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“無(wú)所不能”的3D打印

來(lái)源：本站時(shí)間：2021-06-19 11:17:56 瀏覽：5298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(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)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(guó)時(shí)期的青銅器皿就是通過(guò)鑄造制造出來(lái)的。

（2）減材制造工藝：一般是指在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)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(fèi)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(lái)講，普通的打印機(jī)是將2D圖像或圖形數(shù)字文件通過(guò)墨水輸出到紙張上；3D打印機(jī)則是將實(shí)實(shí)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(lái)，最終變成空間實(shí)物。因此，3D打印在輸出某一分層時(shí)，過(guò)程與噴墨打印是相似的。就像蓋房子，是通過(guò)一塊一塊磚所累積而成，而3D打印的物品是通過(guò)原材料的一粒一粒所累積而成。相對(duì)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(jì)空間無(wú)限、零技能制造和材料無(wú)限組合等優(yōu)勢(shì)。

由于3D打印通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此常在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)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(chǔ)能器件、珠寶打印、工業(yè)設(shè)計(jì)、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(kāi)始有所應(yīng)用，展現(xiàn)出“無(wú)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(jī)可以打印電腦設(shè)計(jì)的平面物品，而所謂的3D打印機(jī)與普通打印機(jī)工作原理基本相同，只是打印材料有些不同。普通打印機(jī)的打印材料是墨水和紙張，而3D打印機(jī)打印的則是實(shí)實(shí)在在的原材料，打印機(jī)與電腦連接后，通過(guò)電腦控制可以把“打印材料”一層層疊加起來(lái)，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。通俗地說(shuō)，3D打印機(jī)是可以“打印”出真實(shí)的3D物體的一種設(shè)備，比如打印一個(gè)機(jī)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(jī)”也正是參照了普通打印機(jī)的技術(shù)原理，因?yàn)榉謱蛹庸さ倪^(guò)程與噴墨打印十分相似。

3D打印的基本設(shè)計(jì)過(guò)程是：先通過(guò)計(jì)算機(jī)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(jī)逐層打印，最終將設(shè)計(jì)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(jìn)行如下表分類（表1）。

3 應(yīng)用分析

自十九世紀(jì)末，美國(guó)科學(xué)家Charles Hull開(kāi)發(fā)第一臺(tái)商業(yè)3D印刷機(jī)以來(lái)，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(gè)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(guó)際空間，都開(kāi)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(chǔ)能器件、光學(xué)傳感等（圖1）。在此，筆者選取了其中幾個(gè)角度，對(duì)3D打印的應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)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(diǎn)。

3.1 金屬增材制造

金屬增材制造（MAM）正在徹底改變多個(gè)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(jìn)一步的發(fā)展還有很多技術(shù)問(wèn)題，其中一個(gè)主要障礙是對(duì)晶粒結(jié)構(gòu)的控制。晶粒結(jié)構(gòu)控制不好會(huì)影響其熱裂性等性能，并且導(dǎo)致各向異性的機(jī)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(duì)常規(guī)生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)的，并沒(méi)有針對(duì)MAM工藝進(jìn)行優(yōu)化。因此，需要具有高強(qiáng)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(shì)，并以此作為高性能部件的競(jìng)爭(zhēng)性制造途徑。

幾十年來(lái)，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到細(xì)小和等軸的晶粒可以減少熱裂的趨勢(shì)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(gè)巨大的挑戰(zhàn)。盡管在鋁合金的MAM中通過(guò)添加晶粒細(xì)化劑來(lái)獲得細(xì)等軸晶粒已取得了進(jìn)展，但仍然沒(méi)有能夠有效細(xì)化鈦晶粒微觀結(jié)構(gòu)的商用細(xì)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(qiáng)度的超細(xì)晶粒鈦-銅合金。由于凝固過(guò)程中合金元素的分配，這種鈦-銅合金具有較高的組織過(guò)冷能力，它可以克服激光中高熱梯度的負(fù)面影響，且打印過(guò)程無(wú)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(xì)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(qiáng)度和均勻的伸長(zhǎng)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(xì)共析微結(jié)構(gòu)（圖2）。這項(xiàng)工作的設(shè)計(jì)理念還可以應(yīng)用于其他合金系統(tǒng)，并有望在未來(lái)開(kāi)發(fā)出更多高性能的工程合金。

3.2 儲(chǔ)能器件

儲(chǔ)能電池是移動(dòng)電子產(chǎn)品必不可少的一部分。尺寸小而儲(chǔ)蓄能量大的電池一直是市場(chǎng)所追求的。這些年來(lái)，大量的工作都集中于開(kāi)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(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域。

