世界顶级学术杂志nature、science上的3D打印技术

《自然（nature）》杂志和《科学（science）》杂志是在学术界享有盛誉的国际综合性科学周刊，发布的都是科学世界中的多次重大发现、重要突破和科研成果。而3D打印作为近些年的热门技术，众多研究团队在nature、science发表过非常多的科研成果（貌似从事3D打印技术发表顶级论文，存在很多的机会）。下面，南极熊汇总在nature、science杂志上发表的部分3D打印技术论文。他们都可能引发3D打印领域的重大变革。

《science》封面：革命性CLIP技术令3D打印速度提高100倍
2015年，UNC-Chapel Hill的研究人员在《科学》(Science)杂志上介绍了这种名为CLIP的新工艺，将其描述为“连续液态界面生产”， CLIP可以在相对很短的时间里打印出顺滑的复杂物品，而且可以使用更多的材料来打印物品。

在CLIP工艺中，一个投影机从下方用紫外线显示连续的、极薄的物品横截面。紫外线在一缸液态树脂中以横截面方式硬化液体。与此同时，一台升降机不断将成形的物体捞出树脂缸。CLIP打印机的关键之处位于树脂缸的底部：那里有一个窗口让氧气和紫外线通过。因为氧气可以阻碍固化过程，缸底的树脂连续形成一个“死区”，不会固化。而这个“死区”非常之薄，只有几个红细胞那么厚。因此紫外线可以通过，并固化其上方没有接触氧气的树脂。不会有树脂粘在缸底，而打印速度变得非常快，因为它不是在空气中，而是在树脂里打印的（在空气中打印，由于氧气存在，固化速度就会减缓）。当打印机捞起成形的物品时，吸嘴会往缸底添加低氧树脂。

CLIP不仅大大加快了固化过程，同时也能打印出更顺滑的3D物品。这种工艺不是等待3D物品一层层地固化，而是采取了连续打印的方式，制作出来的物品可以和注塑零件媲美。 CLIP的发明者还表示，他们可以生产更精细的物品——小于20微米（和丙烯酸纤维一样厚）——而且可以使用弹性材料，以及某些生物材料。

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Nature（封面文章）：3/4D打印陶瓷及高熔点材料原理、工艺及应用
吕坚研究组的这种打印技术采用复合弹性体陶瓷材料，完成了从3D打印到结构可变形的过程，实现了陶瓷折纸结构的打印和4D陶瓷打印。他们采用成本较为低廉的“墨水直写技术”，用二氧化锆纳米颗粒掺杂的聚二甲基硅氧烷复合材料，构建出3D弹性体结构。这种结构柔软且具有弹性，可拉伸至超过本身3倍的长度，并可使用金属丝让其折叠变形，形成蝴蝶、悉尼歌剧院、玫瑰、裙子等折纸结构。

研究人员利用这种柔性特质设计出一种自动拉伸装置，让3D弹性体结构的基底拉伸产生预应力，在其上面打印出主结构。当预应力释放后，主结构就会发生变形，从而形成4D打印所需的弹性体结构，热处理后可转化为4D陶瓷。接着他们实现了陶瓷折纸结构。3D打印的弹性体结构可以在金属丝的辅助下折叠变形，经过热处理弹性体转化为陶瓷，然后金属丝被硝酸销蚀掉，最只剩下陶瓷结构。

超纳材料是用PVD做的，也是一种增材制造，来源于液态金属或者金属玻璃的材料。金属玻璃是一种非常好的3D打印材料，但是最大的问题是太脆了，它和普通的玻璃是一样的。经过近几年一系列的研究，我们在金属玻璃的增韧领域取得了很大的发展，发展了一系列的方法和新型材料。之前推出了一个新型的金属材料家族，即超纳材料，也在《Nature》杂志上获得了中国结构材料领域首篇封面文章，也是2017年中国科学家在《Nature》杂志上52个期刊里发表的唯一一篇封面文章。

