什么樣的3D打印研究能夠登上Nature &?Science，看看你離大牛還有多遠
從石器時代到第三次工業革命，人類的生產力和生產方式發生了許多翻天覆地的改變和提高。隨著材料科學和計算機科學的發展，科學家們設計出了增材制造工藝，即通過軟件程序建立產物模型，將模型逐層打印產出目標產品。這一工藝優點在于可以通過編譯生產出許多復雜嵌套結構類產品，同時避免不必要的浪費。 但是由于加工工藝的本質區別，增材（常見于3D打印）工藝加工出來的產品與傳統工藝的產品性能上有所區別。科學家們正積極研發和改進現有的3D打印技術，以適應更豐富的原材料和應用。在這篇文章中，我們總結了一些近兩年內發表于Nature上關于3D打印研究的成果文章，為正在此研究方向或有志從事此研究方向的科學家們提供參考。
1.3D打印高強度鋁
金屬材料作為一種傳統材料，常用于航天航空，生物醫學，汽車工程等行業。然而，目前常見的約5500種金屬材料中，絕大多數都不能適用于3D打印工藝。因為打印過程中的熔化和凝固過程會導致材料微觀結構具有較大的柱狀晶粒和周期性裂紋。這些微觀結構的缺陷大大削弱了材料的機械性能和耐久性。使得其無法代替通過傳統工藝加工生產的同類型材料的運用。
美國加州圣地亞哥大學的Tresa教授和他的團隊們發現在3D打印期間通過引入控制固化的納米成核劑顆粒可以有效解決這一難題，并于Nature上發表了題為“3D printing of high-strength aluminium alloys”的研究成果。他們根據材料晶體學信息選擇合適的成核劑，并將它們整合到7075和6061系列鋁合金粉末上。在用成核劑進行官能化后，以前那些無法適用于3D打印工藝的高強度鋁合金材料可以通過選擇性激光熔化技術來加工生產。材料微觀結構上無裂縫，等軸，材料強度與鍛造材料相當。這種金屬基添加劑制造方法同時還適用于各種合金。因此，它為合金材料的3D打印技術廣泛化工業實用提供了基礎，并且能夠改善其他合金系統的制造，例如不可焊接的鎳超合金和金屬間化合物。此外，該技術可用于常規加工，例如連接，鑄造和注塑。在這些加工技術中，凝固裂紋和熱撕裂也是常見問題。
圖1?未使用成核劑的3D打印合金產物微觀晶體結構存在周期性裂痕和非等軸特征（上），使用成核劑的3D打印合金產物的無縫，等軸晶體結構特征（下）[1]
2.3D打印可快速轉換的鐵磁疇軟質材料
隨著3D打印工藝技術的發展，科學家們除了大量研究產品的幾何結構和性能優化，也投入了很多努力研究材料功能化。其中一種研究方向是通過對部分軟質材料進行特定的修飾加工，使得產品能夠在光，熱，磁場和電場等刺激下發生三維空間上的形態變化。這種材料在生物醫學，機器人，柔性可穿戴電子設備等領域都有著很大的潛在運用前景。尤其是在生物醫學領域，利用磁場可以實現遠程安全有效地操作。隨著技術的改進，當前的磁響應材料通過嵌入離散磁體或將磁性粒子結合到軟化化合物中以實現聚合物片材中的不均與磁性分布。
麻省理工大學的趙選賀教授及他的團隊改進了一種鐵磁疇軟質材料的印刷技術并于Nature上發表了題為“Printing ferromagnetic domains for untethered fast-transforming soft materials”的研究成果。他們將含有鐵磁微粒的彈性體復合材料直接進行油墨打印。在打印時向噴嘴施加磁場從而重新定向磁性微粒以實現圖案化的磁極性。這一改進方案使得在復雜的3D打印軟質材料中編譯鐵磁疇可行。進而實現了在此技術之前很難達到的轉換模式，例如遠程控制具有負泊松比的超材料的拉長行為（auxetic behaviours）。其產品比現有的3D打印活性材料在驅動速度上和功率密度上均大幾個數量級。除此之外，他們在文中還展示了復雜形狀可變的軟質材料在軟電子設備和機器人領域運用的潛能。
圖2?不同三維空間結構的鐵磁疇3D打印產品在施加磁場后的形變狀態?[2]
3.3D打印分層結構產物的液晶材料
纖維增強聚合物結構材料擁有較高的剛度，強度和較低的質量的優點，被廣泛使用在航天航空，車輛以及生物醫學領域。然而這種高強度材料的生產需要高能量和大量的勞動力。材料本身表現出脆性且無法回收利用等缺點。除此之外，當前聚合物輕質材料的生產工藝制造存在兩種阻礙因素：復雜結構的3D打印產品機械性能太差；具有高強度性能的聚合物產品只適用于生產簡單的幾何形狀結構。為了結合高設計自由度和優秀機械性能，科學家們開發出了液晶彈性體3D打印工藝。盡管這可以一定程度上提高材料的機械性能，但是和高性能液晶合成纖維材料產品相比還是差了三到四個數量級。
