Science最新綜述：多功能3D打印

最近，美國德克薩斯大學(xué)埃爾帕索分校的Eric MacDonald和Ryan Wicker（共同通訊）在著名的《Science》雜志上發(fā)表了一篇題為《Multiprocess 3D printing for increasing component functionality》（通過多進(jìn)程3D打印增加器件功能）的綜述。

增量制造，也就是通俗所說的3D打印，正在成為公眾和媒體的焦點(diǎn)，不同于傳統(tǒng)的制造技術(shù)（比如鑄造、鍛造、機(jī)械加工、注塑成型）只能制造統(tǒng)一造型和結(jié)構(gòu)的物品，3D打印因為沒有具體的模板或者造型作為參考，所以可以按照具體的需要制造具有不同復(fù)雜幾何形狀的產(chǎn)品。雖然3D打印在制造金屬、陶瓷、聚合物等方面取得了巨大的成功，但是傳統(tǒng)的3D打印僅僅局限于以單一材料為原料的制造，這就限制了3D打印在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用和研究，所以，將多種材料進(jìn)行復(fù)合使得材料的功能性進(jìn)一步提高就成為必要的了。最近出現(xiàn)的多進(jìn)程3D打印，或者叫做混合3D打印就兼具了幾何形狀的復(fù)雜性和實(shí)用的多功能性兩大優(yōu)點(diǎn)。這篇綜述主要包括了3D打印的研究背景、多功能3D打印概述、多功能3D打印與傳統(tǒng)制造技術(shù)的比較、3D打印器件的不同功能性、總結(jié)與展望五部分。

1、3D打印的研究背景

傳統(tǒng)的工業(yè)制造在生產(chǎn)大規(guī)模統(tǒng)一部件時，裝配步驟復(fù)雜，也會造成原材料的浪費(fèi)。3D打印由于其不需要額外的模具，并且可以靈活定制生產(chǎn)各種具有復(fù)雜幾何形狀的產(chǎn)品，所以吸引了大眾的目光。3D打印就是利用層與層之間材料的堆積來形成各種在空間延伸的幾何形狀的技術(shù)。過去的幾十年間，得益于空間分辨率的提高和多種原材料的使用，3D打印正日益廣泛的應(yīng)用于消費(fèi)產(chǎn)品、航空航天、生化器件等領(lǐng)域，很多企業(yè)已經(jīng)投身于3D打印的浪潮中，例如，美國通用電氣公司就計劃到2020年，要為噴氣式發(fā)動機(jī)制造超過十萬個3D打印組件。

然而，3D打印也面臨著許多挑戰(zhàn)和亟待解決的問題，其中之一就是增加3D打印不同組件的功能性。下一代的3D打印就需要能整合不同組件之間的特性，利用統(tǒng)一的、無需額外工具的、多進(jìn)程的打印環(huán)境進(jìn)行器件的制造。因此，伴隨互相補(bǔ)充的制作過程，一種稱作多進(jìn)程3D打印，或者叫做混合3D打印的技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。這種互補(bǔ)的制作流程既包括傳統(tǒng)的制作方法（例如機(jī)械加工、切削、滴涂、機(jī)器人操作等），也可以使產(chǎn)品同時結(jié)合電子、電磁、光學(xué)、流體、制動、化學(xué)以及熱學(xué)等特性，具有巨大的應(yīng)用潛力。

以金屬鈦為原料的3D打印手

利用多進(jìn)程3D打印技術(shù)制作的器件：（A）一個嵌入了處理器和加速度計的骰子；（B）周期性螺旋天線

2、多功能3D打印概述

3D打印就是利用層間堆砌的方式制作器件的技術(shù)，它具有制作過程靈活的特點(diǎn)。美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）下屬的F42委員會在2009年確定了3D打印的基本術(shù)語、測試方法、文件格式等，并且認(rèn)定了3D打印的七種基本分類：