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多波长光源，同时3D打印多种光敏树脂材料
威斯康星大学麦迪逊分校的科学家开发出一种新型3D打印机，它拥有可见光和紫外光两种模式，可以同时打印多种光敏树脂材料。该方法利用多材料光固化空间控制（MASC）技术，在增材制造过程中根据不同的材料化学成分选择不同的光源波长。多组分光敏素包括具有相应的自由基和阳离子引发剂的丙烯酸酯和环氧化物基单体。

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纳米成核剂+结晶，实现高强度铝合金
美国HRL实验室通过添加纳米成核剂的方法，成功实现了Al7075、Al6061等高强度铝合金的3D打印，并且打印成品强度和质量都显著提高，没有出现开裂等情况。

TresaM. Pollock等人通过将纳米颗粒作为成核剂与液体金属混合来孕育晶种，从而实现在温度梯度较大和凝固速度快的非平衡条件下晶体实现精细生长，从而提高产品的性能。其打印出的铝合金7075的强度可以达到400MPa以上，与锻件的性能相当。

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3D打印抗损伤结构化“超晶体”
英国伦敦帝国理工学院（Imperial College London）的Minh-Son Pham等研究者使用晶体材料中发现的硬化机制，通过模拟晶体材料的微观结构（例如晶界、析出和相），通过3D打印制备出坚固耐用且耐损伤的结构化材料。此类晶体介观结构设计中所具有的自由度，也为研究金属合金中复杂冶金学现象（如滑移）提供了替代方法。他们还表明，使用多晶材料制造晶格可得到多级结构化材料，包含在介观尺度结构化晶格内的原子晶格以及在类多晶介观结构内的多晶微结构。而且，这种材料的性质可以通过微观、介观和宏观尺度晶格的多种组合而轻松调控。

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低成本电化学多金属4D打印ECAM
电化学增材制造（ECAM）是伦敦帝国理工学院（ICL）开发的低成本金属制造的新方法。ECAM是一种基于电镀原理的制造方法，通常用于为珠宝首饰添加更多有价值的金属层。它使用带电金属离子的液体溶液作为原料，在与带负电的铜床接触时产生固体金属层。如Wu博士所解释的，用于该过程的常用材料包括“铜，锌，镍和锡”，尽管也可以使用合金。“基本上，”他补充道，“任何可以电镀的金属都可以用于ECAM工艺。”

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结合神经干细胞技术，3D打印水凝胶植入物有望修复受损脊髓
加利福尼亚大学圣地亚哥分校的工程团队和神经科学团队开展了一项研究，通过3D打印植入物修复脊髓损伤患者的神经连接和丧失的运动功能。3D打印植入物起到的作用是通过微通道结构，引导神经干细胞和轴突沿着脊髓损伤的长度生长。在研究中使用的植入物是一种水凝胶结构，它是研究人员通过3D打印技术创建的模仿中枢神经系统结构的支架，它们可以通过3D打印技术快速制造成不同的尺寸和形状，以适应患者脊髓损伤的精确解剖。

研究人员用神经干细胞填充3D打印植入物/支架，然后将它们像缺失的拼图一样装入脊髓损伤部位。3D打印支架就像桥一样，将脊髓损伤一端的再生轴突与另一端连接并对齐。神经轴突本身可以向任何方向扩散和再生，但是支架使轴突保持整齐，引导它们朝正确的方向生长以完成脊髓连接。

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使用FDM 3D打印机和聚合物打印出坚固轻巧的结构
当需要坚硬的轻质材料时，例如在飞机，车辆和生物医学植入物中，通常使用纤维增强聚合物结构。尽管它们具有非常高的刚度和强度，但是这种轻质材料需要能量和劳动密集的制造工艺。此外，结果是易碎的，易于损坏并且难以成形和再循环。

研究人员的灵感来自于自然界中可以找到的两种材料 - 蜘蛛丝和木材。蜘蛛丝通过丝蛋白沿纤维方向的高度分子排列获得其无与伦比的机械性能。通过使用液晶聚合物（LCP）作为FDM原料，研究人员能够再现这种结构。这种设计原理的灵感来自于木材等，它们拥有根据生长和适应环境的应力线排列纤维的能力。

