2024年已经过去，在这一年里，3D打印技术迎来了其发展历程中的又一里程碑，这一年的研究突破不仅巩固了3D打印作为制造业革命性力量的地位，更拓展了它在医疗、工程、材料科学等跨学科领域的应用边界。Science和Nature这两份国际顶尖学术期刊上发表的一系列论文，记录了该年度内3D打印领域的重要进展。
南极熊将带您回顾2024年中那些激动人心的3D打印研究进展，看看科学家们是如何一步步推动这项技术向前发展的。通过了解这些创新，我们可以预见未来3D打印会给我们带来更多的惊喜！
1、Science：3D打印可制造多色发光结构
2024年1月16日，来自加州大学伯克利分校材料科学与工程系、劳伦斯伯克利国家实验室材料科学部等的研究成员在光致发光领域取得突破，并借助3D打印技术制备了光致发光结构。他们的研究结构已经发表在了Science上，研究题目为Supramolecular assembly of blue and green halide perovskites with near-unity photoluminescence（具有近乎一致光致发光的蓝色和绿色卤化物钙钛矿的超分子组装）。
从题目中不难发现，这篇文章主要关注的是卤化物钙钛矿材料的合成及其在高效发光二极管（LED）中的应用，但其中3D打印技术起到了关键作用：
●研究人员利用3D打印技术精确控制卤化物钙钛矿材料的结构和形态。通过3D打印技术，实现了卤化物钙钛矿薄膜的高度均匀分布，这对于提高LED的性能至关重要。
●通过优化3D打印工艺，研究人员成功地制备了具有接近100%光致发光量子产率的蓝色和绿色卤化物钙钛矿材料，高效的光致发光特性表明这些材料非常适合用于制造高效率的LED。
●利用3D打印技术制备的卤化物钙钛矿LED展示了出色的亮度、稳定性和色纯度。与传统制造方法相比，3D打印技术使得制备的LED具有更高的均匀性和一致性，从而提高了整体性能。
△实现蓝绿双色3D打印。 (A) 多材料 3D 打印过程示意图。 （B 和 C）白光 (B) 和 254 nm 紫外线 激发下的两座 3D 打印发光埃菲尔铁塔。 (D) 254 nm 紫外线激发下的双色发光埃菲尔铁塔。 (E 到 H) 具有不同层次结构和几何形状的共形和扭曲八位体桁架，包括立方八面体、十四面体和门格尔海绵结构，分别具有蓝色和绿色发射器或其组合。这些打印结构在 254 nm 处进行光激发。
这项研究为利用3D打印技术大规模生产高质量卤化物钙钛矿LED提供了可能性。3D打印技术不仅有助于提高LED的效率，还可能降低生产成本并简化制造过程。这种技术的进步对于推动未来显示技术和照明领域的发展具有重要意义。
原文链接：DOI: 10.1126/science.adi4196
2、Science：“一箭双雕”——实现超均匀、高强塑性的3D打印钛合金
2024年2月8日，重庆大学材料科学与工程学院与澳大利亚昆士兰大学、丹麦技术大学的联合科研团队在Science发表了题为Ultra-uniform, strong, and ductile 3D printed titanium alloy through bifunctional alloy design文章，提出一种“一箭双雕”的合金设计策略，为探索多种金属粉末原料、可变的打印合金体系、不同的3D打印技术以及先进的多材料打印开辟了一条途径。
研究人员表示，金属3D打印过程中通常涉及多重物理和冶金现象，从而赋予打印构件复杂的微观组织结构和多样的力学性能。但是在3D打印过程中，金属经常会形成粗大的柱状晶粒和不均匀分布的相，这样的组织结构不仅导致打印构件的力学性能不均匀，同时也会降低构件的力学性能。因此，研究者们最初设想是寻求一种“一箭双雕”的合金设计策略，从而直接通过3D打印获得性能优越和均匀的钛合金。
△Mo纳米颗粒的添加显著提高了3D打印Ti-5553合金的力学性能及其均匀性