1）光固化就是在光源照射下，利用對特定能量光敏感的聚合物進(jìn)行固化的過程。這個過程在選擇性地固化每一層后就會降低。

2）材料的擠出就是將材料通過擠壓嘴進(jìn)行選擇性地分配。常用的材料就是熱塑性塑料。這個過程通常需要結(jié)合移動平臺和擠壓機(jī)的共同作用。

3）粉末層融合就是將激光或者電子束作為熱源，把粉末中的特定部分進(jìn)行融合的過程。在此過程中，會使用耙手或者滾筒把多余的粉末聚集起來形成新的一層。

4）粘合劑的噴射就是把粉末原料利用粘合劑進(jìn)行結(jié)合的過程。大部分都需要利用浸漬劑和熔爐循環(huán)加熱。

5）材料的噴射是將材料的液滴有選擇的進(jìn)行沉積的過程，這個過程也需要光固化的作用。并且沉積和光固化需要在每一層重復(fù)進(jìn)行。

6）層壓就是將材料的每一層結(jié)合在一起組成一個完整結(jié)構(gòu)的過程。在此期間，還需要用機(jī)械加工、切削等方法把每一層精確塑形。

7）定向能量沉積就是結(jié)合原材料沉積和能量源（激光或電子束）在材料表面進(jìn)行構(gòu)建的過程。

上述的每一個過程的目的都是為了強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性并增加功能性。早在上世紀(jì)九十年代就有學(xué)者報道了3D打印的分步操作，來加強(qiáng)材料的功能性和結(jié)構(gòu)性。此后，也有很多研究者報道了在3D打印制造技術(shù)上的各種進(jìn)展。

增量制造上的多功能化可以廣義理解為在材料的基礎(chǔ)功能上引入附加的特性。例如，多種顏色和密度的分步就貫穿了整個結(jié)構(gòu)，事實(shí)上，多種顏色過程的使用已經(jīng)商業(yè)化多年。另一個關(guān)于商業(yè)3D打印機(jī)多功能性的例子就是使用機(jī)械超材料去減少負(fù)剛度來抑制震動并降低艙內(nèi)噪音。

大部分多功能結(jié)構(gòu)的制造都需要整合多種制造技術(shù)，包括結(jié)合3D打印，同時使用其他補(bǔ)充技術(shù)提高材料的空間控制、幾何形狀和功能性。這些附加制造能力可以結(jié)合金屬線、電池、天線和其他部分來實(shí)現(xiàn)。電和熱的引入和相互作用可以加強(qiáng)子系統(tǒng)間的通信或者在整個結(jié)構(gòu)間傳遞能量或熱。例如，在2D打印領(lǐng)域，導(dǎo)電墨水和導(dǎo)電膠已經(jīng)被用于制造可用于直接書寫的柔性器件。

導(dǎo)電墨水以及導(dǎo)電膠的研究吸引了打拼研究者和創(chuàng)業(yè)公司，例如，位于哈佛大學(xué)的路易斯團(tuán)隊創(chuàng)業(yè)公司宣布首次制造出了低成本的結(jié)合了氣動導(dǎo)電墨水噴頭的3D打印機(jī)，這種打印機(jī)可以利用導(dǎo)電墨水來增加3D打印結(jié)構(gòu)間的導(dǎo)電性。此外，德克薩斯大學(xué)埃爾帕索分校的W. M. Keck 3D創(chuàng)新中心早在2004年就制作了3D打印的電路，并表現(xiàn)出了優(yōu)異的性質(zhì)。

用電子3D打印機(jī)Voxel8打印的結(jié)構(gòu)：（A）四軸無人飛機(jī)的X-射線圖；（B）電路

結(jié)合了銅線的聚碳酸酯襯底的側(cè)面圖

3、多功能3D打印與傳統(tǒng)制造技術(shù)

以3D打印為基礎(chǔ)的多進(jìn)程附加技術(shù)相較傳統(tǒng)制造技術(shù)面臨著產(chǎn)量較低的問題。然而，新型的3D打印技術(shù)也有其獨(dú)特優(yōu)勢，例如，可以對于每一件產(chǎn)品進(jìn)行個人化的定制，并且不需要進(jìn)行繁雜的組裝過程。利用一些附加技術(shù)制造的產(chǎn)品還面臨著各向異性的強(qiáng)度問題，但是，最新利用激光或者電子束進(jìn)行金屬粉末層融合的技術(shù)制造出了媲美傳統(tǒng)工藝甚至鍛造材料的產(chǎn)品，這也是直接驅(qū)使通用電氣使用3D打印的系統(tǒng)進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)的原因。

雖然3D打印技術(shù)取得了巨大的進(jìn)步，但是相比傳統(tǒng)工藝制作的產(chǎn)品，在電子器件中的布線密度、導(dǎo)電性、抗電強(qiáng)度、介電常數(shù)、介電損失以及穩(wěn)定性方面還有進(jìn)步空間。

4、器件印刷或嵌入的功能

多年以來，附加過程總是使用復(fù)雜的幾何形狀作為一系列應(yīng)用的物理模型。然而，過去十年間，利用印刷或者嵌入式的技術(shù)使3D打印產(chǎn)品具有傳感、電磁、能量存儲、推進(jìn)等特性已經(jīng)取得了巨大成果，下面就作一簡單介紹：

