2023年上半年，3D打印發(fā)布的7篇Nature/Science正刊

來源：高分子科學(xué)前沿

3D打印可以有效地創(chuàng)建復(fù)雜的三維材料結(jié)構(gòu)，在許多領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用潛力，如醫(yī)學(xué)、電子學(xué)、機(jī)器人和航空航天。在打印材料、打印技術(shù)（速度、精度）等方面已經(jīng)取得了許多進(jìn)展，今天我們一起回顧一下2023年上半年發(fā)表在《Science》和《Nature》上的突破性進(jìn)展。

01
Science：降低500度！低溫、無燒結(jié)納米級透明玻璃3D打印技術(shù)



加利福尼亞州立大學(xué)J. Bauer團(tuán)隊(duì)提出了一種無需燒結(jié)，低溫實(shí)現(xiàn)3D打印硅玻璃的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的透明熔融石英玻璃納米結(jié)構(gòu)的制造。該技術(shù)主要采用丙烯酸酯功能化的多面體低聚硅氧烷（POSS）樹脂進(jìn)行自由形態(tài)熔融二氧化硅納米結(jié)構(gòu)的無燒結(jié)、雙光子聚合，以實(shí)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)的打印。與傳統(tǒng)通過犧牲性粘合劑不同，這種POSS樹脂本身構(gòu)成了一個(gè)連續(xù)的硅氧分子網(wǎng)絡(luò)，僅在650℃時(shí)就能形成透明的熔融石英。這個(gè)溫度比將離散的二氧化硅顆粒熔化成連續(xù)體的燒結(jié)溫度低500°C。相關(guān)工作以“A sinterless, low-temperature route to 3D print nanoscale optical-grade glass”為題，于2023年6月1日發(fā)表在《Science》上。



全文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq3037

02
Science：高精度3D打印有機(jī)硅



美國弗羅里達(dá)大學(xué)Thomas E Angelini團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種由PDMS為基材的3D打印精確、復(fù)雜細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)的方法。該方法主要采用一種由硅油乳液制成的支撐材料，這種材料對有機(jī)硅油墨的界面張力可以忽略不計(jì)，消除了經(jīng)常導(dǎo)致印刷有機(jī)硅特征變形和斷裂的破壞性力量，這種方法在文中被稱為為超低界面張力的增材制造。這種方法的多功能性使得能夠使用成熟的有機(jī)硅配方來制造直徑小至8微米的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和特征。通過調(diào)整這種支撐材料的彈性和流動特性實(shí)現(xiàn)了高性能打印，能夠制造出復(fù)雜的形狀，例如腦動脈瘤模型和功能性三葉心臟瓣膜。通過使用幾種不同的市售PDMS配方來打印各種結(jié)構(gòu)，證明了該打印技術(shù)不需要專門的油墨。在深入的研究后，發(fā)現(xiàn)打印的3D打印結(jié)構(gòu)比模制結(jié)構(gòu)更具可擴(kuò)展性并且機(jī)械性能良好。相關(guān)工作以“A silicone-based support material eliminates interfacial instabilities in 3D silicone printing”為題，于2023年3月23日發(fā)表在《Science》上。



全文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade4441

03
Science：3D打印+機(jī)器學(xué)習(xí)



美國弗吉尼亞大學(xué)Tao Sun團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種高精度的方法，可以利用機(jī)器學(xué)習(xí)從熱特征中檢測出孔隙的形成，實(shí)施這種孔隙形成跟蹤有助于避免建造由于高孔隙率而導(dǎo)致失效的部件。通過同步高速同步x射線成像和熱成像，結(jié)合多物理模擬，發(fā)現(xiàn)了Ti-6Al-4V激光粉末床熔合過程中的兩種小孔振蕩。進(jìn)一步通過機(jī)器學(xué)習(xí)擴(kuò)大了這種理解，實(shí)現(xiàn)了以亞毫秒級的時(shí)間分辨率和近乎完美的預(yù)測率來檢測隨機(jī)小孔孔隙生成事件，這一簡單實(shí)用的策略有望在商業(yè)系統(tǒng)中得到應(yīng)用。相關(guān)工作以“Machine learning–aided real-time detection of keyhole pore generation in laser powder bed fusion”為題，于2023年1月5日發(fā)表在《Science》上。



