Nature子刊：大尺度3D打印-增材制造研究進展

來源：今日新材料

3D打�。ㄔ霾闹圃欤┛捎糜谧詣踊�制造建筑元件，以用于摩天大樓、飛機、火箭和太空基地等大型結構，無需人工干預。然而，大尺度3D打印的廣泛應用，首先必須克服材料、工藝、打印機和軟件控制方面的諸多挑戰(zhàn)。

在全球材料和能源消耗中，大型結構（如建筑物）占有很高的比例，并且有待提升其傳統(tǒng)制造工藝。3D打印（或稱增材制造）是一項可持續(xù)的顛覆性技術，正在徹底改變建筑和航空等諸多行業(yè)。3D打印包括創(chuàng)建數字設計（環(huán)保且易于轉換為3D對象并進行迭代），然后進行快速和智能的增材工藝（不需要模具并利用多個自由度）。該工藝過程，通過優(yōu)化設計，以最大限度地節(jié)省了材料，并免除了模板和/或模具需求，以減少了資源浪費。然而，傳統(tǒng)3D打印技術，大多局限于微米級到米級的制造，并且面臨著一些尚未解決的問題，例如無法實現多功能打印，這阻礙了大型復雜結構（如建筑物、飛機和火箭）的自動化制造。

自2010年以來，大尺度3D打印 (LS3DP) 已成為克服這些限制的解決方案。大尺度3D打印LS3DP已經成功應用于一些標志性建筑項目，如上海普陀橋（中國第一座3D打印聚合物橋梁，總打印長度為15.3米）3；成都大橋（目前世界上最長的3D打印聚合物橋梁，全長66.8米，打印長度21.6米）；SCG S&T大樓（中國第一個3D打印的可居住和可交付的兩層建筑，高6米）4；中國商飛C919飛機（3D打印翼肋3米）；以及人族1號火箭（33.5米高，85%的機身都是打印的）。

然而，大尺度3D打印LS3DP的采用，仍然受到一定程度的限制，因其龐大尺度帶來了新的挑戰(zhàn)，特別是在精度和效率之間的必要折衷。較厚層打印，以最小化打印時間的必要性，對打印結構的形狀、精度、質量和性能產生不利影響。因此，大尺度3D打印LS3DP，將極大地受益于材料、工藝、打印機和軟件控制，以促進大尺度3D打印的廣泛采用。

01
開發(fā)合適的材料和工藝

目前使用的材料，無論是在傳統(tǒng)的3D打印還是在大尺度3D打印LS3DP中，都是來源于傳統(tǒng)制造材料。例如，3D打印建筑通常使用水泥基材料、聚合物、金屬材料和木質材料。3D打印飛機和火箭部件，包括金屬材料或合金、聚合物、陶瓷和復合材料。然而，為了實現不同尺度和功能，必須通過使用新的添加劑、修正現有材料或自動化制備生產線，以擴大可打印材料的范圍5，以使其適用于大尺度3D打印LS3DP。此外，必須開發(fā)新材料制備工藝，將不可打印材料轉化為可打印材料，例如以增材制造作為數字材料合成方法。簡單地說，這一策略包括直接使用3D打印設備制造合成材料。該路線包括，從微觀尺度精確設計待合成材料的化學成分和物理性質，創(chuàng)建待合成材料的高精度微觀和宏觀三維模型，并將其轉換為可打印的程序。這種方法有望創(chuàng)造出功能梯度材料、智能材料、工程活性材料甚至超材料，這無疑超越傳統(tǒng)制造或自然界材料。

此外，由于3D打印是一種逐層添加工藝，在大尺度打印結構中，不能忽視傳統(tǒng)3D打印中的幾個典型問題（如打印層之間的弱結合、材料缺陷1和各種各向異性2）。因此，需要制定減輕這些限制的策略。實例包括具有不同拉伸強度材料的同時打印、打印和結構增強的同步、通過打印路徑設計的結構增強，以及通過物理化學處理的材料改性。

還需要開發(fā)更先進的工藝，如大尺度4D打�。↙S4DP），其中，第四維指的是依賴于時間的轉換。大尺度4D打印，可用于開發(fā)可控的多功能結構，使用具有感知、進化、學習、適應、組裝、保留記憶和愈合能力的材料。大尺度4D打印LS4DP需要可控和可編程的響應和/或智能材料，其響應外部刺激（或觸發(fā)打印結構中的移位的編程控制），并且可以使用機械模型進行研究，以準確地預測和控制所需的變化。大尺度4D打印LS4DP還必須克服打印結構尺寸固有的新挑戰(zhàn)，例如在多次循環(huán)變化后，無法有效恢復到原始狀態(tài)。盡管如此，大尺度4D打印技術，為高性能結構工程提供了潛在的應用，其中形狀、性能和功能是自調節(jié)的。

02
創(chuàng)建集成和多功能結構

大多數小尺度和常規(guī)尺度3D打印，僅限于單一材料、單一工藝的打印，這使得制造具有多種特性和功能的產品變得困難。例如，可以打印大型飛機的機身和建筑物的墻壁，但不能同時打印飛機的功能部件和必要的電子元件，也不能將管道和電纜集成到建筑物的墻壁中。因此，理想情況下，大尺度3D打印LS3DP應該是多尺度（涵蓋宏觀、介觀、微米和納米尺度）、多材料（集成剛性到柔性材料）和多工藝（結合多種工藝，如傳統(tǒng)3D打印或減式制造或在它們之間切換），以實現完全集成和自主制造。這項大尺度3D打印技術的潛在應用，涉及太空中的自維護車輛和人工生態(tài)系統(tǒng)，以及氣候適應性、低能耗、低碳和完全互動的智能建筑。