研究人员采用了双功能合金设计策略，即通过合金元素的选择和比例调整，以达到既增加合金强度又保持良好延展性的目的。双功能合金设计使得3D打印的钛合金具有超均匀的微观结构，这意味着材料内部没有明显的局部差异，这有助于提高材料的整体性能。总而言之，研究团队通过优化3D打印工艺和合金成分，成功制备了具有超均匀微观结构的3D打印钛合金，减少了材料内部的缺陷，如裂纹、孔隙和其他不连续性，从而显著提升了材料的机械性能，其屈服强度达926MPa，断裂伸长率为26%，实现了强度与塑性的优良匹配。
原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj0141
3、Science：光固化3D打印“心脏创可贴”问世，可修复受损心脏
2024年8月3日，来自科罗拉多大学博尔德分校 (CU Boulder) 和宾夕法尼亚大学的研究小组率先开发出一种3D打印水凝胶材料工艺，这种材料既有弹性，又有粘性，而且有回弹性，可用于打印内部绷带以修复受损的心脏组织、软骨补片或无针缝合线。研究以Additive manufacturing of highlyentangled polymer networks为题，发表在Science顶级期刊上。
这种弹性创可贴状材料的制作得益于研究团队开发的一种特殊 3D 打印工艺，此工艺称为 CLEAR（通过氧化还原引发辅助的光照后连续固化），本质上可以控制打印过程中材料分子的交联。这是通过结合使用“明暗聚合”来实现的。研究人员表示，这种新颖的3D打印方法在室温下即可实现高单体转化率，无需额外的刺激，例如打印后的光线或热量，并且能够通过增材制造生产高度纠缠的水凝胶和弹性体，与传统的 DLP 相比，其延伸能量高出四到七倍。
△ CLEAR技术打印的多种弹性形状
研究人员已为这项技术申请了临时专利，它不仅成功打印出比标准 DLP 机器打印的部件更柔韧、更坚韧的材料，而且还具有粘性，可以粘在组织上。Burdick 实验室的研究员 Matt Davidson 表示可以 3D 打印出强度足以支撑组织的粘合材料。
原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn6925
4、Nature：3D打印抗疲劳钛合金取得突破性进展
2024年2月27日，中国科学院金属研究所材料疲劳与断裂团队带头人张哲峰研究员在前期疲劳损伤机制和疲劳预测理论指导下，与轻质高强材料研究部杨锐研究员团队开展合作，提出了一种通过单独调控其微观结构和缺陷来制造抗疲劳3D打印钛合金的创新策略，称为净增材制造制备（NAMP），研究成果于2024年2月29日以题为High fatigue resistance in a titaniumalloy via near void-free 3D printing发表在Nature正刊上。
研究人员表示，理想状态下3D打印技术直接制备出的钛合金组织（称为Net-AM组织）应具有天然优异的疲劳性能，而打印过程中产生的气孔等缺陷掩盖了其自身组织抗疲劳的优点，导致实际测量的3D打印材料疲劳性能大幅降低。因此，提升3D打印材料疲劳性能的关键在于消除打印气孔的同时，需要尽可能保留原始打印的组织状态。然而，目前消除气孔的工艺往往伴随组织粗化，而细化组织的处理又会带来气孔复现，甚至引发晶界α相富集等新的不利因素，可谓进退两难。
△打印态、NAMP态以及其他两种典型状态3D打印钛合金组织和缺陷特征：（a）打印态；（b）热等静压（HIP）态；（c）Near-net-AM态；（d）Net-AM态。
幸运的是，研究人员在Ti-6Al-4V合金中首次发现，高温下3D打印态组织的晶界迁移及气孔长大与相转变过程表现出异步的特性，即存在一个热处理工艺窗口，既可实现板条组织细化，又能有效抑制晶界α相富集及气孔复现。为此，研究人员巧妙地利用了这一工艺窗口，发明了缺陷与组织分步调控的NAMP新工艺（Net-Additive Manufacturing Process），最终制备出几乎无气孔的近Net-AM Ti-6Al-4V合金。NAMP工艺步骤主要包括用于消除微孔的热等静压 (HIP) 以及随后用于恢复增材制造微观结构的高温短时 (HTSt) 热处理具有细小的马氏体板条，可以成功地使钛合金恢复几乎无空隙的Net-AM显微组织。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07048-1