同時(shí)，3D打印正在改變我們的世界，且這項(xiàng)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(jí)電容可以被打印出來(lái)。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(lái)設(shè)計(jì)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(jì)產(chǎn)品過(guò)程中，必須為電池預(yù)留一定的尺寸和形狀，這樣可能會(huì)浪費(fèi)空間和限制設(shè)計(jì)想法。下一代柔性電子將會(huì)面對(duì)越來(lái)越多這樣的設(shè)計(jì)問(wèn)題。目前，鈦酸鋰和磷酸鐵鋰是3D打印電池中最常用的陽(yáng)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(diǎn)，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(jìn)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(duì)來(lái)說(shuō)小得多。此外，3D打印出的電極在10 C和20 C倍率下的長(zhǎng)循環(huán)性能也遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)電極材料。這項(xiàng)工作對(duì)未來(lái)設(shè)計(jì)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(duì)3D打印在儲(chǔ)能領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用也有一定的推動(dòng)作用。

3.3 生物醫(yī)學(xué)

生物3D打印技術(shù)具有制造個(gè)性化或復(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，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(jìn)行暴露以進(jìn)行相關(guān)操作，手術(shù)暴露的外傷可能會(huì)引起繼發(fā)性的傷害，因此臨床治療的主要趨勢(shì)是微創(chuàng)或無(wú)創(chuàng)方法。

四川大學(xué)華西醫(yī)院生物治療與癌癥中心國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室茍馬玲團(tuán)隊(duì)[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(jìn)行無(wú)創(chuàng)的體內(nèi)3D生物打印。在這項(xiàng)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(dòng)態(tài)投影的方式在空間上引發(fā)單體溶液的聚合。通過(guò)用圖案化的NIR進(jìn)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(wú)需手術(shù)植入，就可以在體內(nèi)獲得具有軟骨化作用的個(gè)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(xì)胞的共形支架。

如圖4所示，作者展示了基于DNP的無(wú)創(chuàng)生物3D打印耳狀組織，體外通過(guò)DNP工藝從皮膚覆蓋的含有軟骨細(xì)胞的生物墨水中打印耳狀組織，培養(yǎng)7天后細(xì)胞具有良好的存活率（>80%）。在小鼠體內(nèi)通過(guò)DNP工藝印刷了耳狀組織，1個(gè)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(xiàng)工作對(duì)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(kāi)辟新的途徑并推動(dòng)微創(chuàng)或無(wú)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(shí)，經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)人類面對(duì)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(dòng)物為了保護(hù)柔軟的身體，進(jìn)化出了自己的“鎧甲”——貝殼。那么，貝殼為什么會(huì)如此堅(jiān)硬呢？

通過(guò)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(guò)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(chǎng)輔助3D打印技術(shù)，構(gòu)建出復(fù)雜的珍珠層三維多級(jí)結(jié)構(gòu)。該材料質(zhì)輕且強(qiáng)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(hù)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(shù)脂作為“泥”。石墨烯納米片在電場(chǎng)（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(jiǎn)單塊狀仿珍珠層材料的難點(diǎn)，通過(guò)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(shí)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(dá)到與天然貝殼相類似的韌性和強(qiáng)度，同時(shí)具有較低的密度，滿足輕質(zhì)材料的需求。未來(lái)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(jī)框架(LnMOF)材料是金屬有機(jī)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(jìn)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(tái)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(duì)MOF的組裝開(kāi)展了大量的研究工作，然而，如何實(shí)現(xiàn)LnMOF材料的宏觀與可控組裝仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。

復(fù)旦大學(xué)武培怡教授團(tuán)隊(duì)[5]巧妙利用浸泡的策略，通過(guò)對(duì)3D打印結(jié)構(gòu)后處理的簡(jiǎn)便方法，實(shí)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(jí)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(jìn)行微調(diào)。當(dāng)Eu3?和Tb3?離子的比例從10:0變化到0:10時(shí)，EuMOFs的特征發(fā)射強(qiáng)度逐漸降低，TbMOFs的特征

發(fā)射強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。相應(yīng)地，色度圖坐標(biāo)也從紅色區(qū)經(jīng)過(guò)黃色區(qū)，最后到達(dá)綠色區(qū)，對(duì)應(yīng)圖6b中的光學(xué)圖像。通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也可實(shí)現(xiàn)在同一個(gè)3D框架內(nèi)對(duì)發(fā)光色進(jìn)行定制(圖6c-f)?？偟膩?lái)說(shuō)，這種可視化、可設(shè)計(jì)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(diǎn)，有望在未來(lái)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(shì)是加速產(chǎn)品的研發(fā)過(guò)程、提供個(gè)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(wú)需先行制作模具和機(jī)械加工，通過(guò)快速自動(dòng)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(jì)生產(chǎn)周期大大縮短，生產(chǎn)成本大幅下降，已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域嶄露頭角。

當(dāng)然，3D打印作為一項(xiàng)年輕的成型工藝，還存在著許多的不足，比如成型時(shí)間慢、精度低、材料種類少、無(wú)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(bǔ)的方式存在，要成為主流的生產(chǎn)制造技術(shù)還尚需時(shí)日。但是要相信，人類對(duì)技術(shù)的追求是無(wú)限的，隨著3D打印設(shè)備和打印材料的研發(fā)的不斷進(jìn)步，3D打印技術(shù)會(huì)越來(lái)越被廣泛得到使用。

5 參考文獻(xiàn)

[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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