全文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.add4667

04
Nature：3D打印鈦合金



皇家墨爾本理工大學(xué)Ma Qian教授和悉尼大學(xué)Simon P. Ringer教授將合金設(shè)計(jì)與3D打印相結(jié)合，展示了一系列具有優(yōu)異拉伸性能的鈦-氧-鐵合金。豐富的氧氣和鐵以及簡單的工藝使鈦-氧-鐵合金對各種應(yīng)用具有吸引力，也為目前作為工業(yè)廢料的非等級海綿鈦或海綿鈦-氧化鐵的工業(yè)規(guī)模使用提供了方向。相關(guān)工作以“Strong and ductile titanium–oxygen–iron alloys by additive manufacturing”為題，于2023年5月31日發(fā)表在《Nature》上。



全文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-05952-6

05
《Nature》高通量打印梯度材料



美國圣母大學(xué)張艷良教授團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一種高通量的組合打印方法，能夠以微觀空間分辨率制造具有成分梯度的材料。在氣溶膠階段進(jìn)行原位混合和打印，可以即時(shí)調(diào)整各種材料的混合比例，這是使用液-液或固-固階段的原料進(jìn)行傳統(tǒng)多材料打印時(shí)無法實(shí)現(xiàn)的重要特征。作者展示了各種高通量的打印策略和在組合摻雜、功能分級和化學(xué)反應(yīng)方面的應(yīng)用，使摻雜硫族化物和具有梯度特性的成分分級材料的材料探索成為可能。將增材制造的自上而下的設(shè)計(jì)自由與自下而上的對局部材料成分的控制結(jié)合起來的能力，有望開發(fā)出傳統(tǒng)制造方法所無法達(dá)到的成分復(fù)雜的材料。相關(guān)工作以“High-throughput printing of combinatorial materials from aerosols”為題，于2023年5月10日發(fā)表在《Nature》上。



全文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-05898-9

06
Nature：新型3D打印合金可承受極端條件



美國宇航局格倫研究中心Timothy M. Smith使用模型驅(qū)動的合金設(shè)計(jì)方法和激光快速制造技術(shù)，開發(fā)了一種新的氧化-分散-強(qiáng)化鎳鈷基合金。這種被稱為GRX-810的氧化物分散強(qiáng)化合金，使用激光粉末床熔融技術(shù)將納米級Y2O3顆粒分散到整個(gè)微觀結(jié)構(gòu)中。GRX-810在1093℃下與傳統(tǒng)多晶鍛造鎳基合金相比，其強(qiáng)度提高了2倍，蠕變性能提高了1000倍，抗氧化性提高了2倍。這些結(jié)果展示了未來的合金開發(fā)是如何利用分散強(qiáng)化與增材制造加工相結(jié)合，有助于加速發(fā)現(xiàn)革命性的材料。相關(guān)工作以“A 3D printable alloy designed for extreme environments”為題，于2023年4月19日發(fā)表在《Nature》上。



全文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-05893-0

07
Nature：旋轉(zhuǎn)多材料3D打印



哈佛大學(xué)Jennifer A. Lewis團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種旋轉(zhuǎn)的多材料3D打印平臺，可以控制3D打印細(xì)絲實(shí)現(xiàn)異質(zhì)螺旋亞三維結(jié)構(gòu)。通過控制連續(xù)旋轉(zhuǎn)多材料噴嘴角速度與平移速度比，可以在給定的圓柱體細(xì)絲中創(chuàng)建了具有可編程螺旋角度、層厚度和界面面積的螺旋絲亞三維結(jié)構(gòu)。利用這種打印方法，在介電彈性體基體中嵌入了導(dǎo)電螺旋通道，實(shí)現(xiàn)了可靈活調(diào)控的功能性人造肌肉。相關(guān)工作以“Rotational multimaterial printing of filaments with subvoxel control”為題，于2023年1月18日發(fā)表在《Nature》上。



全文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05490-7