3D打印热点回眸：更精、更快、更多样

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来源：科技导报   作者：吴磊，张虞，邹苗苗，宋延林

随着打印方法不断改进和打印材料范围不断扩大，3D打印能够在不同长度范围内以可编程方式控制其成分和体系结构，从而推动了众多领域的创新，如仿生结构、柔性传感器和软体机器人等。

2020年是3D打印技术快速发展的一年，本文从打印方法改进、新型墨水研发、新型结构制备和应用，以及金属3D打印机理研究等方面回顾了3D打印的年度研究热点和代表性成果。

3D打印是基于材料累加原理，将计算机中的三维模型通过分层添加材料打印出实物的一种增材制造技术，可以快速设计和制造复杂结构，无需昂贵的工具、模具或光刻掩模。

3D打印开启了计算机可控制备机械、光电等功能结构和器件的增材制造新时代。

3D打印技术改进

3D打印发展的方向是提高打印的体量、精度、速度、打印结构的均一性以及打印结构的多材料化。2020年，高精度高速3D打印技术得到了进一步发展。

针对光固化3D打印过程中液体树脂在打印结构表面的残留影响打印精度的问题，宋延林团队提出了单墨滴3D打印的策略，显著提高了3D打印的精度和稳定性。

单墨滴3D打印方法

Delrot团队通过反馈增强的层析成像重建技术，将打印精度提高至80 μm，可以制备厘米级的丙烯酸和有机硅结构。

经过改进，可以在30 s内打印出巴黎圣母院的拱形扶壁结构，该技术在超快制造中有极高的应用前景。

反馈增强的层析成像重建3D打印方法

针对电压喷射出的液流难以控制，打印形貌受限的问题，Rosell-Llompart团队和Andreu Cabot团队合作提出了一种利用静电射流偏转技术的超高速3D打印方法。

该方法比传统电流体动力喷墨打印技术快3~4个数量级，并且可以打印亚微米级尺度和小曲率半径的3D结构。

静电射流偏转高速3D打印方法

针对3D打印结构材料多样性的需求，Lewis团队提出了多材料3D打印技术。

为了进一步解决多材料梯度分辨率低、连续性差和不同材料之间粘结力弱的问题，Wood和Menges团队联合Sitti团队，提出了将数字处理和3D打印相结合的多材料打印方法，为多材料程序化打印制备形变结构及软体机器人提供了基础。

可编程的多材料3D打印方法

3D打印墨水多样化

不同的3D打印方法和应用领域对墨水的要求不同，因此需要针对性地进行3D打印墨水的研发和改进。

3D打印从技术上大体可以分为两类：

（1）基于光引发聚合、固化的方法，3D结构是由可聚合的材料固化生成；

（2）基于喷嘴将材料挤出到平台上，通过喷嘴在挤出过程中的水平移动和平台的垂直移动来决定3D打印的最终形状。

导电聚合物材料

针对传统的导电聚合物流动性强，成型控制性能较差的问题，赵选贺团队提出了一种将商用的聚（3，4-乙烯二氧噻吩）∶聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT∶PSS）水溶液转化为可3D打印的导电聚合物墨水的方法。

基于这种导电聚合物墨水，团队实现了导电聚合物微结构的高分辨、高通量、快速直接3D打印，并成功监测神经元活动信号，为3D打印柔性电子、可穿戴等器件提供了新策略。

可3D打印的导电聚合物墨水

弹性体材料

弹性体材料由于具有卓越的机械性能、热阻和化学惰性，成为制备软质器件的理想材料。

3D打印弹性体的开发可以显著提高制造柔性3D结构的能力，有望应用于软体驱动装置、机器人、柔性电子等领域。

Wallin和Mengüç联合开发了一种双网络有机硅弹性体，他们通过立体光固化的3D打印技术实现了高性能的有机硅弹性体的制备。

可3D打印的双网络有机硅弹性体

为了进一步增强机械性能，纳米颗粒常被复合于弹性体墨水中，但会导致墨水粘度大幅增加，可3D打印性降低。

Shepherd联合Menguc提出了利用连续打印过程中的负压及外部辅助加热的方法来实现纳米颗粒-弹性体复合材料的面成型光固化3D打印，并给出了可打印的纳米颗粒浓度和温度的范围。

可3D打印的纳米颗粒-弹性复合材料

Lewis团队开发了可3D打印的液晶弹性体，液晶弹性体在其向列至各向同性转变温度上下循环时可发生可逆形变。

由于在弹性体中引入了可光触发的动态键合作用，因此可在可逆形变过程中通过紫外光照射将其形状固定，从而实现形状编程控制。

可3D打印的液晶弹性体

为实现3D打印结构的多形变操纵，Qi联合Zhao通过将2种磁性颗粒集成于非晶形状记忆聚合物基体中，在磁场驱动下基体可通过磁感应加热而软化，而具有可重复编程性质的磁性颗粒可实现快速且可逆的形状变化，通过冷却可锁定形变形状，且改变用于加热的颗粒负载可实现程序化驱动形变。