03
克服尺寸限制

對于打印具有不同尺度、形狀和功能的大型結構來說，開發(fā)與各種工藝和材料兼容的打印設備，是至關重要的�；�于大尺度3D打印LS3DP打印機的構造有兩種方法。第一種是預制3D打印，即將大型結構分割成適當大小的組件，然后將這些組件打印出來，再與可靠的連接器組裝在一起。第二種是整體3D打印，將大型結構分成適當厚度的層，然后逐層打印大型結構。然而，對于適用于任何一種方法的大尺度3D打印LS3DP打印機，必須是靈活的，并且具有可擴展的打印范圍。

因此，需要開發(fā)新型打印機，如模塊化導軌自適應放大3D打印機、具有打印和同步支持的3D打印機，以實現懸掛式水平結構、移動3D打印機或工廠以及3D打印移動機器人團隊，以實現水平方向的無限打印。在垂直方向上，開發(fā)自攀爬3D打印機、可附著在打印結構上的攀爬3D打印機、可穿越打印層的爬行3D打印機器人以及仿生3D打印機器人6，可以幫助實現無界打印unbounded printing。

04
提高打印精度和效率

為了高效、準確地控制打印，保證打印過程的安全性，確保最終打印結構滿足預期目標和功能，必須開發(fā)定量的打印控制方程和關系，使預期目標與打印工藝、材料和打印機相匹配。在該過程中，還需要結合材料適印性數據庫來控制打印。最后，大尺度3D打印LS3DP需要僅在結構或功能需要的地方打印材料7，在正確的位置打印正確類型的材料（具有最佳比例），并打印獨特功能的獨特結構1，從而主動確保打印結構的高性能和多功能性。

05
適應極端環(huán)境的大尺度3D打印

自動化大尺度3D打印LS3DP還可滿足極端環(huán)境中的迫切需求，這些極端環(huán)境對人類操作員來說是高風險的，例如地下或災后現場、廢棄的核設施或水下。此外，大尺度3D打印LS3DP非常適合用于空間探索的空間基地建設8，這些基地需要遠程、無人和現場建設。然而，在實現這些應用之前，仍然需要克服各種挑戰(zhàn)。值得注意的是，為了在原地建造建筑物，有必要開發(fā)自動化設備，以概述工程調查，收集必要的自然資源，并準備和打印材料。對于后者，一種解決方案是使用可遠程控制的輕型3D打印機器人。

06
可持續(xù)性考慮

還必須考慮材料在整個生命周期中的可持續(xù)使用，包括材料設計、原材料生產和提取、可打印材料的制備、運輸和輸送、產品打印和制造、產品使用、維護和維修、回收和再利用。除了開發(fā)新材料外，將生活和生產中產生的大量廢物（工業(yè)、建筑、家庭和農業(yè)固體廢物）轉化為可打印材料，將是可持續(xù)地最大限度利用資源的一種方式。計算優(yōu)化的數字設計（例如，導致從微觀到宏觀結構尺度的拓撲優(yōu)化）和高度優(yōu)化的結構，也可用于減少材料的使用和最大化材料資源的節(jié)省7。在微觀和宏觀尺度上，同時進行設計和打印，可以產生高效、多功能的結構9，與傳統(tǒng)方法獲得的結構相比，這些結構在節(jié)能和減少二氧化碳排放7等方面，表現出更好的性能10。此類高效結構包括拓撲結構、蜂窩結構和仿生結構，這些結構更加環(huán)保、輕質和高性能（由于結合了各種特性，如高強度重量比、高耐熱性和高可靠性1）。

07
展望未來

在材料、工藝、打印機和軟件控制方面的不斷進步，大尺度3D打印LS3DP，有望突破傳統(tǒng)3D打印遇到的尺寸限制，實現任意形狀大型結構體的全自動化、無人化建造（圖1）。這種大尺度3D打印方法，還可以通過同時打印內部多功能組件和電線，以實現集成制造。這樣的系統(tǒng)，將更安全、更高效、更智能和更環(huán)保，為打印結構提供以前無法實現的功能和性能，并大大減少全球資源的消耗�？梢栽O想，將大尺度3D打印和人工智能相結合，將促進分散式制造decentralized manufacturing。下一代大尺度3D打印LS3DP，將通過云控制的可靠和容錯3D打印數字孿生，提供遠程協作管理和打印。通過這個全球云平臺，消費者不僅可以與3D打印服務商進行溝通，還可以設計和構建定制產品，處理3D打印模型，將處理后的文件傳輸到云終端，設置參數并遠程控制打印。

圖1: 大尺度3D打印的概述和未來。大尺度3D打印 large-scale 4D printing（LS3DP）的廣泛采用，取決于工藝、材料、打印機和軟件控制方面的創(chuàng)新。大尺度3D打印LS3DP有潛力用于大型復雜結構的自動化制造，如建筑物、火箭甚至太空基地。

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文獻鏈接

Zuo, Z., De Corte, W., Huang, Y. et al. Propelling the widespread adoption of large-scale 3D printing. Nat Rev Mater (2023).

https://doi.org/10.1038/s41578-023-00626-1

https://www.nature.com/articles/s41578-023-00626-1