什么樣的3D打印研究能夠登上Nature & Science，看看你離大牛還有多遠

來源：材料人

從石器時代到第三次工業(yè)革命，人類的生產(chǎn)力和生產(chǎn)方式發(fā)生了許多翻天覆地的改變和提高。隨著材料科學和計算機科學的發(fā)展，科學家們設(shè)計出了增材制造工藝，即通過軟件程序建立產(chǎn)物模型，將模型逐層打印產(chǎn)出目標產(chǎn)品。這一工藝優(yōu)點在于可以通過編譯生產(chǎn)出許多復雜嵌套結(jié)構(gòu)類產(chǎn)品，同時避免不必要的浪費。 但是由于加工工藝的本質(zhì)區(qū)別，增材（常見于3D打�。┕に嚰庸こ鰜淼漠a(chǎn)品與傳統(tǒng)工藝的產(chǎn)品性能上有所區(qū)別�？茖W家們正積極研發(fā)和改進現(xiàn)有的3D打印技術(shù)，以適應(yīng)更豐富的原材料和應(yīng)用。在這篇文章中，我們總結(jié)了一些近兩年內(nèi)發(fā)表于Nature上關(guān)于3D打印研究的成果文章，為正在此研究方向或有志從事此研究方向的科學家們提供參考。

1.3D打印高強度鋁
金屬材料作為一種傳統(tǒng)材料，常用于航天航空，生物醫(yī)學，汽車工程等行業(yè)。然而，目前常見的約5500種金屬材料中，絕大多數(shù)都不能適用于3D打印工藝。因為打印過程中的熔化和凝固過程會導致材料微觀結(jié)構(gòu)具有較大的柱狀晶粒和周期性裂紋。這些微觀結(jié)構(gòu)的缺陷大大削弱了材料的機械性能和耐久性。使得其無法代替通過傳統(tǒng)工藝加工生產(chǎn)的同類型材料的運用。

美國加州圣地亞哥大學的Tresa教授和他的團隊們發(fā)現(xiàn)在3D打印期間通過引入控制固化的納米成核劑顆粒可以有效解決這一難題，并于Nature上發(fā)表了題為“3D printing of high-strength aluminium alloys”的研究成果。他們根據(jù)材料晶體學信息選擇合適的成核劑，并將它們整合到7075和6061系列鋁合金粉末上。在用成核劑進行官能化后，以前那些無法適用于3D打印工藝的高強度鋁合金材料可以通過選擇性激光熔化技術(shù)來加工生產(chǎn)。材料微觀結(jié)構(gòu)上無裂縫，等軸，材料強度與鍛造材料相當。這種金屬基添加劑制造方法同時還適用于各種合金。因此，它為合金材料的3D打印技術(shù)廣泛化工業(yè)實用提供了基礎(chǔ)，并且能夠改善其他合金系統(tǒng)的制造，例如不可焊接的鎳超合金和金屬間化合物。此外，該技術(shù)可用于常規(guī)加工，例如連接，鑄造和注塑。在這些加工技術(shù)中，凝固裂紋和熱撕裂也是常見問題。

圖1 未使用成核劑的3D打印合金產(chǎn)物微觀晶體結(jié)構(gòu)存在周期性裂痕和非等軸特征（上），使用成核劑的3D打印合金產(chǎn)物的無縫，等軸晶體結(jié)構(gòu)特征（下）[1]

2.3D打印可快速轉(zhuǎn)換的鐵磁疇軟質(zhì)材料
隨著3D打印工藝技術(shù)的發(fā)展，科學家們除了大量研究產(chǎn)品的幾何結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)化，也投入了很多努力研究材料功能化。其中一種研究方向是通過對部分軟質(zhì)材料進行特定的修飾加工，使得產(chǎn)品能夠在光，熱，磁場和電場等刺激下發(fā)生三維空間上的形態(tài)變化。這種材料在生物醫(yī)學，機器人，柔性可穿戴電子設(shè)備等領(lǐng)域都有著很大的潛在運用前景。尤其是在生物醫(yī)學領(lǐng)域，利用磁場可以實現(xiàn)遠程安全有效地操作。隨著技術(shù)的改進，當前的磁響應(yīng)材料通過嵌入離散磁體或?qū)⒋判粤Ｗ咏Y(jié)合到軟化化合物中以實現(xiàn)聚合物片材中的不均與磁性分布。