4.1、傳感器

對于利用3D打印技術(shù)結(jié)合傳感器主要著眼于以下兩個方面：

1）在打印的過程中直接將傳感器植入結(jié)構(gòu)中

2）將傳感器和整個3D打印的結(jié)構(gòu)融為一體

遵循這些研究思路，研究者已經(jīng)將麥克風(fēng)、角加速計、相機(jī)、LED光源、加速度計、壓力傳感器、灰塵傳感器以及生物電傳感器等直接植入了設(shè)計好的腔體中。

3D打印的觸覺傳感器：（A）可拉伸式觸覺傳感器；（B）電容式觸覺傳感器

4.2、驅(qū)動器

從簡單的回縮裝置到全功能的轉(zhuǎn)動馬達(dá)，多種的機(jī)械驅(qū)動器已經(jīng)在研究中得以實(shí)現(xiàn)。例如，研究者已經(jīng)制作出了生物激勵的振翼昆蟲、依靠外部運(yùn)動的假手等。這也為利用3D打印平臺制作出機(jī)動化的機(jī)器人提供了可能。

4.3、熱量

由于3D打印設(shè)計上的自由，多種具有幾何復(fù)雜性的熱交換器已經(jīng)進(jìn)行了多年的研究。金屬3D打印系統(tǒng)已經(jīng)被用來制造具有大比表面積結(jié)構(gòu)的高熱導(dǎo)率器件，并已經(jīng)應(yīng)用于流體熱交換裝置、3D打印注塑模具甚至熱核反應(yīng)器中。3D打印技術(shù)的發(fā)展可以直接將熱管道和相變材料存儲池與產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)合。

4.4、儲能

目前，傳統(tǒng)的鋰離子電池制造技術(shù)已經(jīng)能夠制造出任意形狀的電池，并已經(jīng)用于多種電子產(chǎn)品中，但是這些電池都需要依靠昂貴的模具。近年來的研究已經(jīng)利用3D打印技術(shù)制作出了鋰離子電池。但是，在現(xiàn)階段的研究中，3D打印制作的電池由于其生產(chǎn)溫度較高，且電池能量密度低于傳統(tǒng)電池，這使得其應(yīng)用還有一段路要走，也是目前擺在研究者面前的問題，亟待解決。

3D打印的鋰離子電池

4.5、天線和電磁器件

3D打印的熱潮使人們開始重新反思天線和電磁器件中的傳統(tǒng)制造思路。一些研究團(tuán)隊已經(jīng)將諸如金屬線、金屬網(wǎng)、金屬箔等物質(zhì)嵌入3D打印的結(jié)構(gòu)中去控制介電性和導(dǎo)電性空間分布。利用3D打印技術(shù)制作的天線具有恰當(dāng)?shù)臒o線電頻率、低的損耗因數(shù)，并且可以應(yīng)用于具有拱形的結(jié)構(gòu)中。然而，在3D打印的電磁器件中，介電常數(shù)的減小以及熱塑性塑料所形成的孔都會影響其性能。

各種3D打印天線：（A）圓柱型的貼片天線；（B）阿基米德天線；（C）多貼片天線

4.6、推進(jìn)器

在美國航空航天局（NASA）的推動下，3D打印技術(shù)在航天器和衛(wèi)星發(fā)射等方面取得了長足的進(jìn)步。此外，美國航天局也委任了一個委員會去研究3D打印在空間探測上的可行性。推進(jìn)器是驅(qū)動器中的特定一種，并且主要應(yīng)用于空間探測的研究，利用金屬打印技術(shù)制造空間飛船的火箭推進(jìn)器已經(jīng)見諸報道。

5、總結(jié)與展望

本文詳細(xì)闡述了利用混合3D打印技術(shù)提高產(chǎn)品功能性的主要研究進(jìn)展，下一代的3D打印技術(shù)不僅會結(jié)合不同材料，也會將功能性組分嵌入到產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)中，得到具有多種功能的產(chǎn)品�，F(xiàn)有的研究成果已經(jīng)表明，混合3D打印技術(shù)是有能力制造出多功能且個性化的產(chǎn)品的，但必須承認(rèn)，它仍有許多問題需要解決，主要包括：

· 提高材料強(qiáng)度

· 不同材料在柔性、熱學(xué)性質(zhì)、電導(dǎo)率方面的差異

· 提高材料的界面性質(zhì)保證多種組分的穩(wěn)定性

· 利用計算機(jī)輔助或計算機(jī)建模優(yōu)化材料性能

· 打印機(jī)的過程反饋控制

· 3D打印中的硬件制造和軟件開發(fā)技術(shù)

來源：材料人