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什么样的3D打印研究能够登上Nature & Science,看看你离大牛还有多远

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来源:材料人

从石器时代到第三次工业革命,人类的生产力和生产方式发生了许多翻天覆地的改变和提高。随着材料科学和计算机科学的发展,科学家们设计出了增材制造工艺,即通过软件程序建立产物模型,将模型逐层打印产出目标产品。这一工艺优点在于可以通过编译生产出许多复杂嵌套结构类产品,同时避免不必要的浪费。 但是由于加工工艺的本质区别,增材(常见于3D打印)工艺加工出来的产品与传统工艺的产品性能上有所区别。科学家们正积极研发和改进现有的3D打印技术,以适应更丰富的原材料和应用。在这篇文章中,我们总结了一些近两年内发表于Nature上关于3D打印研究的成果文章,为正在此研究方向或有志从事此研究方向的科学家们提供参考。
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1.3D打印高强度铝
金属材料作为一种传统材料,常用于航天航空,生物医学,汽车工程等行业。然而,目前常见的约5500种金属材料中,绝大多数都不能适用于3D打印工艺。因为打印过程中的熔化和凝固过程会导致材料微观结构具有较大的柱状晶粒和周期性裂纹。这些微观结构的缺陷大大削弱了材料的机械性能和耐久性。使得其无法代替通过传统工艺加工生产的同类型材料的运用。

美国加州圣地亚哥大学的Tresa教授和他的团队们发现在3D打印期间通过引入控制固化的纳米成核剂颗粒可以有效解决这一难题,并于Nature上发表了题为“3D printing of high-strength aluminium alloys”的研究成果。他们根据材料晶体学信息选择合适的成核剂,并将它们整合到7075和6061系列铝合金粉末上。在用成核剂进行官能化后,以前那些无法适用于3D打印工艺的高强度铝合金材料可以通过选择性激光熔化技术来加工生产。材料微观结构上无裂缝,等轴,材料强度与锻造材料相当。这种金属基添加剂制造方法同时还适用于各种合金。因此,它为合金材料的3D打印技术广泛化工业实用提供了基础,并且能够改善其他合金系统的制造,例如不可焊接的镍超合金和金属间化合物。此外,该技术可用于常规加工,例如连接,铸造和注塑。在这些加工技术中,凝固裂纹和热撕裂也是常见问题。
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图1 未使用成核剂的3D打印合金产物微观晶体结构存在周期性裂痕和非等轴特征(上),使用成核剂的3D打印合金产物的无缝,等轴晶体结构特征(下)[1]

2.3D打印可快速转换的铁磁畴软质材料
随着3D打印工艺技术的发展,科学家们除了大量研究产品的几何结构和性能优化,也投入了很多努力研究材料功能化。其中一种研究方向是通过对部分软质材料进行特定的修饰加工,使得产品能够在光,热,磁场和电场等刺激下发生三维空间上的形态变化。这种材料在生物医学,机器人,柔性可穿戴电子设备等领域都有着很大的潜在运用前景。尤其是在生物医学领域,利用磁场可以实现远程安全有效地操作。随着技术的改进,当前的磁响应材料通过嵌入离散磁体或将磁性粒子结合到软化化合物中以实现聚合物片材中的不均与磁性分布。

麻省理工大学的赵选贺教授及他的团队改进了一种铁磁畴软质材料的印刷技术并于Nature上发表了题为“Printing ferromagnetic domains for untethered fast-transforming soft materials”的研究成果。他们将含有铁磁微粒的弹性体复合材料直接进行油墨打印。在打印时向喷嘴施加磁场从而重新定向磁性微粒以实现图案化的磁极性。这一改进方案使得在复杂的3D打印软质材料中编译铁磁畴可行。进而实现了在此技术之前很难达到的转换模式,例如远程控制具有负泊松比的超材料的拉长行为(auxetic behaviours)。其产品比现有的3D打印活性材料在驱动速度上和功率密度上均大几个数量级。除此之外,他们在文中还展示了复杂形状可变的软质材料在软电子设备和机器人领域运用的潜能。
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图2 不同三维空间结构的铁磁畴3D打印产品在施加磁场后的形变状态 [2]

3.3D打印分层结构产物的液晶材料
纤维增强聚合物结构材料拥有较高的刚度,强度和较低的质量的优点,被广泛使用在航天航空,车辆以及生物医学领域。然而这种高强度材料的生产需要高能量和大量的劳动力。材料本身表现出脆性且无法回收利用等缺点。除此之外,当前聚合物轻质材料的生产工艺制造存在两种阻碍因素:复杂结构的3D打印产品机械性能太差;具有高强度性能的聚合物产品只适用于生产简单的几何形状结构。为了结合高设计自由度和优秀机械性能,科学家们开发出了液晶弹性体3D打印工艺。尽管这可以一定程度上提高材料的机械性能,但是和高性能液晶合成纤维材料产品相比还是差了三到四个数量级。

