2023 年 3D 打印最新科研进展：Science & Nature 精选论文

2023年接近尾声，《自然》和《科学》杂志正刊发表了11篇关于3D打印技术的研究，这些成果代表了3D打印技术当前发展的最前沿水平。本期，3D打印技术参考带大家回顾这些突破性进展。

01 预测率达100%，实时检测3D打印缺陷

2023年Science正刊首篇关于3D打印技术的研究已经于1月5日发表。弗吉尼亚大学材料科学与工程专业孙涛副教授领导的研究团队取得了新发现，极大提高了金属3D打印技术的质量保证能力，对扩大航空航天和其他领域该技术的应用带来新的契机。

孔隙作为金属增材制造过程工艺的重要缺陷类型，在零件使用过程中会带来很多危害。工艺的调整旨在消除缺陷，但工业后检测手段往往昂贵且效率低，破坏性检测更不现实。实时监测作为质量控制的重要组成部分，需要提高检测的精度和可靠性。

该研究以“Machine learning–aided real-time detection of keyhole pore generation in laser powder bed fusion”为题发表，研究人员通过同步高速加速器X射线成像和热成像，结合多物理场仿真，在Ti6Al4V激光粉末床熔融过程中发现了两种类型的锁孔振荡；通过机器学习进一步加深了这种理解，并开发出一种以亚毫秒级时间分辨率和近乎完美的预测率检测随机锁孔孔隙率生成的方法。总的来说，这是一种简单实用的方法，能够在商业3D打印系统中使用。

02 多材料螺旋3D打印，为人造肌肉和弹性体结构开辟新途径

在自然领域，具有独特功能的螺旋结构极为常见，如肌动蛋白和原肌球蛋白在骨骼肌中的螺旋组装引起收缩和其他功能；植物的运动源于植物细胞壁内螺旋排列的硬纤维素纤维。人为合成螺旋结构的努力在于制造人造肌肉以及超材料，哈佛大学刘易斯实验室是世界上最早开发毛细管结构多材料生物打印方法的实验室之一，过去几年一直在研究软机器人技术。

该实验室于1月18日在Nature发布了一篇名为“Rotational multimaterial printing of filaments with subvoxel control”的文章，介绍了一种旋转多材料3D打印平台，可以实现多材料3D打印，并能够在局部方向进行亚体素控制。借助该方法，研究团队设计并制造了用于软机器人和结构应用的人造肌肉和弹性体结构，并为制造这些机构开辟了新途径。

03 3D打印有机硅弹性体，制造高性能生物结构

有机硅结构可以通过使用传统技术或先进技术如软光刻和3D打印制造。然而，由于液态有机硅预弹性体的界面行为带来的挑战， 3D打印的有机硅通常质量不佳。来自佛罗里达大学的研究人员开发了一种可3D打印精确、复杂精细结构PDMS有机硅弹性体的方法，其利用了在与有机硅油墨接触时具有不明显界面张力的支撑材料。研究人员将该方法称为超低界面张力增材制造 (AMULIT)，支撑材料是一种填充的反相乳液，由硅油连续体中的液滴组成。相关研究成果于3月23日以“A silicone-based support material eliminates interfacial instabilities in 3D silicone printing”为题发表于Science杂志。

研究人员发现，支撑材料和墨水之间的超低界面张力能够打印直径小至 8μm的特征，通过调整这种支撑材料的弹性和流动特性实现了高性能打印，能够制造如脑动脉瘤模型和功能性三叶心脏瓣膜这样的复杂结构。3D打印技术参考注意到，该团队3D打印出的心脏瓣膜模型的功能表明这种结构可能具有足够的柔顺性和耐用性，可用于制造与生物材料设计和手术模拟器相关的复杂硅胶结构，并引入了扩展使用其他材料打印的可能性。

04.3D打印纤维流体泵，用于新型可穿戴设备

以可穿戴和便携的方式产生有意义的流体动力是一个巨大的挑战，3D打印可以快速准确的构建多种复杂的结构，为各种器件提供定制化服务，极大程度上满足可穿戴储能器件在尺寸、结构、性能以及一体化集成的要求。来自洛桑联邦理工学院提出了一种纤维形式的流体泵，它是一种柔性且可拉伸的器件，直径为毫米量级，可以产生连续的流体流动，而不需要任何移动部件或振动。

