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“无所不能”的3D打印

来源：本站时间：2021-06-19 11:17:56 浏览：5312次

1 引言

3D打印是快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的制造技术。

传统的制造方法主要可归纳为以下两种：

（1）等材制造工艺：比如铸造，是一种金属热加工工艺，是将液体金属（例：铜、铁、铝、锡等）浇铸到与零件形状相适应的空腔（材料可以是砂、金属甚至陶瓷）中，待其冷却凝固后，以获得零件或毛坯的方法。人类在几千年前就掌握了这种制造工艺，比如出土的春秋战国时期的青铜器皿就是通过铸造制造出来的。

（2）减材制造工艺：一般是指在数控机床上进行零件加工的工艺方法，车铣刨磨是四种基本的加工方式，包括车削加工、铣削加工、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种方式才可完成零件的加工。由于这种加工工艺是将多余的材料从工件中削除，被削除的材料是浪费的，因此称为减材制造工艺。

而3D打印，则完全不同，它是一种增材制造工艺。形象来讲，普通的打印机是将2D图像或图形数字文件通过墨水输出到纸张上；3D打印机则是将实实在在的原材料（比如金属、陶瓷、塑料、砂等）输出为一薄层（物理上具有一定的厚度），然后不断重复一层层叠加起来，最终变成空间实物。因此，3D打印在输出某一分层时，过程与喷墨打印是相似的。就像盖房子，是通过一块一块砖所累积而成，而3D打印的物品是通过原材料的一粒一粒所累积而成。相对于具有千年历史的等材制造工艺和具有百年历史的减材制造工艺，3D打印具有设计空间无限、零技能制造和材料无限组合等优势。

由于3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的，因此常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。目前，该技术在金属增材、储能器件、珠宝打印、工业设计、房屋建筑、工程和施工、汽车制造、航空航天、医疗产业、军工用品以及其他许多领域都逐渐开始有所应用，展现出“无所不能”的一面。

2 原理及分类

日常生活中使用的普通打印机可以打印电脑设计的平面物品，而所谓的3D打印机与普通打印机工作原理基本相同，只是打印材料有些不同。普通打印机的打印材料是墨水和纸张，而3D打印机打印的则是实实在在的原材料，打印机与电脑连接后，通过电脑控制可以把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。通俗地说，3D打印机是可以“打印”出真实的3D物体的一种设备，比如打印一个机器人、打印玩具车，打印各种模型，甚至是打印吃的食物等等。之所以通俗地称其为“打印机”也正是参照了普通打印机的技术原理，因为分层加工的过程与喷墨打印十分相似。

3D打印的基本设计过程是：先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即所谓的切片，从而指导打印机逐层打印，最终将设计理念输出为直接可触摸的材料或产品。

3D打印存在着许多不同的技术。它们的不同之处在于常用材料的类别，并可以以不同层构建创建部件。目前， 3D打印常用材料有尼龙玻纤、耐用性尼龙材料、石膏材料、铝材料、钛合金、不锈钢、镀银、镀金、橡胶类材料，按照技术类型、打印类型及材料可进行如下表分类（表1）。

3 应用分析

自十九世纪末，美国科学家Charles Hull开发第一台商业3D印刷机以来，有关3D打印的设备、技术以及应用如雨后春笋般层出不穷。作为一种制造技术，3D打印涉及多个领域、方方面面，小到日常生活的衣物定制、汽车打印，大到航空航天、国际空间，都开始出现3D打印的身影。

而在学术领域，3D打印技术同样不可忽视，涉及领域包括金属增材制造、生物医学、新能源储能器件、光学传感等（图1）。在此，笔者选取了其中几个角度，对3D打印的应用进行了简单的归纳总结，希望能带着大家一起，借一借东风，看一看前沿热点。

3.1 金属增材制造

金属增材制造（MAM）正在彻底改变多个行业的生产方式，尤其是航空航天，汽车和生物医学领域。然而，MAM进一步的发展还有很多技术问题，其中一个主要障碍是对晶粒结构的控制。晶粒结构控制不好会影响其热裂性等性能，并且导致各向异性的机械性能，特别是在高性能合金中。当前在工业中使用的合金最初都是针对常规生产工艺设计的，并没有针对MAM工艺进行优化。因此，需要具有高强度和最佳凝固性能的新型合金，最大程度的发挥MAM的优势，并以此作为高性能部件的竞争性制造途径。

