題為《3D printing of inorganic nanomaterials by photochemically bonding colloidal nanocrystals》發(fā)表在《Science》上。



3D Pin工作原理：膠體納米晶體由內(nèi)部的無機(jī)組分與表面配體組成，其中配體通過空間位阻或電荷排斥作用使納米晶體在溶液中保持膠體穩(wěn)定性，起到重要作用。3D Pin通過光化學(xué)的方法，在膠體納米晶溶液中添加少量小分子的雙疊氮分子，用光引發(fā)氮賓生成與有機(jī)配體的非特異性C-H插入反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)納米晶之間的強(qiáng)共價(jià)鍵連接。隨著光源在溶液中移動(dòng)，納米晶經(jīng)歷了擴(kuò)散-聚集-鍵合的過程，形成復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。疊氮分子具有特定波段的紫外吸收，可以通過相應(yīng)紫外光的單光子吸收過程與長(zhǎng)波的雙光子吸收過程實(shí)現(xiàn)不同分辨率的打印，F(xiàn)TIR與XPS證實(shí)了該反應(yīng)機(jī)理。這種非特異性的反應(yīng)機(jī)理導(dǎo)致了該方法可以普適性地應(yīng)用在各類膠體納米晶體中。

全文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg6681

三、《Science》：石英玻璃3D打印工藝，免燒結(jié)！



來自德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院和加利福尼亞州立大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種新的石英玻璃3D打印工藝，使用雙光子聚合技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自由形式熔融二氧化硅納米結(jié)構(gòu)的免燒結(jié)打印制造，這在3D打印領(lǐng)域引起不小的轟動(dòng)。他們的研究已經(jīng)發(fā)表在了《Science》上，題目為《A sinterless, low-temperature route to 3D print nanoscale optical-grade glass》(《一種無燒結(jié)、低溫的3D打印納米級(jí)光學(xué)玻璃的工藝》)。

該技術(shù)主要采用丙烯酸酯功能化的多面體低聚硅氧烷（POSS）樹脂進(jìn)行自由形態(tài)熔融二氧化硅納米結(jié)構(gòu)的無燒結(jié)、雙光子聚合，以實(shí)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)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(gòu)成了一個(gè)連續(xù)的硅氧分子網(wǎng)絡(luò)，僅在650℃時(shí)就能形成透明的熔融石英。這個(gè)溫度比將離散的二氧化硅顆粒熔化成連續(xù)體的燒結(jié)溫度低500°C。


△熔融石英結(jié)構(gòu)的顯微照片

這種玻璃 3D 打印的新工藝為高科技應(yīng)用、光子學(xué)和微光學(xué)開辟了許多有趣且具有前瞻性的可能性。POSS-玻璃 TPP 3D 打印路線可能有助于重新定義硅玻璃自由形式制造的范例，并克服主導(dǎo)該領(lǐng)域的基于粒子的方法的基本局限性：

●研究的關(guān)鍵創(chuàng)新在于開發(fā)的 POSS 樹脂，與載有顆粒的粘合劑相反，它是自身聚合成連續(xù)的硅氧分子網(wǎng)絡(luò)。因此，該材料避免了將離散二氧化硅顆粒燒結(jié)成連續(xù)體 所需的極端溫度，從而僅在 650°C 時(shí)即可轉(zhuǎn)化為熔融二氧化硅。

●基于 TPP 方法 ，通過將溫度降低約 500°C，這使得二氧化硅玻璃的自由形式合成低于微系統(tǒng)技術(shù)基本材料的熔點(diǎn)，包括銀、銅、金和鋁。這代表了一項(xiàng)突破，使透明物質(zhì)的片上 3D 打印從最先進(jìn)的有機(jī)聚合物發(fā)展為彈性光學(xué)級(jí)熔融石英。

●POSS 玻璃工藝突破了臨界分辨率限制，在可見光譜 中實(shí)現(xiàn)了自由形式的二氧化硅納米光子器件，同時(shí)能夠制造數(shù)百個(gè)微米尺寸的高縱橫比結(jié)構(gòu)。