5、Nature：基于连续液体界面技术生产制造特定形状的颗粒
2024年3月13日，来自美国斯坦福大学的Joseph M. DeSimone等研究者介绍了一种可扩展的且高分辨率的3D打印技术，用于基于卷对卷连续液界面生产(r2rCLIP)的形状特定颗粒的制造。相关论文以题为Roll-to-roll, high-resolution 3D printing of shape-specific particles于2024年03月13日发表在Nature上。
研究探讨了高分辨率3D打印技术，特别是CLIP（连续液界面生产）方法在微细结构制造中的应用。研究团队开发了一种名为r2rCLIP的系统，该系统可以在柔性基底上快速、连续地打印出具有复杂三维形态的微粒子。通过优化打印参数如光剂量、灰度处理和光学近似校正等，研究人员实现了对固化深度的高度控制，减少了过固化现象，并能精细调整每个体素内的特性。
△Roll-to-roll-CLIP是具有复杂几何形状的粒子的快速制造工艺
研究探究了不同树脂组合物对于打印效果的影响，展示了从低到高的穿透深度以及相应的固化深度测量结果。实验采用了金/钯涂层来增强扫描电子显微镜下的成像质量。同时，作者们讨论了如何利用桥接测试方法确定树脂的固化特性曲线，从而为选择合适的打印条件提供指导。
这项工作不仅提升了3D打印技术的精度，也为制造具有特定功能的微米级颗粒铺平了道路，有望应用于药物递送、组织工程和其他领域。研究强调了材料特性的选择对于成功实现高分辨率打印的重要性，包括光折射与衍射、穿透深度及凝胶化所需的关键曝光剂量等因素。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07061-4
6、Nature：新型环保3D打印材料突破——利用天然成分实现高效可逆光聚合
2024年5月15日，南极熊获悉，来自伯明翰大学的研究者们通过真空光聚合的方法对光致聚合树脂进行增材制造，可以实现定制3D打印零件的快速制造。他们的研究已经发表在Nature上，题目为A renewably sourced, circular photopolymer resin for additive manufacturing。
研究者们提出了一种创新的3D打印材料，通过使用含有应变环二硫化物（如天然来源的α-硫辛酸）的树脂体系，在保持足够高的二硫化物浓度以支持快速固化的同时，避免了传统添加剂带来的不可逆性问题。研究人员将α-硫辛酸与可持续资源衍生的山梨醇和薄荷醇结合，制备出两种化合物——山梨醇硫辛酸酯（IsoLp2）作为多价交联剂，以及薄荷基硫辛酸酯（MenLp1）作为反应型稀释剂。这两种物质混合后形成稳定的打印树脂，其中MenLp1起到了稳定作用，防止了IsoLp2在储存期间因自交联而凝胶化。
△光固化树脂的3D打印及其回收利用
该树脂系统不仅表现出良好的环境稳定性，而且其合成过程也考虑到了绿色化学原则，采用更安全、毒性较低的试剂和溶剂。这种新材料使得3D打印件可以在光照下发生可逆的聚合反应，为未来的回收再利用提供了可能性，并且减少了对环境的影响。此外，技术还展示了优异的打印精度和机械性能，有望推动3D打印行业的进一步发展。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07399-9
7、Nature：微纳3D打印可注射超声传感器，用于颅内生理信号监测
2024年6月5日，华中科技大学臧剑锋教授、姜晓兵教授以及新加坡南洋理工大学陈晓东教授团队携手合作，研发出一种创新型可注射超声凝胶传感器，有望克服传统有线传感器存在的感染风险和术后并发症等问题，同时避免现有无线电子传感器体积过大、无法体内降解等临床应用挑战。相关研究成果以Injectable ultrasonic sensor for wireless monitoring of intracranial signals为题在线发表于Nature期刊。
