南極熊導讀：隨著3D打印技術的不斷發(fā)展，它已經(jīng)從一項新興技術迅速演變?yōu)槎囝I域應用的關鍵工具。2024年，《Nature》和《Science》這兩份頂級科學期刊上發(fā)表了一系列關于3D打印的突破性研究，這些研究不僅展示了3D打印技術的最新進展，還預示著其在未來制造業(yè)中的巨大潛力。

3D打印可制造多色發(fā)光結構

2024年1月16日，來自加州大學伯克利分校材料科學與工程系、勞倫斯伯克利國家實驗室材料科學部等的研究成員在光致發(fā)光領域取得突破，并借助3D打印技術制備了光致發(fā)光結構。他們的研究結構已經(jīng)發(fā)表在了Science上，研究題目為Supramolecular assembly of blue and green halide perovskites with near-unity photoluminescence（具有近乎一致光致發(fā)光的藍色和綠色鹵化物鈣鈦礦的超分子組裝）。



從題目中不難發(fā)現(xiàn)，這篇文章主要關注的是鹵化物鈣鈦礦材料的合成及其在高效發(fā)光二極管（LED）中的應用，但其中3D打印技術起到了關鍵作用：

●研究人員利用3D打印技術精確控制鹵化物鈣鈦礦材料的結構和形態(tài)。通過3D打印技術，實現(xiàn)了鹵化物鈣鈦礦薄膜的高度均勻分布，這對于提高LED的性能至關重要。

●通過優(yōu)化3D打印工藝，研究人員成功地制備了具有接近100%光致發(fā)光量子產率的藍色和綠色鹵化物鈣鈦礦材料，高效的光致發(fā)光特性表明這些材料非常適合用于制造高效率的LED。

●利用3D打印技術制備的鹵化物鈣鈦礦LED展示了出色的亮度、穩(wěn)定性和色純度。與傳統(tǒng)制造方法相比，3D打印技術使得制備的LED具有更高的均勻性和一致性，從而提高了整體性能。


△實現(xiàn)藍綠雙色3D打印。(A) 多材料 3D 打印過程示意圖。（B 和 C）白光 (B) 和 254 nm 紫外線 激發(fā)下的兩座 3D 打印發(fā)光埃菲爾鐵塔。(D) 254 nm 紫外線激發(fā)下的雙色發(fā)光埃菲爾鐵塔。(E 到 H) 具有不同層次結構和幾何形狀的共形和扭曲八位體桁架，包括立方八面體、十四面體和門格爾海綿結構，分別具有藍色和綠色發(fā)射器或其組合。這些打印結構在 254 nm 處進行光激發(fā)。

這項研究為利用3D打印技術大規(guī)模生產高質量鹵化物鈣鈦礦LED提供了可能性。3D打印技術不僅有助于提高LEDs的效率，還可能降低生產成本并簡化制造過程。這種技術的進步對于推動未來顯示技術和照明領域的發(fā)展具有重要意義。

原文鏈接：DOI: 10.1126/science.adi4196

”一箭雙雕“：實現(xiàn)超均勻、高強塑性的3D打印鈦合金

南極熊了解到，2024年2月，重慶大學材料科學與工程學院與澳大利亞昆士蘭大學、丹麥技術大學的聯(lián)合科研團隊在Science發(fā)表了題為Ultra-uniform, strong, and ductile 3D printed titanium alloy through bifunctional alloy design文章，提出一種“一箭雙雕”的合金設計策略，為探索多種金屬粉末原料、可變的打印合金體系、不同的3D打印技術以及先進的多材料打印開辟了一條途徑。



研究人員表示，金屬3D打印過程中通常涉及多重物理和冶金現(xiàn)象，從而賦予打印構件復雜的微觀組織結構和多樣的力學性能。但是在3D打印過程中，金屬經(jīng)常會形成粗大的柱狀晶粒和不均勻分布的相，這樣的組織結構不僅導致打印構件的力學性能不均勻，同時也會降低構件的力學性能。因此，研究者們最初設想是尋求一種“一箭雙雕”的合金設計策略，從而直接通過3D打印獲得性能優(yōu)越和均勻的鈦合金。