相比之下,通过定向自组装形成的分层结构的骨骼,丝绸以及木材材料也同样拥有优秀的机械性能,但可以很好地循环整合到环境中。科学家Silvan Gantenbein利用这一结构特点,改进了一种3D打印的方法,以生成具有分层结构的高强度,高韧性可回收轻质材料结构。这一新型结构材料特征源于在挤出过程中液晶聚合物分子自组装具有高度定向的特点。通过对打印路径上的分子进行高度定向,他们能够根据预设的机械性能增强聚合物的结构,使得产品强度和刚度超过当前最先进的3D打印聚合物材料并与高性能轻质复合材料相当。除此之外,利用3D打印工艺自下而上的形成产品的特点,我们可以突破当前制造工艺的典型限制从而制造出结构更多样自由的产品。Silvan和他的团队依照自然界中高强度生物材料的生长原理,提出两种设计原则:首先,通过液晶聚合物分子在打印路径上的自组装过程实现各向异性;其次,根据产品特定的作业环境和载荷状态利用3D打印技术定制和局部修饰材料结构,刚度和强度。
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图3 3D打印分层结构的液晶聚合物产物示意图 [3]

4.3D打印仿晶体结构的结构材料
3D打印的一大优点在于可以打印复杂的传统工艺无法实现的几何结构,减少各成分之间的链接点从而在节省原料的条件下实现优秀的机械性质。科学家们曾尝试利用3D打印工艺制作类似于晶体结构的周期性排列的节点与支柱的架构组织,如图4。这种架构材料拥有质量轻和特殊机械性能的特点(如负泊松比)。一直以来的研究方向在于优化单元格的结构并将其周期排列。这些单元格的排列方式使得他们具有相同的方向。所以,当载荷超过屈服点时,会出现局部高应力带,进而导致机械强度灾难性崩溃。这种崩溃类似于常规固体金属单晶材料中的位错滑移所引起的应力下降。
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图4 FCC晶体结构和仿晶体结构设计的结构材料 [4]

英国帝国理工学院的Minh-Son Pham教授一摒其他学者的研究方向,考虑模仿真实晶体材料的微观结构,例如晶界,沉淀和相,开发出坚固又耐用的结构材料。他们认为宏观尺度下的仿晶体结构原理与晶体微观尺度下的硬化原理一样重要。结合金属单晶材料的硬化原理和结构材料,他们可以开发并设计出符合性能期待要求的材料。通过一系列实验,他们发现可以将金属单晶晶体硬化原理运用在结构材料中,并成功改善材料的机械性能,并发表题为“Damage-tolerant architected materials inspired by crystal microstructur”的研究成果
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图5 仿金属单晶材料硬化原理的结构材料示意图 [4]

5.空间(非叠层)增材制造工艺
增材制造工艺(即3D打印技术)由于其可构造复杂几何结构的特点,越来越多的被用于真正的生产和工业领域,包括医疗设备,光学器材,航天部件,工具等。当前的增材制造工艺大抵是通过重复1D或者2D单元实现三维几何结构。然而这种加工方式使得产品表面质量和光滑度差强人意,而且对于复杂的嵌套结构并不友好(需要支撑材料)。更重要的是,逐层加工可能导致机械性能的各项异性。

加州伯克利大学的教授Hayden Taylor及他的团队日前开发出了一种可以同时制造所有点的制造技术以适用于任何几何结构并发表了题为“Volumetric additive manufacturing via tomographic reconstruction”的研究成果。他们通过绕轴进行光聚合反应合成产品,如图6。这一合成方法相较于传统3D打印方法拥有诸多优点。该方法可以规避支撑结构,因为它可以直接打印成高粘稠液体甚至固体。该方法还使得加工速度提高了几个数量级,并且避免了各向异性的机械性能。这种利用多角度曝光实现3D打印加工工艺的技术的灵感来自于我们常见的医用成像手段——CT扫描技术。这一合成方式可以看做是CT成像方法的反向运用:利用软件合成好的3D模型加以反向数字转化计算出各角度的成像及光辐射强度。这一3D打印技术与我们所熟知的加工手法有着本质上的区别,其产物的加工方式不再是逐层而是通过空间合成。
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图6 多角度绕轴进行光聚合反应示意图 [5]

总结
从这些近年来发表于Nature上的成果来看,一篇优秀的大牛成果报告不仅仅应有材料性能的突破性,通常还伴随着技术的改进,新技术的开发甚至交叉学科的参与。可以预见的是,3D打印工艺的研究和发展还远没有到达饱和。目前为止,大多数的材料还无法适用于这一技术。尽管科技进步的每一步都困难重重,但是这些阻力后面也蕴藏着无限的机会和可能性。

参考文献
[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.

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