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“無所不能”的3D打印

來源：本站時間：2021-06-19 11:17:56 瀏覽：5600次

1 引言

3D打印是快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的制造技術(shù)。

傳統(tǒng)的制造方法主要可歸納為以下兩種：

（1）等材制造工藝：比如鑄造，是一種金屬熱加工工藝，是將液體金屬（例：銅、鐵、鋁、錫等）澆鑄到與零件形狀相適應(yīng)的空腔（材料可以是砂、金屬甚至陶瓷）中，待其冷卻凝固后，以獲得零件或毛坯的方法。人類在幾千年前就掌握了這種制造工藝，比如出土的春秋戰(zhàn)國時期的青銅器皿就是通過鑄造制造出來的。

（2）減材制造工藝：一般是指在數(shù)控機床上進行零件加工的工藝方法，車銑刨磨是四種基本的加工方式，包括車削加工、銑削加工、刨削加工、磨削加工，不同零件所需的加工方式不同，有的零件需使用其中多種方式才可完成零件的加工。由于這種加工工藝是將多余的材料從工件中削除，被削除的材料是浪費的，因此稱為減材制造工藝。

而3D打印，則完全不同，它是一種增材制造工藝。形象來講，普通的打印機是將2D圖像或圖形數(shù)字文件通過墨水輸出到紙張上；3D打印機則是將實實在在的原材料（比如金屬、陶瓷、塑料、砂等）輸出為一薄層（物理上具有一定的厚度），然后不斷重復(fù)一層層疊加起來，最終變成空間實物。因此，3D打印在輸出某一分層時，過程與噴墨打印是相似的。就像蓋房子，是通過一塊一塊磚所累積而成，而3D打印的物品是通過原材料的一粒一粒所累積而成。相對于具有千年歷史的等材制造工藝和具有百年歷史的減材制造工藝，3D打印具有設(shè)計空間無限、零技能制造和材料無限組合等優(yōu)勢。

由于3D打印通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機來實現(xiàn)的，因此常在模具制造、工業(yè)設(shè)計等領(lǐng)域被用于制造模型，后逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造，已經(jīng)有使用這種技術(shù)打印而成的零部件。目前，該技術(shù)在金屬增材、儲能器件、珠寶打印、工業(yè)設(shè)計、房屋建筑、工程和施工、汽車制造、航空航天、醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、軍工用品以及其他許多領(lǐng)域都逐漸開始有所應(yīng)用，展現(xiàn)出“無所不能”的一面。

2 原理及分類

日常生活中使用的普通打印機可以打印電腦設(shè)計的平面物品，而所謂的3D打印機與普通打印機工作原理基本相同，只是打印材料有些不同。普通打印機的打印材料是墨水和紙張，而3D打印機打印的則是實實在在的原材料，打印機與電腦連接后，通過電腦控制可以把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物。通俗地說，3D打印機是可以“打印”出真實的3D物體的一種設(shè)備，比如打印一個機器人、打印玩具車，打印各種模型，甚至是打印吃的食物等等。之所以通俗地稱其為“打印機”也正是參照了普通打印機的技術(shù)原理，因為分層加工的過程與噴墨打印十分相似。

3D打印的基本設(shè)計過程是：先通過計算機建模軟件建模，再將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，即所謂的切片，從而指導(dǎo)打印機逐層打印，最終將設(shè)計理念輸出為直接可觸摸的材料或產(chǎn)品。

3D打印存在著許多不同的技術(shù)。它們的不同之處在于常用材料的類別，并可以以不同層構(gòu)建創(chuàng)建部件。目前， 3D打印常用材料有尼龍玻纖、耐用性尼龍材料、石膏材料、鋁材料、鈦合金、不銹鋼、鍍銀、鍍金、橡膠類材料，按照技術(shù)類型、打印類型及材料可進行如下表分類（表1）。

3 應(yīng)用分析

自十九世紀末，美國科學(xué)家Charles Hull開發(fā)第一臺商業(yè)3D印刷機以來，有關(guān)3D打印的設(shè)備、技術(shù)以及應(yīng)用如雨后春筍般層出不窮。作為一種制造技術(shù)，3D打印涉及多個領(lǐng)域、方方面面，小到日常生活的衣物定制、汽車打印，大到航空航天、國際空間，都開始出現(xiàn)3D打印的身影。

而在學(xué)術(shù)領(lǐng)域，3D打印技術(shù)同樣不可忽視，涉及領(lǐng)域包括金屬增材制造、生物醫(yī)學(xué)、新能源儲能器件、光學(xué)傳感等（圖1）。在此，筆者選取了其中幾個角度，對3D打印的應(yīng)用進行了簡單的歸納總結(jié)，希望能帶著大家一起，借一借東風(fēng)，看一看前沿?zé)狳c。