由于其高拉伸性和出色的回弹力，聚氨酯(polyurethane, PU)弹性体被用于该研究。由该技术所制造的流体泵能够编织成纺织品的外形尺寸，具有人体尺寸应用所需的可扩展性，为可穿戴设备的进一步开发奠定了基础。3D打印技术参考注意到，基于该关键器件的研发于3月30日以“Fiber pumps for wearable fluidic systems”为题被发表在Science上，制造设备采用的是中国品牌Raise3D（复志科技）。

05.低温免烧结，3D打印SiO2微光学玻璃

二氧化硅玻璃的3D打印以颗粒烧结技术为主，然而其软化点为1100°C，使得其制造本身就具有挑战性。然而，凭借卓越的光学透明度以及热、化学和机械弹性使其成为现代工程应用中最重要的材料之一，在微光学、光子学、微机电系统以及微流体和生物医学领域均有大量应用。传统的二氧化硅玻璃3D打印技术在纳米尺度上也限制了它们在微系统技术中的采用，从而阻碍了技术突破。已建立的微系统合成路线通过精心设计的自上而下的工艺序列制造二氧化硅结构，其中涉及2D掩模光刻、热氧化、气相沉积和蚀刻等技术，但这些工艺很难转化为3D打印技术。

用丙烯酸酯功能化 POSS 树脂制备高质量熔融石英纳米结构（点击）

来自德国卡尔斯鲁厄理工学院、美国加利福尼亚大学尔湾分校和爱德华兹生命科学公司的研究人员，通过配置优化的树脂材料，结合双光子聚合3D打印，大大降低了二氧化硅3D打印的熔点。具体的说，其使用了一种多面体低聚倍半硅氧烷 (POSS) 树脂，与粘结剂包覆颗粒相反，POSS树脂本身构成连续的硅氧分子网络，仅在650°C时即可形成透明的熔融石英。该温度比将二氧化硅颗粒熔化成连续熔体的烧结温度低500°C。相关研究以“A sinterless, low-temperature route to 3D print nanoscale optical-grade glass”为题于6月1日发表在Science上。

06.将蠕变性能提高1000多倍，NASA新合金GRX-810

4月19日，NASA技术团队以“A 3D printable alloy designed for extreme environments”为题在Nature发表了关于最新开发的GRX-810超级合金的相关研究，涉及其微观结构、机械性能以及与当前同类型增材制造合金的比较。

多主元素合金具有强大的机械和抗氧化性能，尤其适合于极端环境使用。NASA团队使用模型驱动的合金设计方法和基于激光的增材制造开发出了这种新材料——氧化物弥散强化型NiCoCr合金。无需机械或原位合金化，借助粉末床激光熔融工艺就可以将纳米级的Y2O3颗粒分散到整个微观结构中，该材料展示了在1093°C下与广泛使用的增材制造传统多晶变形镍基合金增强两倍的强度和抗氧化性，以及提高了1000多倍的蠕变性能。

这种合金的成功开发显示出与过去的“试错”方法相比，模型驱动的合金设计能够使用更少的资源实现更佳的材料组分组成，展示了利用弥散强化与增材制造工艺相结合的未来合金开发将加速革命性材料的出现。

07.以微尺度空间分辨率开发新材料，将改变新材料发现和制造的游戏规则

增材制造已经可以在新材料开发过程中使用微米级和纳米级材料，但在不同材料的通用组合和梯度材料的生产方面仍然存在材料选择有限等挑战。美国印第安纳州圣母大学航空航天与机械工程学院首席研究员Yanliang Zhang副教授于5月10日以“High-throughput printing of combinatorial materials from aerosols”为题在nature发表了研究，其借助一种高通量组合3D打印方法，能够以微尺度空间分辨率制造具有成分梯度的材料。