麻省理工大學的趙選賀教授及他的團隊改進了一種鐵磁疇軟質(zhì)材料的印刷技術(shù)并于Nature上發(fā)表了題為“Printing ferromagnetic domains for untethered fast-transforming soft materials”的研究成果。他們將含有鐵磁微粒的彈性體復合材料直接進行油墨打印。在打印時向噴嘴施加磁場從而重新定向磁性微粒以實現(xiàn)圖案化的磁極性。這一改進方案使得在復雜的3D打印軟質(zhì)材料中編譯鐵磁疇可行。進而實現(xiàn)了在此技術(shù)之前很難達到的轉(zhuǎn)換模式，例如遠程控制具有負泊松比的超材料的拉長行為（auxetic behaviours）。其產(chǎn)品比現(xiàn)有的3D打印活性材料在驅(qū)動速度上和功率密度上均大幾個數(shù)量級。除此之外，他們在文中還展示了復雜形狀可變的軟質(zhì)材料在軟電子設(shè)備和機器人領(lǐng)域運用的潛能。

圖2 不同三維空間結(jié)構(gòu)的鐵磁疇3D打印產(chǎn)品在施加磁場后的形變狀態(tài) [2]

3.3D打印分層結(jié)構(gòu)產(chǎn)物的液晶材料
纖維增強聚合物結(jié)構(gòu)材料擁有較高的剛度，強度和較低的質(zhì)量的優(yōu)點，被廣泛使用在航天航空，車輛以及生物醫(yī)學領(lǐng)域。然而這種高強度材料的生產(chǎn)需要高能量和大量的勞動力。材料本身表現(xiàn)出脆性且無法回收利用等缺點。除此之外，當前聚合物輕質(zhì)材料的生產(chǎn)工藝制造存在兩種阻礙因素：復雜結(jié)構(gòu)的3D打印產(chǎn)品機械性能太差；具有高強度性能的聚合物產(chǎn)品只適用于生產(chǎn)簡單的幾何形狀結(jié)構(gòu)。為了結(jié)合高設(shè)計自由度和優(yōu)秀機械性能，科學家們開發(fā)出了液晶彈性體3D打印工藝。盡管這可以一定程度上提高材料的機械性能，但是和高性能液晶合成纖維材料產(chǎn)品相比還是差了三到四個數(shù)量級。

相比之下，通過定向自組裝形成的分層結(jié)構(gòu)的骨骼，絲綢以及木材材料也同樣擁有優(yōu)秀的機械性能，但可以很好地循環(huán)整合到環(huán)境中�？茖W家Silvan Gantenbein利用這一結(jié)構(gòu)特點，改進了一種3D打印的方法，以生成具有分層結(jié)構(gòu)的高強度，高韌性可回收輕質(zhì)材料結(jié)構(gòu)。這一新型結(jié)構(gòu)材料特征源于在擠出過程中液晶聚合物分子自組裝具有高度定向的特點。通過對打印路徑上的分子進行高度定向，他們能夠根據(jù)預設(shè)的機械性能增強聚合物的結(jié)構(gòu)，使得產(chǎn)品強度和剛度超過當前最先進的3D打印聚合物材料并與高性能輕質(zhì)復合材料相當。除此之外，利用3D打印工藝自下而上的形成產(chǎn)品的特點，我們可以突破當前制造工藝的典型限制從而制造出結(jié)構(gòu)更多樣自由的產(chǎn)品。Silvan和他的團隊依照自然界中高強度生物材料的生長原理，提出兩種設(shè)計原則：首先，通過液晶聚合物分子在打印路徑上的自組裝過程實現(xiàn)各向異性；其次，根據(jù)產(chǎn)品特定的作業(yè)環(huán)境和載荷狀態(tài)利用3D打印技術(shù)定制和局部修飾材料結(jié)構(gòu)，剛度和強度。

圖3 3D打印分層結(jié)構(gòu)的液晶聚合物產(chǎn)物示意圖 [3]

4.3D打印仿晶體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)材料
3D打印的一大優(yōu)點在于可以打印復雜的傳統(tǒng)工藝無法實現(xiàn)的幾何結(jié)構(gòu)，減少各成分之間的鏈接點從而在節(jié)省原料的條件下實現(xiàn)優(yōu)秀的機械性質(zhì)。科學家們曾嘗試利用3D打印工藝制作類似于晶體結(jié)構(gòu)的周期性排列的節(jié)點與支柱的架構(gòu)組織，如圖4。這種架構(gòu)材料擁有質(zhì)量輕和特殊機械性能的特點（如負泊松比）。一直以來的研究方向在于優(yōu)化單元格的結(jié)構(gòu)并將其周期排列。這些單元格的排列方式使得他們具有相同的方向。所以，當載荷超過屈服點時，會出現(xiàn)局部高應(yīng)力帶，進而導致機械強度災(zāi)難性崩潰。這種崩潰類似于常規(guī)固體金屬單晶材料中的位錯滑移所引起的應(yīng)力下降。

圖4 FCC晶體結(jié)構(gòu)和仿晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計的結(jié)構(gòu)材料 [4]