气凝胶材料

由于其超低的热导率和开放的孔结构，硅气凝胶在隔热、催化、环境修复、光学器件等方面具有广泛的应用前景，但较差的机械可加工性则导致其3D成型仍存在瓶颈。

Malfait和Zhao利用凝胶颗粒分散液剪切变稀的性质，实现了气凝胶结构的3D打印。

打印所用的硅溶胶由于凝胶颗粒的体积分数高而表现出剪切稀化现象，可在打印过程中从喷嘴流出，但在打印后其粘度会迅速增加，从而确保3D结构成型。

在打印结束后，将成型的硅溶胶在氨气中凝胶化即可变为气凝胶。

3D打印的气凝胶结构器件可用于热管理、小型气体泵、降解挥发性有机化合物等多种应用。

可3D打印的气凝胶材料

3D打印新结构与应用

基于3D打印方法学的改进和新型墨水的开发，一些传统制造技术难以实现的3D结构的制备和应用也取得了突破。

宋延林团队利用3D打印技术仿生构造了三维锥形不对称结构蒸发体系，在高盐度下实现了高效太阳能利用和高速水蒸发，该系统在海水淡化领域有很强的应用前景。

3D打印三维锥形不对称结构蒸发体系

Wangpra‐seurt和Chen联合Vignolini利用3D打印制备的仿珊瑚结构，实现了微藻类的规模培养。

在该3D打印的仿生珊瑚培养基内部能够以高空间的细胞密度生长微藻，为3D打印生物组织提供了研究基础。

3D打印仿生珊瑚结构实现微藻类培养

顾忠泽与赵祥伟团队基于激光直写技术，提出了一种用于原子力显微镜扫描探针的3D设计和加工方案。

研究人员在硅、PDMS和生物样本在内的3种微图案上，验证了微结构探针在成像优化上的准确性和有效性，进一步扩宽了3D打印的结构多样性和应用范围。

3D打印原子力显微镜的扫描探针

射频探头前端作为磁共振系统的核心组件，极大地影响着磁共振实验结果的质量。

陈忠团队利用熔融沉积制造和光固化技术，3D打印出一体化磁共振探头前端框架，并利用液态金属灌注技术填充线圈模型管路形成射频线圈，从而制备出一体化磁共振射频探头。

由于3D打印技术的灵活性和准确性，可以精确地获得微米级的复杂线圈几何形状，从而缩短了制造时间，扩展了应用场景，为定制化的磁共振检测提供了新思路。

3D打印一体化磁共振探头

金属3D打印机理取得重大进展

随“工业4.0”进程的加快，金属零部件的制备面临着快速开发、个性化定制、轻量化等需求，而3D打印技术具备成形自由度高、可用材料范围广及制造环节少的特点，很好地契合了金属零部件产品的未来发展趋势。

激光粉末床熔融技术在缺陷机理模拟方面取得突破

金属零部件的3D打印通常使用激光粉末床熔融技术，即不断的重复熔化2D金属材料粉末、层层堆积形成预设的3D结构。

在激光熔融粉末过程中，会产生高通量的蒸汽导致产生复杂的气流，从而带走散布的粉末颗粒，严重时会形成颗粒飞溅物，进而导致较大面积的区域缺少粉末。最终不可避免地会在打印金属结构内部产生缺陷，但产生这种3D打印缺陷的机理一直不清楚。

Khairallah团队提出了一种新的金属3D打印缺陷形成机制。

该结果还给出了减少飞溅与缺陷并提高3D打印金属零件可靠性的制备路线图，得出了稳定熔池动力学和最小化缺陷的标准，有助于提高金属零件制造的可靠性。

多物理场模型模拟激光粉末床熔融过程

锁孔形成机理取得新认识

赵沧、Rollett和Sun合作，针对高功率、低扫描速度的激光熔化条件下产生的锁孔现象进行了原位观测分析，并总结了锁孔形成机理。

这一发现为锁孔形成的原因提供了新的认识，并提供了3D打印金属零件的功率-速率相图。

高速X射线成像观测激光粉末床熔融过程中锁孔产生机理

精确控制复合金属材料的微观结构取得新进展

3D打印金属的过程也对打印的微观结构和性能起重要作用。

Kürnsteiner发现在激光粉末沉积的过程中，可通过高冷却速率和循环再加热等方式对加工参数进行数字控制，从而精确控制复合金属材料的微观结构。

该方法还可以用于制造其他类型的硬质合金，拓展了3D打印金属结构的应用。

结论

在增材制造快速发展的大趋势下，3D打印技术展现出广阔的发展前景。

3D打印技术未来发展的重要方向之一是在多尺度（纳米尺度、微观尺度和宏观尺度）上创建形状精确可控的三维结构。

但目前高打印精度、大打印体量和快速打印速度还难以同时实现，且材料、结构和性能仍受较大局限，需要进一步研究突破。

本文作者：吴磊，张虞，邹苗苗，宋延林作者简介：吴磊，中国科学院化学研究所绿色印刷重点实验室、中国科学院大学，副研究员，研究方向为连续3D打印及应用；宋延林（通信作者），中国科学院化学研究所绿色印刷重点实验室、中国科学院大学，研究员，研究方向为绿色印刷及功能器件。

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