几十年来，人们已经认识到细小和等轴的晶粒可以减少热裂的趋势并改善其性能。但是，在MAM中，由于极高的冷却速度和热梯度的不平衡凝固，晶粒的主要特征是具有柱状和织构化的微观结构。

因此，在MAM中形成等轴晶粒是一个巨大的挑战。尽管在铝合金的MAM中通过添加晶粒细化剂来获得细等轴晶粒已取得了进展，但仍然没有能够有效细化钛晶粒微观结构的商用细化剂。

墨尔本理工大学（RMIT）增材制造中心Mark Easton教授等人[1]利用3D打印技术制造了具有高强度的超细晶粒钛-铜合金。由于凝固过程中合金元素的分配，这种钛-铜合金具有较高的组织过冷能力，它可以克服激光中高热梯度的负面影响，且打印过程无需任何特殊的工艺控制或其他处理。打印的钛-铜合金试样具有完全等轴的细晶粒组织。与在类似加工条件下的常规合金相比，它们还显示出有出色的力学性能，如高屈服强度和均匀的伸长率，这归因于利用了高冷却速率和多次热循环而形成的超细共析微结构（图2）。这项工作的设计理念还可以应用于其他合金系统，并有望在未来开发出更多高性能的工程合金。

3.2 储能器件

储能电池是移动电子产品必不可少的一部分。尺寸小而储蓄能量大的电池一直是市场所追求的。这些年来，大量的工作都集中于开发电极材料，电解质、电池结构及新的制造方法，目的在于提高电池的电化学性能，减少制造成本及扩展应用领域。

同时，3D打印正在改变我们的世界，且这项技术发展的非常快，很快变成下一代3D打印能量结构的基础，几乎任意形状的电池和超级电容可以被打印出来。直到现在，人们都不得不根据商业电池的形状和尺寸来设计他们的电子产品，而且电池占据了现代电子产品大部分空间。大多数电池都是圆柱或者四方体的形状，被优化成纽扣状或者袋式。因此当制造商在设计产品过程中，必须为电池预留一定的尺寸和形状，这样可能会浪费空间和限制设计想法。下一代柔性电子将会面对越来越多这样的设计问题。目前，钛酸锂和磷酸铁锂是3D打印电池中最常用的阳极和阴极材料，其展示出最小的体积膨胀、大电流能力、高稳定性及安全性等许多优点，因此深受3D打印的“青睐”。

北京大学潘锋课题组[2]基于LiMn0.21Fe0.79PO4（LMFP）电极材料进行了锂离子电池的3D打印，得到的LMFP电极材料展现出了极其优异的综合电化学性能。如图3所示，3D打印电极的性能明显优于传统电极。在1 C到100 C的速率下，放电容量从161.36 mAh g-1变化到108.45 mAh g-1，变化量相对来说小得多。此外，3D打印出的电极在10 C和20 C倍率下的长循环性能也远优于传统电极材料。这项工作对未来设计高容量和优异速率能力的锂离子电池具有重要的指导意义，且对3D打印在储能领域的发展与应用也有一定的推动作用。

3.3 生物医学

生物3D打印技术具有制造个性化或复杂结构的优势，在医疗方面应用广泛。目前生物3D打印的体内应用策略主要是手术植入或原位3D打印，但是这两种方式都需要将应用的部位进行暴露以进行相关操作，手术暴露的外伤可能会引起继发性的伤害，因此临床治疗的主要趋势是微创或无创方法。

四川大学华西医院生物治疗与癌症中心国家重点实验室苟马玲团队[3]展示了一种基于数字近红外（NIR）光聚合（DNP）的3D打印技术，该技术能够对组织结构进行无创的体内3D生物打印。在这项技术中，NIR由数字微镜设备（DMD）调制成定制的图案，并以动态投影的方式在空间上引发单体溶液的聚合。通过用图案化的NIR进行离体照射，可以将皮下注射的生物墨水非侵入性地原位印刷到定制的组织结构中。无需手术植入，就可以在体内获得具有软骨化作用的个性化耳朵组织结构和可用于修复肌肉组织的充满细胞的共形支架。

如图4所示，作者展示了基于DNP的无创生物3D打印耳状组织，体外通过DNP工艺从皮肤覆盖的含有软骨细胞的生物墨水中打印耳状组织，培养7天后细胞具有良好的存活率（>80%）。在小鼠体内通过DNP工艺印刷了耳状组织，1个月后，形状保持度较好，并逐渐软骨化，原位形成了耳状组织。这项工作对于器官重建或组织修复，具有潜在的临床应用，且有望为医学3D打印开辟新的途径并推动微创或无创医学的发展。