具体的说，他们通过在气溶胶相中进行原位混合和打印，可以即时调整各种材料的混合比，展示了多种高通量打印策略和在组合掺杂、功能分级和化学反应方面的应用，使掺杂硫族化物和具有梯度特性的成分分级材料的材料探索成为可能。这种方法科技将新材料的开发时间缩短到不到一年——甚至几个月。而这种将增材制造自上而下的设计自由与自下而上的局部材料成分控制相结合的能力，有望开发出通过传统制造方法无法获得的成分复杂的材料。

08.超越TC4，更高强韧性，3D打印钛-氧-铁合金

Al和O成为钛α相和β相的两种最强大的稳定剂和强化剂。O作为Ti中主要的α相稳定剂的问题是它的脆化效应，它在变形过程中与位错有强烈的相互作用。此外，O会改变相平衡，促进脆化相的形成。Fe的使用也会产生导致影响机械性能较差的β斑点。O和Fe的优势吸引了大量团队来努力开发α＋β型Ti-O-Fe钛合金以作为Ti6Al4V的替代品。

来自墨尔本理工大学、悉尼大学、香港理工大学的联合团队于5月31日以“Strong and ductile titanium–oxygen–iron alloys by additive manufacturing”为题在《自然》杂志发表了最新的研究，介绍了在Ti中结合使用O和Fe的另一种考虑。

研究人员通过将合金设计概念与增材制造工艺相结合来规避Ti与O、Fe合金化所带来的冶金挑战。开发了一类新型的高韧性和高强度的α＋β型Ti-O-Fe合金。同时，该研究所采用的主要原材料是一种低成本的海绵钛，将它们用作3D打印粉末生产的原料有可能显著增加价值并减少钛工业的碳排放。

09.无机材料普适性3D打印新方法，清华大学取得新突破

针对这一问题，清华大学研究团队开发了一种无需聚合物模板的无机材料纳米级精度3D打印新方法（简称为3D Pin）。该方法以胶体纳米晶体溶液为相应无机材料的原料“墨水”，设计了基于光生氮宾自由基的小分子交联剂，利用飞秒激光引发纳米晶体表面配体的光交联反应使纳米晶体间形成稳定的共价键连接，实现了普适性、高纯度（无机组分质量分数大于90%）、高精度（突破光学衍射极限，分辨率可达150纳米）的无机材料3D打印。

3D Pin打印原理

9月29日，该研究以“基于胶体纳米晶体间光化学键合的无机纳米材料3D打印”(3D printing of inorganic nanomaterials by photochemically bonding colloidal nanocrystals)为题发表在《科学》（Science）期刊上。

10.实时快速调整打印参数，基于视觉控制制造复杂多材料结构

3D打印技术可以生产使用传统制造工艺无法制造的复杂结构，但将不同材料无缝集成到一个高分辨率的3D打印工艺中仍然充满挑战，特别是对于具有不同特性的材料。

11.显著医学应用潜力，深穿透声学体积3D打印

12月7日，哈佛大学医学院和杜克大学生物医学工程系的研究团队以“Self-enhancing sono-inks enable deep-penetration acoustic volumetric printing”为题发表于《Science》。该研究团队开发出了一种称之为深穿透声学体积打印的技术。

现有的体积打印技术几乎完全依靠光能来触发透明油墨中的光聚合，油墨本身的光衰减、功能性添加剂（如光吸收剂和填料）的存在，对基于光的体积打印的材料选择和构建尺寸带来了限制。尽管红外光可将光穿透力提高到几毫米 ，但将光深入到光学散射介质（如生物组织）中仍然具有挑战性。因此，基于光的体积打印在深度渗透数字制造方案中的应用具有内在的局限性。该技术的一个关键特征是使用声波墨水，可以防止固化超过焦点，从而防止凝固超过预期体素。超声波的穿透深度比光深100多倍，使用超声波的一个关键优点是它可以穿透数厘米深的不透明介质，可以以高空间精度到达组织、骨骼和器官，这是基于光的打印方法无法达到的，因此有望用于触发深度聚合。

由于它对声波而不是光做出反应，允许在厘米深度通过生物组织进行打印，可用于从骨愈合到心脏瓣膜修复等生物医学目的。虽然将这种工具带入临床还很远，但这些测试再次证实了这项技术的潜力。