面向未来的3D打印材料与打印技术

Original 2016-10-02 kw@3D科学谷 3D科学谷

3D打印行业进入了快速成长期，伴随着行业的成长，材料技术的提升也催化了行业应用走向成熟。站在今天，我们不由得好奇将来那些3D打印材料会成为主导，推动整个行业的发展。

市场研究机构Research and Market预测3D打印材料市场将从2016年的5.3 亿美金快速成长到2021年的15亿美金的市场规模.那么，3D 打印材料市场上究竟将谁主沉浮？参考3D打印服务平台Sculpteo选出的十大材料，本期3D科学谷与谷友一起回顾那些富有商业前景的材料和打印技术。

材料

不再单一

记忆性的多材料聚合物（4D打印）

麻省理工和新加坡科技设计大学开创的3D打印热响应性聚合物材料，能够记得原来的形状，即使被暴露在极端压力和扭转弯曲成无用的形状，只要把对象放回他们的响应温度下，立即在几秒钟内回到原来的形式。

记忆是一种特别有用的特性，因为它允许物体在不同的柔软程度、弹性状态下进行切换。在这种特殊的情况下，即使室温也可以“冻结”这些材料，使之呈现出不同的形状，而一个稍高的温度又可以使这些材料瞬间“弹”回坚实的状态。

这种材料在太阳能、医疗和太空探索领域具有应用前景，包括软性驱动器、药物胶囊、太阳能板角度调节器等。

定制化药物打印

打印小的分子一直是化学领域的关键话题，Burke Laboratories发明了可以打印分子级别的3D打印机，也就是说这台机器能够生产自动化的化学合成。

这种创新的3D打印方式带来了新的材料技术，也简化了化学合成的复杂性，并且使得科学家可以用来探索更多的药物合成，而在此之前受化学合成技术的约束，很多更有效的药物得不到开发。

导电材料打印
使用3D打印，弗吉尼亚理工大学通过微光固化技术打印了毫米大小的3D对象，材料是离子液体制成的导电聚合物。打印对象小到25μm，潜在的应用涉及到人类细胞。事实上，这种技术可以让工程师打印导电元件甚至组织支架。该团队计划进一步探讨材料可能改变的特性，包括机械和导电性能。

3D打印骨植入物、组织和器官
约翰霍普金斯大学的研究人员研发出了一个成功的3D打印材料配方：混合至少30%粉碎的天然骨粉与一些特殊的人造塑料，并通过3D打印技术创建所需的形状。

至于组织和器官，维克森林大学（Wake Forest University）再生医学研究所的科学家已经开发出可以制造器官、组织和骨骼的3D打印机，理论上，这些打印出来的器官、组织和骨骼能够直接植入人体。ITOP研究所也开发了可生物降解的塑料材料制造水基凝胶以支撑打印过程中的活体细胞。

3D打印的环保材料
ABS塑料，主要通过FDM打印机来使用，是目前最常见的塑料。然而，它不完全是环保的，在烟雾融化时释放有害的气体。总部位于慕尼黑的 Additive Elements，一直致力于安全、生物为基础的材料，并相信这代表了行业的未来。Additive Elements研发了食品级材料由专门的惰性材料和原材料主城，而且可完全回收并且对环境无害。

碳纳米管
市场调研机构Lux Research预测，2016年排名前三的趋势是碳纳米管产品，以软件为基础的可编程与智能化材料，以及IoT物联网发展带来的嵌入式材料打印需求与技术升级。Lux Research还预测碳纳米管材料和3D打印碳纳米管将走向先进材料市场的主场。

碳纳米管的圆柱形碳分子具有优良的导热性能、力学性能和电学性能，使他们在纳米技术领域－nanotechnogloy、半导体领域、电子领域、光学和材料科学等领域具有极大的潜力。

密歇根的创业公司3DXTech推出了一系列专业碳纳米管的3D打印长丝，该长丝可以用于几乎任何FDM / FFF桌面型3D打印机加热与搭建平台，用于制作拓展功能的3D打印电子和PCB电路板，3D打印碳纳米管还可以显著增强3D打印物体。除了3DXTech还有Arevo Lab和Avante Technology推出了自己的碳纳米材料。

石墨烯

石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的二维材料：它是有史以来最薄的材料，只有一个碳原子厚度；也是有史以来最强的材料，强度是一般结构钢的200倍。石墨烯几乎是完全透明的，但结构非常致密，即使是最小的氦原子都不能穿过它。而且它与人类细胞组织相容。

用于医学：西北大学团队往石墨烯打印的支架上注入了干细胞，最终的结果相当出色。首先，细胞存活了下来，然后继续分裂、增殖并转化成类似神经元的细胞。

用于LED：石墨烯3D实验室的Romulus III可以打印有机LED光源，该独特工艺是通过石墨烯涂层透明导体来制作的。这种功能性打印机将贴近人们的实际生活和实际需求，为更多的基于此项技术的创新产品打开了一扇大门。

用于电容：美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）与加州大学圣克鲁兹分校的科学家们通过3D打印石墨烯超级电容让定制化电子产品成为可能。澳大利亚斯威本大学（Swinburne University）的研究人员通过3D打印石墨烯薄片，发明了一种全新而且应用广泛的能源存储技术（从技术上讲，是一种超级电容器），可容纳更大的电荷能量，并且在一秒钟内完成充电。

另外，英国的Haydale Graphene Industries还推出了石墨烯增强PLA丝材，提高了PLA材料的强度和刚性。

除此之外，3D科学谷补充Sculpteo的评选如下：

纳米液滴
苏黎世联邦理工大学的“纳米液滴”3D打印，能够以金、银纳米颗粒为原料3D打印出超薄的“纳米墙”。

高温陶瓷
加利福尼亚州Malibu的HRL 实验室发明了可兼容与光固化/3D打印的树脂配方，这种树脂在3D打印后经过过火可以生成致密的陶瓷部件。

动态Cilllia毛发
MIT研发的Cilllia毛发是通过光敏树脂固化的技术打印出来的，通过将3D打印的精度控制到极其细微的程度。这对于动力学是个创新领域，改变了以往我们需要电机或者其他的动力装置才能使得物体发生移动的现状。

离子膜
美国宾夕法尼亚州立大学的科学家使用3D打印技术制作的离子交换膜模型是第一个可以定量降低交换膜电阻的模型。只需一个简单的并联电阻模型就可以描述这些图案在降低这些新型膜的电阻方面发挥的影响。

纤维增强树脂复合材料

为了充分控制复合材料微观结构的分布和方向，英国Bristol大学找到了代替熔融长丝的3D打印复合材料的方法，该方法是基于光敏树脂技术的3D打印技术。通过超声波用来诱导材料的微观结构排列，通过激光束用来固化环氧树脂。

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