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

四、《Science》：高精度3D打印有機(jī)硅



佛羅里達(dá)大學(xué)研究人員開發(fā)了一種有機(jī)硅 3D 打印技術(shù)，該技術(shù)可使用多種市售有機(jī)硅配方生產(chǎn)出精密、準(zhǔn)確、堅(jiān)固且功能強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)。為了達(dá)到這種性能水平，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一由硅油乳液制成種的支撐材料。這種材料對(duì)硅基油墨表現(xiàn)出的界面張力可以忽略不計(jì)，消除了通常會(huì)導(dǎo)致打印的硅樹脂特征變形和斷裂的破壞力。他們的研究?jī)?nèi)容已經(jīng)發(fā)表在了頂刊《Science》上，題目為《A silicone-based support material eliminates interfacial instabilities in 3D silicone printing》。

研究人員通過使用被硅油連續(xù)相包圍的密集乳液作為支持材料，用硅基材料 3D 打印出精確、獨(dú)立、高度詳細(xì)的物體。這種技術(shù)可以精確控制支撐材料和打印流體之間的界面張力。作者證明，他們可以打印小至4微米的特征，以及機(jī)械堅(jiān)固、薄壁、精確的人體脈管系統(tǒng)模型。



打印油墨和其支持材料之間界面張力會(huì)對(duì)3D打印結(jié)構(gòu)造成破壞性。研究結(jié)果表明，AMULIT技術(shù)的多功能性消除了為3D應(yīng)用配制專門的PDMS油墨的需要，改進(jìn)了以前的硅膠打印方法。AMULIT的關(guān)鍵在于配制與其支持的油墨化學(xué)性質(zhì)相似的支持材料，在這種情況下，PDMS油墨被打印到PDMS油的連續(xù)體中，同樣的原則也可用于水性聚合物。

油墨和支撐介質(zhì)之間的化學(xué)性質(zhì)相似，到兩種材料之間的混合不會(huì)影響打印質(zhì)量。此外，乳狀液之間的弱的吸引力相互作用可能會(huì)使界面的另一側(cè)發(fā)生反應(yīng)。鑒于聚合物系統(tǒng)的多樣性和可用性，以及AMULIT支持材料配方的簡(jiǎn)單性，AMULIT方法在3D打印中的應(yīng)用范圍將超越硅基設(shè)備。

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

五、《Science》：3D打印+機(jī)器學(xué)習(xí)——檢測(cè)出孔隙的形成



美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)Tao Sun團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種高精度的方法，可以利用機(jī)器學(xué)習(xí)從熱特征中檢測(cè)出孔隙的形成，實(shí)施這種孔隙形成跟蹤有助于避免建造由于高孔隙率而導(dǎo)致失效的部件。通過同步高速同步x射線成像和熱成像，結(jié)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(jìn)一步通過機(jī)器學(xué)習(xí)擴(kuò)大了這種理解，實(shí)現(xiàn)了以亞毫秒級(jí)的時(shí)間分辨率和近乎完美的預(yù)測(cè)率來檢測(cè)隨機(jī)小孔孔隙生成事件，這一簡(jiǎn)單實(shí)用的策略有望在商業(yè)系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

相關(guān)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，這也是2023年首篇發(fā)表在《Science》上有關(guān)3D打印的論文。



△Ti6Al4V隨機(jī)孔隙的生成過程

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

六、《Nature》：視覺控制噴射(VCJ)技術(shù)



來自麻省理工學(xué)院、先進(jìn)增材制造解決方案的先驅(qū)Inkbit™公司和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員聯(lián)合開發(fā)了一種新型 3D 噴墨打印系統(tǒng)，展示了如何使用其視覺控制噴射(VCJ)技術(shù)直接在一次打印中制造復(fù)雜的多功能系統(tǒng)，無需組裝子組件，并且可使用更廣泛的材料。他們所采用的視VJC技術(shù)利用計(jì)算機(jī)視覺自動(dòng)掃描 3D 打印表面并實(shí)時(shí)調(diào)整每個(gè)噴嘴沉積的樹脂量，以確保任何區(qū)域的材料適當(dāng)。這項(xiàng)具有里程碑意義的研究以題為《Vision-controlled jetting forcomposite systems and robots》的論文于2023年11月15日發(fā)表在《Nature》雜志上。