3.1 金屬增材制造

金屬增材制造（MAM）正在徹底改變多個行業(yè)的生產(chǎn)方式，尤其是航空航天，汽車和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。然而，MAM進一步的發(fā)展還有很多技術(shù)問題，其中一個主要障礙是對晶粒結(jié)構(gòu)的控制。晶粒結(jié)構(gòu)控制不好會影響其熱裂性等性能，并且導(dǎo)致各向異性的機械性能，特別是在高性能合金中。當(dāng)前在工業(yè)中使用的合金最初都是針對常規(guī)生產(chǎn)工藝設(shè)計的，并沒有針對MAM工藝進行優(yōu)化。因此，需要具有高強度和最佳凝固性能的新型合金，最大程度的發(fā)揮MAM的優(yōu)勢，并以此作為高性能部件的競爭性制造途徑。

幾十年來，人們已經(jīng)認識到細小和等軸的晶?？梢詼p少熱裂的趨勢并改善其性能。但是，在MAM中，由于極高的冷卻速度和熱梯度的不平衡凝固，晶粒的主要特征是具有柱狀和織構(gòu)化的微觀結(jié)構(gòu)。

因此，在MAM中形成等軸晶粒是一個巨大的挑戰(zhàn)。盡管在鋁合金的MAM中通過添加晶粒細化劑來獲得細等軸晶粒已取得了進展，但仍然沒有能夠有效細化鈦晶粒微觀結(jié)構(gòu)的商用細化劑。

墨爾本理工大學(xué)（RMIT）增材制造中心Mark Easton教授等人[1]利用3D打印技術(shù)制造了具有高強度的超細晶粒鈦-銅合金。由于凝固過程中合金元素的分配，這種鈦-銅合金具有較高的組織過冷能力，它可以克服激光中高熱梯度的負面影響，且打印過程無需任何特殊的工藝控制或其他處理。打印的鈦-銅合金試樣具有完全等軸的細晶粒組織。與在類似加工條件下的常規(guī)合金相比，它們還顯示出有出色的力學(xué)性能，如高屈服強度和均勻的伸長率，這歸因于利用了高冷卻速率和多次熱循環(huán)而形成的超細共析微結(jié)構(gòu)（圖2）。這項工作的設(shè)計理念還可以應(yīng)用于其他合金系統(tǒng)，并有望在未來開發(fā)出更多高性能的工程合金。

3.2 儲能器件

儲能電池是移動電子產(chǎn)品必不可少的一部分。尺寸小而儲蓄能量大的電池一直是市場所追求的。這些年來，大量的工作都集中于開發(fā)電極材料，電解質(zhì)、電池結(jié)構(gòu)及新的制造方法，目的在于提高電池的電化學(xué)性能，減少制造成本及擴展應(yīng)用領(lǐng)域。

同時，3D打印正在改變我們的世界，且這項技術(shù)發(fā)展的非?？?，很快變成下一代3D打印能量結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，幾乎任意形狀的電池和超級電容可以被打印出來。直到現(xiàn)在，人們都不得不根據(jù)商業(yè)電池的形狀和尺寸來設(shè)計他們的電子產(chǎn)品，而且電池占據(jù)了現(xiàn)代電子產(chǎn)品大部分空間。大多數(shù)電池都是圓柱或者四方體的形狀，被優(yōu)化成紐扣狀或者袋式。因此當(dāng)制造商在設(shè)計產(chǎn)品過程中，必須為電池預(yù)留一定的尺寸和形狀，這樣可能會浪費空間和限制設(shè)計想法。下一代柔性電子將會面對越來越多這樣的設(shè)計問題。目前，鈦酸鋰和磷酸鐵鋰是3D打印電池中最常用的陽極和陰極材料，其展示出最小的體積膨脹、大電流能力、高穩(wěn)定性及安全性等許多優(yōu)點，因此深受3D打印的“青睞”。

北京大學(xué)潘鋒課題組[2]基于LiMn0.21Fe0.79PO4（LMFP）電極材料進行了鋰離子電池的3D打印，得到的LMFP電極材料展現(xiàn)出了極其優(yōu)異的綜合電化學(xué)性能。如圖3所示，3D打印電極的性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)電極。在1 C到100 C的速率下，放電容量從161.36 mAh g-1變化到108.45 mAh g-1，變化量相對來說小得多。此外，3D打印出的電極在10 C和20 C倍率下的長循環(huán)性能也遠優(yōu)于傳統(tǒng)電極材料。這項工作對未來設(shè)計高容量和優(yōu)異速率能力的鋰離子電池具有重要的指導(dǎo)意義，且對3D打印在儲能領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用也有一定的推動作用。

