2021年十项有影响力的3D打印技术研究成果- 广州3D打印展

广州国际3D打印展览会即将在2022年3月3-5日在中国进出口商品交易会展馆B区举行。邀您关注今日3D打印展新资讯：

本期，3D打印技术参考总结了2021年3D打印技术值得关注的十项重要科研成果，涉及增材制造应当遵循的“串/并联式路线”、微结构立体光刻3D打印技术的进步、金属纳米结构和软体机器人直接3D打印、超材料和结构材料增材制造以及新材料方面的创新等，并介绍了这些研究可能带来的影响。其中来自国内的研究新上一个台阶，标志着我国在该领域的部分研究已经走到了世界前列。

1. 顾冬冬教授《Science》介绍“材料–结构–性能一体化增材制造”并行模式

2021年5月，《Science》发表了南航材料科学与技术学院、江苏省高性能金属构件激光增材制造工程实验室顾冬冬教授团队的研究综述论文《材料–结构–性能一体化激光金属增材制造》。标志着南航在基础研究和重大成果方面取得新突破。南航是本文第一署名单位，顾冬冬教授为本文第一作者和通讯作者。

传统增材制造遵循典型的“串联式路线”，即结构设计–材料选择–加工工艺–实现性能；但因材料、结构和工艺等多因素耦合规律复杂，激光增材制造精确成形需反复试错，造成金属构件高性能目标实现困难。为对应上述挑战，该研究提出了“材料–结构–性能一体化增材制造”（MSPI-AM）这一整体性概念，其概念性创新在于：变革传统的串联式增材制造路线，发展新的“并行模式”，在复杂整体构件内部同步实现多材料设计与布局、多层级结构创新与打印，以主动实现构件的高性能和多功能。

3D打印技术参考评选理由：同期《Science》主编以“跨尺度调控”为题，对论文做了亮点评述，认为激光增材制造有望变革零部件的设计方式。这种更为综合的方法以主动实现构件的高性能和多功能，将有助于减少制造所需的工序数量，并扩大可用于最终应用零部件的结构类型。

2. 美LLNL国家实验室：通过光束整形，实现更好的光热控制，3D打印更光滑、孔隙率更低的超高密度零件

劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）研究科学家表示，使用高斯光束特别像用喷火器来烹饪食物——难以很好地控制热量在目标材料周围沉积，从而导致较大的温度梯度以及熔池不稳定，造成气孔等缺陷的形成。而使用贝塞尔光束，则可以显著扩展激光扫描参数，避免传统光束带来的诸多问题，通过将一部分能量从中心重新分散出去，可以设计热剖面、降低热梯度，以助力微观结构晶粒细化，最终形成更光滑的表面、获得更致密的元件。此外，传统光束的另一个缺点是它们在传播时易衍射，而贝塞尔光束因其非衍射特性提供了更大的焦深。

LLNL的研究人员探索高功率激光打印（如粉末床激光熔融L-PBF）中常用的高斯光束的替代形状，以解决此问题，他们的最新研究被发表在《Science Advances》上。这项研究解决了金属增材制造领域中光学物理和材料工程之间脱节的问题，通过整合、设计光束形状来实现对熔池动力学的控制。经过整形的光束使熔池湍流和飞溅显著减少，同时，使用贝塞尔光束比传统高斯光束制造的零件更致密、更坚固，并且具有更强大的拉伸性能。

3D打印技术参考评选理由：在传统SLM技术走向更大尺寸、更多光源的背景下，对成型机理的研究依然重要。通过结合简单的光学元件进行光束整形来提高L-PBF 3D打印金属部件的质量，具有更高的成本效益。坚固且无缺陷的零件生产以及以经济高效的方式打印大型结构是大势所趋。

3. 刘锦川院士团队《Science》：利用一种非常规的3D打印策略，创建超级钛合金结构

2021年10月，香港城市大学刘锦川院士团队在”利用增材制造设计成分调制钛合金“方面取得重大进展，创建出了一种具有独特微观结构的钛合金，在保持高强度的同时显著提高了延展性，达到约1.3GPa的高拉伸强度、约9%的均匀伸长率和超过300MPa的出色加工硬化能力。该研究在国际顶尖期刊《Science》上发表。

通常而言，金属材料中的成分不均匀性往往被看做材料内部的重大缺陷，是研究人员一直所努力避免的。然而，材料的成分不均匀性却很少被积极地利用起来作为有效的合金设计方法。一方面，这是由于人们对成分不均匀性的积极作用缺乏足够的认识；另一方面，也是因为传统的铸造、锻造等方法往往无法对材料内部的成分波动实现人为有效的调控。增材制造过程中所固有的金属粉末快速融化和凝固过程，以及超快的冷却速度，为研究人员提供了这样一种有效调控成分波动的手段。基于这种全新的思路，研究人员尝试在3D打印过程中采用两种常见合金粉末（Ti64和316L不锈钢）进行混合打印，并通过特殊的打印参数，创建了一种超级钛合金结构。3D打印技术参考此前曾对该研究进行了相关介绍，点击下方图片可查看详情。