3.4 传感器

大自然是人类的老师，向自然学习一直是人类不变的追求。当科学家们专心去研究生物的“生存绝技”时，经常会发现人类面对的难题，被一些“聪明”的生物们巧妙地解决了。自然界中，软体动物为了保护柔软的身体，进化出了自己的“铠甲”——贝壳。那么，贝壳为什么会如此坚硬呢？

通过扫描电镜发现，贝壳中珍珠层（Nacreous layer）具有有序的“砖-泥（brick-and-mortar）”微观结构。由CaCO3做“砖”，蛋白质和壳多糖构成“泥”，经过缓慢矿化，最终形成了致密的珍珠层。受贝壳珍珠层结构的启发，南加州大学Yong Chen课题组[4]利用电场辅助3D打印技术，构建出复杂的珍珠层三维多级结构。该材料质轻且强度高，具有优秀的力学性能，如果能将其结构和传感相结合，就可以打印定制出可穿戴的“护体”传感器。

如上图5所示，研究者以8 nm厚、直径 ~25 μm 的石墨烯纳米片（GN）为“砖”，光固化树脂作为“泥”。石墨烯纳米片在电场（433 V/cm）作用下极化，两端所带的电荷相反，趋向于平行地、紧密地排列在一起，最终形成均匀的3D打印人工珍珠层。该技术解决了传统方法中只能制备薄膜或者简单块状仿珍珠层材料的难点，通过3D 打印可以制备出具有复杂形状的仿珍珠层三维结构，实现智能可穿戴设备的可定制化。制备出的仿生材料可以达到与天然贝壳相类似的韧性和强度，同时具有较低的密度，满足轻质材料的需求。未来在生物医学、航空航天、体育和军事工业等领域有着广阔的潜在应用。

3.5 光学

镧系发光金属有机框架(LnMOF)材料是金属有机框架(MOF)材料中的重要一类，它充分结合了镧系金属离子优异的发光性能和MOF多样的结构特性，广泛应用于传感、光学防伪等领域，促进了固体发光材料的发展。LnMOF材料复杂的多尺度集成在光学平台的大规模构建中是必不可少的，但往往受到其粉末状性质和传统加工技术的限制。纳米材料和3D打印技术的结合可以制造出多尺度复杂的功能性结构，尽管目前研究人员针对MOF的组装开展了大量的研究工作，然而，如何实现LnMOF材料的宏观与可控组装仍是一个挑战。

复旦大学武培怡教授团队[5]巧妙利用浸泡的策略，通过对3D打印结构后处理的简便方法，实现了LnMOF材料的可控3D组装以及多尺度集成。多重氢键相互作用使得双组份墨水具有可调的流变性能以及合适的粘弹性，3D打印出的结构呈现亚毫米级的分辨率和高形状保真度。得益于金属溶液中Eu³⁺和Tb³⁺离子比例的灵活性，作者成功制备了混合金属LnMOFs的3D结构，其发光性能可以进行微调。当Eu³⁺和Tb³⁺离子的比例从10:0变化到0:10时，EuMOFs的特征发射强度逐渐降低，TbMOFs的特征

发射强度逐渐增强。相应地，色度图坐标也从红色区经过黄色区，最后到达绿色区，对应图6b中的光学图像。通过结构设计，也可实现在同一个3D框架内对发光色进行定制(图6c-f)。总的来说，这种可视化、可设计的体系，结合发光MOFs材料在光学应用和3D打印技术在加工方面的优点，有望在未来的光学领域发挥举足轻重的作用。

4 总结与展望

总之，3D打印技术最被看重的三大优势是加速产品的研发过程、提供个性化和定制产品和增加生产的灵活性。从成型工艺上看3D打印突破了传统成型方法，无需先行制作模具和机械加工，通过快速自动成型硬件系统与CAD软件模型结合就能够制造出各种形状复杂的产品，这使得产品的设计生产周期大大缩短，生产成本大幅下降，已经在各个领域崭露头角。

当然，3D打印作为一项年轻的成型工艺，还存在着许多的不足，比如成型时间慢、精度低、材料种类少、无法大批量生产等。因此，3D打印成型工艺现阶段是作为与传统制造工艺互补的方式存在，要成为主流的生产制造技术还尚需时日。但是要相信，人类对技术的追求是无限的，随着3D打印设备和打印材料的研发的不断进步，3D打印技术会越来越被广泛得到使用。

5 参考文献

[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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