英國帝國理工學院的Minh-Son Pham教授一摒其他學者的研究方向，考慮模仿真實晶體材料的微觀結(jié)構(gòu)，例如晶界，沉淀和相，開發(fā)出堅固又耐用的結(jié)構(gòu)材料。他們認為宏觀尺度下的仿晶體結(jié)構(gòu)原理與晶體微觀尺度下的硬化原理一樣重要。結(jié)合金屬單晶材料的硬化原理和結(jié)構(gòu)材料，他們可以開發(fā)并設(shè)計出符合性能期待要求的材料。通過一系列實驗，他們發(fā)現(xiàn)可以將金屬單晶晶體硬化原理運用在結(jié)構(gòu)材料中，并成功改善材料的機械性能，并發(fā)表題為“Damage-tolerant architected materials inspired by crystal microstructur”的研究成果

圖5 仿金屬單晶材料硬化原理的結(jié)構(gòu)材料示意圖 [4]

5.空間（非疊層）增材制造工藝
增材制造工藝（即3D打印技術(shù)）由于其可構(gòu)造復雜幾何結(jié)構(gòu)的特點，越來越多的被用于真正的生產(chǎn)和工業(yè)領(lǐng)域，包括醫(yī)療設(shè)備，光學器材，航天部件，工具等。當前的增材制造工藝大抵是通過重復1D或者2D單元實現(xiàn)三維幾何結(jié)構(gòu)。然而這種加工方式使得產(chǎn)品表面質(zhì)量和光滑度差強人意，而且對于復雜的嵌套結(jié)構(gòu)并不友好（需要支撐材料）。更重要的是，逐層加工可能導致機械性能的各項異性。

加州伯克利大學的教授Hayden Taylor及他的團隊日前開發(fā)出了一種可以同時制造所有點的制造技術(shù)以適用于任何幾何結(jié)構(gòu)并發(fā)表了題為“Volumetric additive manufacturing via tomographic reconstruction”的研究成果。他們通過繞軸進行光聚合反應(yīng)合成產(chǎn)品，如圖6。這一合成方法相較于傳統(tǒng)3D打印方法擁有諸多優(yōu)點。該方法可以規(guī)避支撐結(jié)構(gòu)，因為它可以直接打印成高粘稠液體甚至固體。該方法還使得加工速度提高了幾個數(shù)量級，并且避免了各向異性的機械性能。這種利用多角度曝光實現(xiàn)3D打印加工工藝的技術(shù)的靈感來自于我們常見的醫(yī)用成像手段——CT掃描技術(shù)。這一合成方式可以看做是CT成像方法的反向運用：利用軟件合成好的3D模型加以反向數(shù)字轉(zhuǎn)化計算出各角度的成像及光輻射強度。這一3D打印技術(shù)與我們所熟知的加工手法有著本質(zhì)上的區(qū)別，其產(chǎn)物的加工方式不再是逐層而是通過空間合成。

圖6 多角度繞軸進行光聚合反應(yīng)示意圖 [5]

總結(jié)
從這些近年來發(fā)表于Nature上的成果來看，一篇優(yōu)秀的大牛成果報告不僅僅應(yīng)有材料性能的突破性，通常還伴隨著技術(shù)的改進，新技術(shù)的開發(fā)甚至交叉學科的參與。可以預見的是，3D打印工藝的研究和發(fā)展還遠沒有到達飽和。目前為止，大多數(shù)的材料還無法適用于這一技術(shù)。盡管科技進步的每一步都困難重重，但是這些阻力后面也蘊藏著無限的機會和可能性。

參考文獻
[1] Martin, J., Yahata, B., Hundley, J., Mayer, J., Schaedler, T., & Pollock, T. (2017). 3D printing of high-strength aluminium alloys. Nature, 549(7672), 365-369. doi: 10.1038/nature23894

[2] Kim, Y.; Yuk, H.; Zhao, R.; Chester, S.; Zhao, X. Printing Ferromagnetic Domains For Untethered Fast-Transforming Soft Materials. Nature 2018, 558, 274-279.

[3] Gantenbein, S.; Masania, K.; Woigk, W.; Sesseg, J.; Tervoort, T.; Studart, A. Three-Dimensional Printing Of Hierarchical Liquid-Crystal-Polymer Structures. Nature 2018, 561, 226-230.

[4] Pham, M.; Liu, C.; Todd, I.; Lertthanasarn, J. Publisher Correction: Damage-Tolerant Architected Materials Inspired By Crystal Microstructure. Nature 2019, 567, E14-E14.

[5] Kelly, B.; Bhattacharya, I.; Heidari, H.; Shusteff, M.; Spadaccini, C.; Taylor, H. Volumetric Additive Manufacturing Via Tomographic Reconstruction. Science 2019, 363, 1075-1079.