3D打印技术参考评选理由：研究者创造性地将成分调制的概念和3D打印结合起来，另辟蹊径地设计出了一种前所未有的成分梯度组织。本研究工作同时极大地开拓了增材制造技术的想象空间，使得这项技术不仅仅被用作复杂构件的成型技术，更可以被开发为一种全新的合金设计和制造方法，从而有力地推动增材制造技术实现“材料-结构-性能”一体化智能设计的梦想。

4.Nature：一种直接3D打印金属纳米结构的技术

用于金属纳米3D打印的现有技术需要聚合物-金属混合物，金属盐或流变油墨，从而限制了材料的选择和所得结构的纯度。气雾剂光刻先前已被用于组装预图案化衬底上的高纯度的3D金属纳米结构的阵列，但几何形状有限。

2021年3月，《Nature》报道了韩国首尔国立大学和浦项科技大学的一种使用多材料直接3D打印金属纳米结构阵列的技术，可打印具有灵活几何形状和小至数百纳米的特征尺寸。研究人员将离子和带电的气雾剂粒子引导到一个电介质掩模上，该介质掩模包含浮在偏置的硅基板上的一系列孔。离子在每个孔周围聚集，生成静电透镜，将带电的气溶胶颗粒聚焦成纳米级射流。这些射流由在含孔掩模下形成的聚合电场线引导，其作用类似于传统3D打印机的喷嘴，使气溶胶颗粒能够3D打印到硅基板上。通过在打印过程中移动衬底，研究者成功地打印出了各种3D结构，包括螺旋、悬垂的纳米管、圆环和字母。

3D打印技术参考评选理由：研究者介绍了一种使用带电气溶胶为基础的3D纳米打印技术，这种完全干燥的技术，不涉及聚合物或油墨。3D纳米打印技术有望在多个领域实现应用，如构建微纳级别的医疗植入物，在计算机芯片上构建3D逻辑电路、甚至可以用于超轻型飞机组件。

5. ORNL开发出独特的聚合物粘结剂，可3D打印具有“极高强度”的部件

粘结剂喷射3D打印由于广泛的粉末兼容性和可扩展的工作流程，成为比其他3D打印工艺更便宜、更快的选择。然而该技术所呈现的生胚部件的低机械强度成为该技术的“主要瓶颈”，阻碍了它们更为广泛的采用。在提高生胚部件的强度时，粘结剂是重要的增强途径。

美国橡树岭国家实验室（ORNL）团队于2021年在《nature communications》报道了一种独特的PEI聚合物粘结剂，其具有独特的分子结构，能够与氰基丙烯酸酯发生反应以实现卓越的强度。该粘结剂材料的的结构经过精心设计，具有低粘度、高溶解度和有限的结晶度，使其成为粘结剂压电喷射的理想选择。通过试验粘结剂PEI负载量，该团队表示他们还能够优化其打印适配性，可实现生坯强度的近线性增加。通过原型设计，研究人员发现，打印PEI浓度为5.5%的部件，零件强度为6.28MPa，远高于使用商业粘结剂所能达到的3.60MPa。由于粘合剂喷射部件的固有孔隙率，该团队还发现他们能够通过整合二次聚合物来提高砂型部件的强度。例如，通过添加氰基丙烯酸乙酯3D打印出了6.5厘米的桥梁，抗弯强度达到53兆帕，使其比实体砖更坚固。

3D打印技术参考评选理由：从粉末中提取生胚零件而不造成损坏是粘结剂喷射技术后处理面临的首要挑战，新型粘结剂体系的开发对该技术制造高精度和高强度零件具有重要保障。

6. 麻省理工：一种新的微结构立体光刻增材制造技术

传统基于投影的微立体光刻技术（PμSL），通常采用单孔径成像配置，由于图像分辨率（影响最小特征大小）和像场面积之间的相互牵制，限制了该技术生产具有微结构的大尺寸零件的能力。

麻省理工学院于2021年9月在《Science advances》展示了的一种基于平面透镜阵列和积分图像重建的新立体光刻3D打印技术。所提出的工程投影系统基于透镜阵列，其中每个微透镜可以保持高孔径，整体打印面积可以随着微透镜的数量而增加。与数字光处理相结合的微光学器件允许通过并行传输、叠加和集成多个输入图像来对投影输出图像进行可扩展的重建，从而产生从微米级到厘米级跨越四个数量级的周期性微结构。同时，该研究提出的整体光刻系统可以结合到其他基于数字光处理的光刻系统中，使用简单且廉价的组件进一步增加系统的构建区域。这种兼容性可能会推进高通量微结构数字光刻技术的发展。

3D打印技术参考评选理由：新的微立体光刻技术与传统商业PμSL 系统相比，打印尺寸可增加102至103倍，并具有力学和结构方面的优势，未来可能将影响力学/声学超材料功能结构、细胞力学生物材料和能源/环境应用结构的生产。