△Mo納米顆粒的添加顯著提高了3D打印Ti-5553合金的力學性能及其均勻性

研究人員采用了雙功能合金設計策略，即通過合金元素的選擇和比例調整，以達到既增加合金強度又保持良好延展性的目的。雙功能合金設計使得3D打印的鈦合金具有超均勻的微觀結構，這意味著材料內部沒有明顯的局部差異，這有助于提高材料的整體性能。總而言之，研究團隊通過優(yōu)化3D打印工藝和合金成分，成功制備了具有超均勻微觀結構的3D打印鈦合金，減少了材料內部的缺陷，如裂紋、孔隙和其他不連續(xù)性，從而顯著提升了材料的機械性能，其屈服強度達926MPa，斷裂伸長率為26%，實現(xiàn)了強度與塑性的優(yōu)良匹配。

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj0141

光固化3D打印“心臟創(chuàng)可貼”問世，可修復受損心臟

2024年8月3日，來自科羅拉多大學博爾德分校 (CU Boulder) 和賓夕法尼亞大學的研究小組率先開發(fā)出一種 3D 打印水凝膠材料工藝，這種材料既有彈性，又有粘性，而且有回彈性，可用于打印內部繃帶以修復受損的心臟組織、軟骨補片或無針縫合線。研究以Additive manufacturing of highlyentangled polymer networks為題，發(fā)表在Science頂級期刊上。

這種彈性創(chuàng)可貼狀材料的制作得益于研究團隊開發(fā)的一種特殊 3D 打印工藝，此工藝稱為 CLEAR（通過氧化還原引發(fā)輔助的光照后連續(xù)固化），本質上可以控制打印過程中材料分子的交聯(lián)。這是通過結合使用“明暗聚合”來實現(xiàn)的。研究人員表示，這種新穎的3D打印方法在室溫下即可實現(xiàn)高單體轉化率，無需額外的刺激，例如打印后的光線或熱量，并且能夠通過增材制造生產高度糾纏的水凝膠和彈性體，與傳統(tǒng)的 DLP 相比，其延伸能量高出四到七倍。


△ CLEAR技術打印的多種彈性形狀

研究人員已為這項技術申請了臨時專利，它不僅成功打印出比標準 DLP 機器打印的部件更柔韌、更堅韌的材料，而且還具有粘性，可以粘在組織上。Burdick 實驗室的研究員 Matt Davidson 表示可以 3D 打印出強度足以支撐組織的粘合材料。

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn6925

3D打印抗疲勞鈦合金取得突破性進展

2024年2月，中國科學院金屬研究所材料疲勞與斷裂團隊帶頭人張哲峰研究員在前期疲勞損傷機制和疲勞預測理論指導下，與輕質高強材料研究部楊銳研究員團隊開展合作，提出了一種通過單獨調控其微觀結構和缺陷來制造抗疲勞3D打印鈦合金的創(chuàng)新策略，稱為凈增材制造制備（NAMP），研究成果于2024年2月29日以題為High fatigue resistance in a titaniumalloy via near void-free 3D printing發(fā)表在Nature正刊上。




研究人員表示，理想狀態(tài)下3D打印技術直接制備出的鈦合金組織（稱為Net-AM組織）應具有天然優(yōu)異的疲勞性能，而打印過程中產生的氣孔等缺陷掩蓋了其自身組織抗疲勞的優(yōu)點，導致實際測量的3D打印材料疲勞性能大幅降低。因此，提升3D打印材料疲勞性能的關鍵在于消除打印氣孔的同時，需要盡可能保留原始打印的組織狀態(tài)。然而，目前消除氣孔的工藝往往伴隨組織粗化，而細化組織的處理又會帶來氣孔復現(xiàn)，甚至引發(fā)晶界α相富集等新的不利因素，可謂進退兩難。