相比之下，通過定向自組裝形成的分層結構的骨骼，絲綢以及木材材料也同樣擁有優秀的機械性能，但可以很好地循環整合到環境中。科學家Silvan Gantenbein利用這一結構特點，改進了一種3D打印的方法，以生成具有分層結構的高強度，高韌性可回收輕質材料結構。這一新型結構材料特征源于在擠出過程中液晶聚合物分子自組裝具有高度定向的特點。通過對打印路徑上的分子進行高度定向，他們能夠根據預設的機械性能增強聚合物的結構，使得產品強度和剛度超過當前最先進的3D打印聚合物材料并與高性能輕質復合材料相當。除此之外，利用3D打印工藝自下而上的形成產品的特點，我們可以突破當前制造工藝的典型限制從而制造出結構更多樣自由的產品。Silvan和他的團隊依照自然界中高強度生物材料的生長原理，提出兩種設計原則：首先，通過液晶聚合物分子在打印路徑上的自組裝過程實現各向異性；其次，根據產品特定的作業環境和載荷狀態利用3D打印技術定制和局部修飾材料結構，剛度和強度。
圖3 3D打印分層結構的液晶聚合物產物示意圖?[3]
4.3D打印仿晶體結構的結構材料
3D打印的一大優點在于可以打印復雜的傳統工藝無法實現的幾何結構，減少各成分之間的鏈接點從而在節省原料的條件下實現優秀的機械性質。科學家們曾嘗試利用3D打印工藝制作類似于晶體結構的周期性排列的節點與支柱的架構組織，如圖4。這種架構材料擁有質量輕和特殊機械性能的特點（如負泊松比）。一直以來的研究方向在于優化單元格的結構并將其周期排列。這些單元格的排列方式使得他們具有相同的方向。所以，當載荷超過屈服點時，會出現局部高應力帶，進而導致機械強度災難性崩潰。這種崩潰類似于常規固體金屬單晶材料中的位錯滑移所引起的應力下降。
圖4?FCC晶體結構和仿晶體結構設計的結構材料?[4]
英國帝國理工學院的Minh-Son Pham教授一摒其他學者的研究方向，考慮模仿真實晶體材料的微觀結構，例如晶界，沉淀和相，開發出堅固又耐用的結構材料。他們認為宏觀尺度下的仿晶體結構原理與晶體微觀尺度下的硬化原理一樣重要。結合金屬單晶材料的硬化原理和結構材料，他們可以開發并設計出符合性能期待要求的材料。通過一系列實驗，他們發現可以將金屬單晶晶體硬化原理運用在結構材料中，并成功改善材料的機械性能，并發表題為“Damage-tolerant architected materials inspired by crystal microstructur”的研究成果
圖5?仿金屬單晶材料硬化原理的結構材料示意圖?[4]
5.空間（非疊層）增材制造工藝
增材制造工藝（即3D打印技術）由于其可構造復雜幾何結構的特點，越來越多的被用于真正的生產和工業領域，包括醫療設備，光學器材，航天部件，工具等。當前的增材制造工藝大抵是通過重復1D或者2D單元實現三維幾何結構。然而這種加工方式使得產品表面質量和光滑度差強人意，而且對于復雜的嵌套結構并不友好（需要支撐材料）。更重要的是，逐層加工可能導致機械性能的各項異性。
加州伯克利大學的教授Hayden Taylor及他的團隊日前開發出了一種可以同時制造所有點的制造技術以適用于任何幾何結構并發表了題為“Volumetric additive manufacturing via tomographic reconstruction”的研究成果。他們通過繞軸進行光聚合反應合成產品，如圖6。這一合成方法相較于傳統3D打印方法擁有諸多優點。該方法可以規避支撐結構，因為它可以直接打印成高粘稠液體甚至固體。該方法還使得加工速度提高了幾個數量級，并且避免了各向異性的機械性能。這種利用多角度曝光實現3D打印加工工藝的技術的靈感來自于我們常見的醫用成像手段——CT掃描技術。這一合成方式可以看做是CT成像方法的反向運用：利用軟件合成好的3D模型加以反向數字轉化計算出各角度的成像及光輻射強度。這一3D打印技術與我們所熟知的加工手法有著本質上的區別，其產物的加工方式不再是逐層而是通過空間合成。
圖6 多角度繞軸進行光聚合反應示意圖?[5]
總結
從這些近年來發表于Nature上的成果來看，一篇優秀的大牛成果報告不僅僅應有材料性能的突破性，通常還伴隨著技術的改進，新技術的開發甚至交叉學科的參與。可以預見的是，3D打印工藝的研究和發展還遠沒有到達飽和。目前為止，大多數的材料還無法適用于這一技術。盡管科技進步的每一步都困難重重，但是這些阻力后面也蘊藏著無限的機會和可能性。
參考文獻
[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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