3.3 生物醫(yī)學(xué)

生物3D打印技術(shù)具有制造個性化或復(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，在醫(yī)療方面應(yīng)用廣泛。目前生物3D打印的體內(nèi)應(yīng)用策略主要是手術(shù)植入或原位3D打印，但是這兩種方式都需要將應(yīng)用的部位進行暴露以進行相關(guān)操作，手術(shù)暴露的外傷可能會引起繼發(fā)性的傷害，因此臨床治療的主要趨勢是微創(chuàng)或無創(chuàng)方法。

四川大學(xué)華西醫(yī)院生物治療與癌癥中心國家重點實驗室茍馬玲團隊[3]展示了一種基于數(shù)字近紅外（NIR）光聚合（DNP）的3D打印技術(shù)，該技術(shù)能夠?qū)M織結(jié)構(gòu)進行無創(chuàng)的體內(nèi)3D生物打印。在這項技術(shù)中，NIR由數(shù)字微鏡設(shè)備（DMD）調(diào)制成定制的圖案，并以動態(tài)投影的方式在空間上引發(fā)單體溶液的聚合。通過用圖案化的NIR進行離體照射，可以將皮下注射的生物墨水非侵入性地原位印刷到定制的組織結(jié)構(gòu)中。無需手術(shù)植入，就可以在體內(nèi)獲得具有軟骨化作用的個性化耳朵組織結(jié)構(gòu)和可用于修復(fù)肌肉組織的充滿細胞的共形支架。

如圖4所示，作者展示了基于DNP的無創(chuàng)生物3D打印耳狀組織，體外通過DNP工藝從皮膚覆蓋的含有軟骨細胞的生物墨水中打印耳狀組織，培養(yǎng)7天后細胞具有良好的存活率（>80%）。在小鼠體內(nèi)通過DNP工藝印刷了耳狀組織，1個月后，形狀保持度較好，并逐漸軟骨化，原位形成了耳狀組織。這項工作對于器官重建或組織修復(fù)，具有潛在的臨床應(yīng)用，且有望為醫(yī)學(xué)3D打印開辟新的途徑并推動微創(chuàng)或無創(chuàng)醫(yī)學(xué)的發(fā)展。

3.4 傳感器

大自然是人類的老師，向自然學(xué)習(xí)一直是人類不變的追求。當(dāng)科學(xué)家們專心去研究生物的“生存絕技”時，經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)人類面對的難題，被一些“聰明”的生物們巧妙地解決了。自然界中，軟體動物為了保護柔軟的身體，進化出了自己的“鎧甲”——貝殼。那么，貝殼為什么會如此堅硬呢？

通過掃描電鏡發(fā)現(xiàn)，貝殼中珍珠層（Nacreous layer）具有有序的“磚-泥（brick-and-mortar）”微觀結(jié)構(gòu)。由CaCO3做“磚”，蛋白質(zhì)和殼多糖構(gòu)成“泥”，經(jīng)過緩慢礦化，最終形成了致密的珍珠層。受貝殼珍珠層結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，南加州大學(xué)Yong Chen課題組[4]利用電場輔助3D打印技術(shù)，構(gòu)建出復(fù)雜的珍珠層三維多級結(jié)構(gòu)。該材料質(zhì)輕且強度高，具有優(yōu)秀的力學(xué)性能，如果能將其結(jié)構(gòu)和傳感相結(jié)合，就可以打印定制出可穿戴的“護體”傳感器。

如上圖5所示，研究者以8 nm厚、直徑 ~25 μm 的石墨烯納米片（GN）為“磚”，光固化樹脂作為“泥”。石墨烯納米片在電場（433 V/cm）作用下極化，兩端所帶的電荷相反，趨向于平行地、緊密地排列在一起，最終形成均勻的3D打印人工珍珠層。該技術(shù)解決了傳統(tǒng)方法中只能制備薄膜或者簡單塊狀仿珍珠層材料的難點，通過3D 打印可以制備出具有復(fù)雜形狀的仿珍珠層三維結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)智能可穿戴設(shè)備的可定制化。制備出的仿生材料可以達到與天然貝殼相類似的韌性和強度，同時具有較低的密度，滿足輕質(zhì)材料的需求。未來在生物醫(yī)學(xué)、航空航天、體育和軍事工業(yè)等領(lǐng)域有著廣闊的潛在應(yīng)用。

3.5 光學(xué)