△打印態(tài)、NAMP態(tài)以及其他兩種典型狀態(tài)3D打印鈦合金組織和缺陷特征：（a）打印態(tài)；（b）熱等靜壓（HIP）態(tài)；（c）Near-net-AM態(tài)；（d）Net-AM態(tài)。

幸運的是，研究人員在Ti-6Al-4V合金中首次發(fā)現(xiàn)，高溫下3D打印態(tài)組織的晶界遷移及氣孔長大與相轉變過程表現(xiàn)出異步的特性，即存在一個熱處理工藝窗口，既可實現(xiàn)板條組織細化，又能有效抑制晶界α相富集及氣孔復現(xiàn)。為此，研究人員巧妙地利用了這一工藝窗口，發(fā)明了缺陷與組織分步調控的NAMP新工藝（Net-Additive Manufacturing Process），最終制備出幾乎無氣孔的近Net-AM Ti-6Al-4V合金。NAMP工藝步驟主要包括用于消除微孔的熱等靜壓 (HIP) 以及隨后用于恢復增材制造微觀結構的高溫短時 (HTSt) 熱處理具有細小的馬氏體板條，可以成功地使鈦合金恢復幾乎無空隙的Net-AM顯微組織。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07048-1

微納3D打印可注射超聲傳感器，用于顱內生理信號監(jiān)測

2024年6月，華中科技大學臧劍鋒教授、姜曉兵教授以及新加坡南洋理工大學陳曉東教授團隊攜手合作，采用摩方精密面投影微立體光刻(PμSL)3D打印技術，研發(fā)出一種創(chuàng)新型可注射超聲凝膠傳感器，研發(fā)出一種創(chuàng)新型可注射超聲凝膠傳感器，有望克服傳統(tǒng)有線傳感器存在的感染風險和術后并發(fā)癥等問題，同時避免現(xiàn)有無線電子傳感器體積過大、無法體內降解等臨床應用挑戰(zhàn)。相關研究成果以Injectable ultrasonic sensor for wireless monitoring of intracranial signals為題在線發(fā)表于Nature期刊。



研究團隊設計并制造了一種新型傳感器結構，名為"超聲超凝膠"，是由雙網(wǎng)絡交聯(lián)的水凝膠基質和內部周期性排列的空氣孔道組成，體積僅為2×2×2mm3。這種可注射傳感器是研究團隊采用摩方精密面投影微立體光刻(PμSL)3D打印技術(nanoArch? S140，精度：10 μm)加工模具后，經(jīng)水凝膠翻模制備而成。經(jīng)過計算機模擬結構優(yōu)化，該特殊結構在8-10MHz頻段具有聲學帶隙，對入射超聲波有很強的反射能力。凝膠材料均采用生物相容性且可降解材料制成，注射入體約1個月后可自然降解，無需再次開顱取出。


△可注射、可降解的超凝膠超聲傳感器設計原理--基于超聲反射的超凝膠無線顱內生理傳感器示意圖。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07334-y

總結

2024年以來，《Nature》和《Science》上發(fā)表了多篇關于3D打印的突破性研究成果，充分展示了3D打印的快速發(fā)展和廣闊前景。這些研究不僅拓寬了人們對3D打印技術的理解，還提供了新的工具和技術，以解決當前和未來的挑戰(zhàn)。隨著3D打印技術的不斷成熟和完善，相信它將在更多行業(yè)中發(fā)揮關鍵作用，從航空航天到生物醫(yī)學，從材料科學到環(huán)境保護，為人類社會帶來更多的積極變化。

未完待續(xù)······

2024年8月28日的深圳·第一屆3D打印農場大會，數(shù)百農場主已經(jīng)報名，名單陸續(xù)公布。

△掃碼報名3D打印農場大會