Inkbit 的 VCJ 技術(shù)起源于傳統(tǒng)的噴墨 3D 打印，現(xiàn)在通過集成支持 AI 的3D 計(jì)算機(jī)視覺掃描系統(tǒng)，實(shí)時(shí)捕獲每層的打印幾何形狀，將其提升到一個(gè)全新的水平。這種數(shù)字閉環(huán)反饋控制操作消除了對(duì)機(jī)械平整裝置的需求，并能夠使用慢固化化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行打印，從而更精確地構(gòu)建聚合物鏈。因此，VCJ 可以直接準(zhǔn)確、精確地打印具有各種機(jī)械性能的復(fù)雜、多材料零件。

這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用非常廣泛。VCJ不僅增強(qiáng)了打印元件的分辨率和功能能力，它還可以制造復(fù)雜的通道和腔體內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，以通過結(jié)構(gòu)傳輸信號(hào)、電力或流體。借助 VCJ，現(xiàn)在可以直接制造能夠大規(guī)模執(zhí)行復(fù)雜物理任務(wù)的復(fù)雜多功能系統(tǒng)。為了展示 VCJ 的功能，研究人員打印了各種復(fù)雜的系統(tǒng)，例如：根據(jù) MRI 數(shù)據(jù)建模的肌腱驅(qū)動(dòng)手、氣動(dòng)行走機(jī)械手、模仿心臟的泵以及新穎的超材料結(jié)構(gòu)。

全文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06684-3

七、《Nature》：3D打印鈦合金——α-β Ti-O-Fe合金，堅(jiān)固、延展性和可持續(xù)！



香港理工大學(xué)科學(xué)家與皇家墨爾本理工大學(xué)和悉尼大學(xué)合作，成功利用3D打印解決了鈦合金生產(chǎn)中長(zhǎng)期存在的質(zhì)量和廢物管理等問題。這項(xiàng)研究以題為《Strong and ductiletitanium–oxygen–iron alloys by additive manufacturing》(《通過增材制造實(shí)現(xiàn)強(qiáng)韌性鈦氧鐵合金》)的論文發(fā)表在《Nature》雜志上。


△陳子斌博士

鈦合金是先進(jìn)的輕質(zhì)材料，在許多關(guān)鍵應(yīng)用中發(fā)揮著不可或缺的作用。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，創(chuàng)新地使用增材制造來生產(chǎn)鈦合金和其他潛在的金屬材料具有許多優(yōu)勢(shì)，例如降低成本、提高性能和可持續(xù)廢物管理。通過使用3D打印，研究團(tuán)隊(duì)生產(chǎn)出了一種新型的堅(jiān)固、延展性和可持續(xù)的鈦合金（α-β Ti-O-Fe合金）。這些性能是通過加入廉價(jià)且豐富的氧和鐵來實(shí)現(xiàn)的，它們是α-β 相鈦合金的兩種最強(qiáng)大的穩(wěn)定元素和強(qiáng)化劑。新型鈦合金在多種應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大的潛力——從航空航天和海洋工程到消費(fèi)電子產(chǎn)品和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備。

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

八、《Nature》：高通量打印梯度材料，在打印過程中可改變墨水混合比例



來自美國(guó)印第安納州圣母大學(xué)航空航天與機(jī)械工程副教授Yanliang Zhang開發(fā)了一種新穎的3D打印方法，該方法通過在單個(gè)打印噴嘴中混合多種霧化納米材料墨水完成打印，能夠以傳統(tǒng)制造方法無法實(shí)現(xiàn)的方式生產(chǎn)材料。這項(xiàng)研究以題為《High-throughput printing ofcombinatorial materials from aerosols》發(fā)表在《Nature》雜志上。



這種新的3D打印工藝被稱為高通量組合打印 (HTCP)，它是通過在單個(gè)打印噴嘴中混合多種霧化納米材料墨水完成打印，并且在打印過程中可改變墨水混合比例。HTCP方法可控制打印材料的3D結(jié)構(gòu)和局部成分，并以微尺度空間分辨率生產(chǎn)具有梯度成分和特性的材料。