鑭系發(fā)光金屬有機框架(LnMOF)材料是金屬有機框架(MOF)材料中的重要一類，它充分結(jié)合了鑭系金屬離子優(yōu)異的發(fā)光性能和MOF多樣的結(jié)構(gòu)特性，廣泛應(yīng)用于傳感、光學(xué)防偽等領(lǐng)域，促進了固體發(fā)光材料的發(fā)展。LnMOF材料復(fù)雜的多尺度集成在光學(xué)平臺的大規(guī)模構(gòu)建中是必不可少的，但往往受到其粉末狀性質(zhì)和傳統(tǒng)加工技術(shù)的限制。納米材料和3D打印技術(shù)的結(jié)合可以制造出多尺度復(fù)雜的功能性結(jié)構(gòu)，盡管目前研究人員針對MOF的組裝開展了大量的研究工作，然而，如何實現(xiàn)LnMOF材料的宏觀與可控組裝仍是一個挑戰(zhàn)。

復(fù)旦大學(xué)武培怡教授團隊[5]巧妙利用浸泡的策略，通過對3D打印結(jié)構(gòu)后處理的簡便方法，實現(xiàn)了LnMOF材料的可控3D組裝以及多尺度集成。多重氫鍵相互作用使得雙組份墨水具有可調(diào)的流變性能以及合適的粘彈性，3D打印出的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)亞毫米級的分辨率和高形狀保真度。得益于金屬溶液中Eu3?和Tb3?離子比例的靈活性，作者成功制備了混合金屬LnMOFs的3D結(jié)構(gòu)，其發(fā)光性能可以進行微調(diào)。當(dāng)Eu3?和Tb3?離子的比例從10:0變化到0:10時，EuMOFs的特征發(fā)射強度逐漸降低，TbMOFs的特征

發(fā)射強度逐漸增強。相應(yīng)地，色度圖坐標也從紅色區(qū)經(jīng)過黃色區(qū)，最后到達綠色區(qū)，對應(yīng)圖6b中的光學(xué)圖像。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計，也可實現(xiàn)在同一個3D框架內(nèi)對發(fā)光色進行定制(圖6c-f)?？偟膩碚f，這種可視化、可設(shè)計的體系，結(jié)合發(fā)光MOFs材料在光學(xué)應(yīng)用和3D打印技術(shù)在加工方面的優(yōu)點，有望在未來的光學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮舉足輕重的作用。

4 總結(jié)與展望

總之，3D打印技術(shù)最被看重的三大優(yōu)勢是加速產(chǎn)品的研發(fā)過程、提供個性化和定制產(chǎn)品和增加生產(chǎn)的靈活性。從成型工藝上看3D打印突破了傳統(tǒng)成型方法，無需先行制作模具和機械加工，通過快速自動成型硬件系統(tǒng)與CAD軟件模型結(jié)合就能夠制造出各種形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，這使得產(chǎn)品的設(shè)計生產(chǎn)周期大大縮短，生產(chǎn)成本大幅下降，已經(jīng)在各個領(lǐng)域嶄露頭角。

當(dāng)然，3D打印作為一項年輕的成型工藝，還存在著許多的不足，比如成型時間慢、精度低、材料種類少、無法大批量生產(chǎn)等。因此，3D打印成型工藝現(xiàn)階段是作為與傳統(tǒng)制造工藝互補的方式存在，要成為主流的生產(chǎn)制造技術(shù)還尚需時日。但是要相信，人類對技術(shù)的追求是無限的，隨著3D打印設(shè)備和打印材料的研發(fā)的不斷進步，3D打印技術(shù)會越來越被廣泛得到使用。

5 參考文獻

[1] Zhang, D., Qiu, D., Gibson, M.A., et al. Additive manufacturing of ultrafine-grained high-strength titanium alloys. Nature. 2019, 576, 91–95. DOI: org/10.1038/s41586-019-1783-1.

[2] Jiangtao Hu, Yi Jiang, Suihan Cui, et al. 3D-Printed Cathodes of LiMn1-xFexPO4 Nanocrystals Achieve Both Ultrahigh Rate and High Capacity for Advanced Lithium-Ion Battery. Adv. Energy Mater. 2016, 6, 1600856 DOI: 10.1002/aenm.201600856.

[3] Yuwen Chen, Jiumeng Zhang, Xuan Liu, et al. Noninvasive in vivo 3D bioprinting. Science Advance. 2020. DOI: 10.1126/sciadv.aba7406.

[4] Yang Yang, Xiangjia Li, Ming Chu, et al. Electrically assisted 3D printing of nacre-inspired structures with self-sensing capability. Sci. Adv. 2019. DOI: 10.1126/sciadv.aau9490.

[5] Jiahui Huang, Peiyi Wu, et al. Controlled Assembly of Luminescent Lanthanide-Organic Frameworks via Post-Treatment of 3D-Printed Objects. Nano-Micro Letters. (2021)13:15. DOI: org/10.1007/s40820-020-00543-w.

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