7. 吕坚院士团队发表结构材料增材制造综述

2021 年 4 月 1 日，香港城市大学吕坚院士团队发表综述论文“Additive manufacturing of structural materials”。本综述涵盖了广泛的主题，包括适用于3D打印的结构材料种类，如聚合物、金属、陶瓷、玻璃和复合材料等；介绍了4D打印的常用材料和原理，对比了不同刺激方法的优缺点；对结构材料的增材制造提出了多元化展望，包括多材料（multi-material）AM，多模量（multi-modulus）AM，多尺度（multi-scale）AM，多系统（multi-system）AM，多维度（multi-dimensional）AM和多功能（multi-function）AM；最后，文章还详细介绍了结构材料增材制造技术在不同领域的巨大应用潜力，涉及航空航天、生物医疗、电子设备、核工业、柔性可穿戴设备、软质传感器/驱动器/机器人技术、珠宝和艺术装饰品、陆地运输以及水下设备等领域。

3D打印技术参考评选理由：在3D打印被逐渐广泛认知的背景下，该文系统论述了各种材料的3D打印技术的最新进展以及它们的潜在应用，讨论了结构材料增材制造的关键问题，对初学者和有一定研究经历的人士都大有裨益。

8. 史玉升教授团队顶刊综述：超材料的增材制造技术与发展趋势

超材料是指自然材料所不具备的特殊物理性质（如电磁/声学斗篷、零/负泊松比、负折射率等）的人工结构或复合材料，这些奇特的物理特性可以通过精心设计的（准）周期性结构或多材料组合来实现，在国防工业和民生领域都有着广阔的应用前景。

增材制造技术由于在制备复杂结构方面具有巨大优势，为制备超材料提供了有效技术手段。史玉升教授团队长期致力于该领域的研究工作，在增材制造超材料的设计与制备方面已发表系列文章。该团队于2021年在材料领域顶刊《Materials Today》上发表论文，对超材料的增材制造技术与发展趋势进行论述，明晰了超材料的分类、指出了增材制造不同类型超材料的研究现状和发展趋势、提出了五模超材料，为超材料在工程机械、航空航海和生物医疗等领域的应用提供了思路。

3D打印技术参考评选理由：史玉升教授团队长期致力于4D打印技术和超材料研发，该文让我们认识到了什么是超材料，以及3D打印在制备超材料时所能发挥的重要作用，为我们展示了一个采用3D打印技术制造神奇材料的世界。

9. 比钢丝绳强5倍：中国科学家3D打印蜘蛛丝复杂三维纳米结构

2021年9月，新华社报道了中国科学院上海微系统所陶虎团队与上海交通大学夏小霞、钱志刚的合作成果，他们成功用基因重组的蜘蛛丝蛋白3D打印出纳米机器人，相关研究成果被发表于《Nature Communications》。

实验表明，一束由蜘蛛丝组成的绳子比同样粗细的钢丝绳还要坚韧，它能够承受比钢丝绳还多5倍的重量而不会断裂。然而，在自然界中获取大量蜘蛛丝非常困难，该团队创新开发基因重组蜘蛛丝蛋白光刻胶，通过优化重组蜘蛛丝基因片段和分子量，结合基于百万级数量电子的大规模仿真模拟，实时控制加速电压调控电子在丝蛋白光刻胶里的穿透深度、停留位置和能量吸收峰，实现了分子级别精度的真三维纳米功能器件直写。

3D打印技术参考评选理由：蜘蛛丝蛋白优异的机械强度为复杂三维纳米结构提供了关键支持，良好的生物相容性允许进一步通过功能化，实现可载药、可驱动、可降解的4D纳米功能器件（时空可变形），在智能仿生感知、药物递送纳米机器人、类器官芯片等研究领域具有明确的应用前景。

10. 具有集成流体电路的多材料全3D打印软体机器人

在过去十年中，软体机器人领域已经确立了自己独特的适用于使用传统刚性机器人难以或不可能实现的应用。对由流体装置（如液压或气动）驱动的柔顺材料的依赖增强了软体机器人的许多固有优势，特别是在人机交互的安全性、成本更低和操纵复杂且精密结构的适应性方面。然而，目前影响软体机器人实用性的一个关键障碍在于，当需要增加独立操作的执行器的数量或自由度时，通常需要相同或更多数量的不同控制输入。

为了减少或消除对此类外部控制方案的需求，研究人员研究了多种通过流体逻辑增强软体机器人自主性的方法。美国马里兰大学的研究人员于2021年7月在《Science advances》报告了采用PolyJet 3D打印技术制造具有集成流体电路的多材料全3D打印软体机器人。研究人员最初在CAD软件中设计组装模块化组件，如流体电路元件、互连和接入端口以及软机器人执行器和结构构件，形成具有具有完全集成流体电路的软体机器人模型；然后采用PolyJet工艺在一个打印过程中实现三种材料固化成型，包括软体机器人的柔性部分、刚性结构以及支撑材料。为了支持控制软机器人功能的底层流体电路的复杂性，研究还展示并描述了与 PolyJet 3D打印策略兼容的基本类型的流体电路元件，包括流体二极管以及常闭和常开流体晶体管。

文章来源：腾讯网-3d打印技术参考

2022广州国际3D打印展览会将于2022年3月3-5日在中国进出口商品交易会展馆B区举行。；更多精彩论坛活动，欢迎登录3D打印展官网 https://3d.gymf.com.cn

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