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

九、《Nature》：新型3D打印合金可承受極端條件



美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)和俄亥俄州立大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在3D打印高溫材料方面取得了突破，這種材料可能會(huì)為飛機(jī)和航天器制造出更堅(jiān)固、更耐用的部件。相關(guān)研究以《A 3D printable alloy designed for extreme environments》為題發(fā)表在《Nature》上。論文中詳細(xì)介紹了新合金GRX-810的特性。GRX-810是在NASA的“TTT”項(xiàng)目下開發(fā)的，得到了該機(jī)構(gòu)的研發(fā)計(jì)劃支持。


△3D打印制作NASA標(biāo)志。

GRX-810是一種氧化物彌散強(qiáng)化合金。換句話說，散布在合金各處的含有氧原子的微小顆粒增強(qiáng)了合金的強(qiáng)度。這種合金是制造用于高溫應(yīng)用的航空部件的極佳候選者，比如飛機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的部件，因?yàn)樗鼈冊(cè)谶_(dá)到斷裂點(diǎn)之前可以承受更惡劣的條件。目前最先進(jìn)的3D打印高溫合金可以承受高達(dá)2000華氏度的溫度。與這些相比，GRX-810的強(qiáng)度是它們的兩倍，耐用性是它們的1000倍以上，抗氧化性是它們的兩倍。

總之，研究人員提出了一種新的NiCoCr基ODS合金GRX-810的設(shè)計(jì)、表征和性能，與現(xiàn)有的AM合金相比，它在極端環(huán)境下具有優(yōu)越的性能。在合金設(shè)計(jì)中使用計(jì)算建模產(chǎn)生了平衡性能和可加工性的成分，具有先進(jìn)的表征，可以深入了解潛在的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)制。與目前使用的高溫合金相比，GRX-810在1093°C下的蠕變性能有了數(shù)量級(jí)的提高，從而可以將AM用于極端環(huán)境下的復(fù)雜部件。

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

十、《Nature》：旋轉(zhuǎn)多材料3D打印，將現(xiàn)有的打印細(xì)節(jié)拓展到了比“體素”更小的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)



來自哈佛大學(xué)約翰保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院和威斯生物啟發(fā)工程研究所的科研人員們將多材料和旋轉(zhuǎn)兩種要素結(jié)合并應(yīng)用在了3D打印技術(shù)上，創(chuàng)造了一個(gè)新型的旋轉(zhuǎn)多材料3D打印平臺(tái)（RM-3DP），實(shí)現(xiàn)了3D打印細(xì)絲中的亞體素控制。并且利用這一方法制造了高保真度螺旋介電彈性體致動(dòng)器，為研發(fā)功能性人造肌肉帶來了可能性。另外，研究團(tuán)隊(duì)還制造了分層晶格，利用結(jié)構(gòu)化的螺旋支柱在柔性框架中嵌入剛性彈簧，為仿生多功能材料開辟了新途徑。


△亞體素制造

據(jù)了解，RM-3DP具備兩個(gè)特征：
1. 具有方位異質(zhì)亞體素特征的多材料噴嘴
2. 打印頭配置了多個(gè)壓力控制的墨水槽以及噴嘴自由旋轉(zhuǎn)功能

RM-3DP的打印方式將熔融沉積與光固化兩種模式結(jié)合，結(jié)構(gòu)方面選取了FDM的龍門控制系統(tǒng)，而在打印材料方面則將聚二甲基硅氧烷（PDMS）或其他低聚物與光引發(fā)劑以及相應(yīng)添加劑混合成為粘性“墨水”并通過紫外燈光實(shí)現(xiàn)材料固化。通過以上技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)能夠在打印細(xì)絲內(nèi)部制造具有垂直或者螺旋形狀的亞結(jié)構(gòu)，將現(xiàn)有的打印細(xì)節(jié)拓展到了比“體素”更小的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)。

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

干貨總結(jié)