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革命性高速“容积3D打印技术”
全球顶级学术期刊《Science》上刊登了一篇革命性“容积3D打印技术”文章（Volumetric additive manufacturing via tomographic reconstruction.PDF），光照几十秒即可打印出一个完整的人像。

工作原理就像反向计算机断层（CT）扫描一样，在CT机中，X射线管在患者周围旋转，拍摄人体内部器官的照片。然后，计算机再利用这些投影重构出一幅3D画面。在计算机模拟一个3D物体的情况下，研究人员从多个不同角度计算出物体的形状，然后将由此产生的2D图像输入一台普通的幻灯片投影仪。投影仪将图像投射到一个装着丙烯酸酯（一种合成树脂）的圆柱形容器中。当投影仪通过全方位覆盖的图像旋转时，容器也以相应的角度旋转。加利福尼亚大学伯克利分校的电气工程师泰勒说：“当圆柱体旋转时，任何接收到光量的位置都可以单独控制。”“如果光的总量超过一定数值，液体就会变成固体。”

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预测金属3D打印缺陷形成的方法

在3D打印过程中，如果气体被困在供给3D打印机的金属粉末内，可能会出现微小的气穴。 这些地区具有瑞士奶酪般的结构，密度较小，比周围环境弱，可能导致裂缝和其他故障，来自卡内基梅隆大学和美国能源部（DOE）阿贡国家实验室的研究小组已经确定了这些气穴，并创建了一种预测气穴形成的方法。

科学家们在美国能源部科学用户设施办公室Argonne的先进光子源（APS）上使用了极其明亮的高能X射线，拍摄了超高速视频和激光融合（LPBF）过程的图像，其中激光用于将材料粉末熔化并融合在一起。

激光扫描每层粉末熔化金属，从字面上创造出从头开始的成品。当微小的气穴被困在这些层中时，就会形成缺陷。这些缺陷会导致瑕疵，导致最终产品出现裂缝或其他故障。

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郑小雨团队突破晶格局限3D打印压电智能材料
位于美国东部的弗吉尼亚理工学院的Xiaoyu (Rayne) Zheng 郑小雨教授及其实验室博士团队首次打破这一局限，提出可任意设计可快速打印的压电三维材料，实现电压在任意方向可被放大，缩小，及反向的特性。

他们的设计方案正来源于利用压电效应产生的晶格原理并打破晶格的局限性，通过三维几何构型在二维投影面的投影的分布，巧妙的设计出在各个方向具有不同压电输出的人工压感结构 (图1)。该设计理念巧妙的联想于人们熟悉的影子木偶游戏。 该单元人工晶格结构，通过排列组合，构成了三维桁架式立体结构。通过设计和机电耦合有限元计算，实现在三个坐标方向上具有不同的对称性从而产生任意压电系数空间方向张量，实现远超过晶体本身的对称分布。他们通过使用不同连接度的设计单元进行组合， 还可使一完整结构同时具有不同的刚度和强度特性，实现力电多功能压电耦合材料。

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解决Carbon 3D致命缺陷，用两个光源实现百倍速3D打印实体

以Carbon为代表的技术仍然存在一些缺陷，比如在打印实心物体的时候，打印速度将大打折扣。这主要是因为液槽底部的透氧膜，所透过的氧气量有限，固化抑制区域间隙只有一块透明胶带的厚度，所以如果打印实心物体时，树脂无法快速的补充到间隙内的所有位置。密歇根大学的研究人员开发出一种新方法，可以弥补以Carbon为代表的光固化技术的缺陷，实现百倍速打印实体模型结构。

他们使用两个光源（分别为波长365纳米的UV LED和波长为458纳米的Blue DLP光源），其中一个光源对树脂进行固化，而另外一个光源则负责抑制树脂固化。通过用第二道光替换透氧膜来实现抑制树脂凝固，密歇根大学的团队可以在物体与液槽之间产生更大的间隙，可以达到毫米级厚，这使得树脂的流动速度提高数千倍。

根据论文中的介绍，该技术的Z轴3D打印速度可以达到2000mm/小时，也就是超越了文章上述的8款高速光固化3D打印机中的最高速1200毫米/小时。如果能够以百倍速3D打印实体模型，将大大拓宽其应用场景。

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