研究团队设计并制造了一种新型传感器结构，名为"超声超凝胶"，是由双网络交联的水凝胶基质和内部周期性排列的空气孔道组成，体积仅为2×2×2mm3。这种可注射传感器是研究团队采用摩方精密面投影微立体光刻(PμSL)3D打印技术(nanoArch® S140，精度：10 μm)加工模具后，经水凝胶翻模制备而成。经过计算机模拟结构优化，该特殊结构在8-10MHz频段具有声学带隙，对入射超声波有很强的反射能力。凝胶材料均采用生物相容性且可降解材料制成，注射入体约1个月后可自然降解，无需再次开颅取出。
△可注射、可降解的超凝胶超声传感器设计原理--基于超声反射的超凝胶无线颅内生理传感器示意图。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07334-y
8、Nature：新型3D打印弹性体材料突破强度与韧性极限
2024年7月，浙江大学化学工程与生物工程学院谢涛、吴晶军研究团队最近3D打印出一根“超级橡皮筋”，它能拉伸到自身长度的9倍以上，直径约1毫米的“身躯”能提起一包10公斤的大米，其性能远超其他3D光固化打印弹性体。他们的研究成果已经发表在Nature上，题目为3D printable elastomers with exceptional strength and toughness。
研究人员开发了一种用于3D打印的光固化树脂，该树脂能生成具有非凡强度和韧性的弹性体。通过引入动态共价键，这种材料允许网络拓扑重构，促进了层级氢键（特别是酰胺氢键）、微相分离及互穿网络结构的形成，这些特性共同作用赋予了材料卓越的机械性能。经热后固化6小时，弹性体的拉伸强度达到了94.6 MPa，韧性为310.4 MJ m^-3，远超现有3D打印弹性体。
△“超级橡皮筋”拉伸前后对比图。左图为拉伸前，右图为拉伸后。
此材料在汽车、建筑、消费产品等传统领域以及微流控、软机器人、可穿戴电子和医疗器械等新兴领域有着广泛应用前景。研究团队来自浙江大学、上海交通大学等多个机构，其成果有望推动3D打印技术在大规模制造中的应用。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07588-6
9、Nature：声光结合，动态界面3D打印技术打造未来制造新范式
2024年10月30日，南极熊获悉，来自澳大利亚的研究学者提出了一种新的3D打印方法——动态界面打印，利用声学调制的受限气液边界，在几十秒内快速生成厘米级的3D结构。他们的研究成果已经发表在Nature上，题目为Dynamic interface printing（动态界面打印）。
体积打印技术因其能够快速制造自由浮动且各向同性的结构而受到广泛关注，但这种方法同样面临着对专业光学系统或特殊材料配方的需求，从而限制了其更广泛的应用。来自澳大利亚墨尔本大学的研究团队提出了一种全新的3D打印技术——动态界面打印（Dynamic Interface Printing, DIP）。该技术利用一个开放底部并密封透明玻璃窗口顶部的空心打印头，通过声学驱动产生受控的气-液界面，以此来实现物体的快速生成。这一创新方法不仅避免了传统技术中所需的复杂反馈系统和特定化学物质，而且能够在几秒钟到几十秒的时间范围内完成厘米级别的3D结构打印。
△DIP创新方法利用空心打印头和气液弯月面，通过调节气压和声波实现高速、无层的3D打印
DIP的独特之处在于能够动态调节打印头内的压力，从而允许在打印过程中控制弯液面的形状和位置。这种调制可以是固定的，形成静态弯月面，但是也可以在振幅和频率范围内对界面进行声学调制，以形成毛细重力波。弯月面在任何给定时刻的精确位置由打印头的垂直位置、打印头内的静态空气压力以及声调制的振幅和频率的叠加决定。这种振荡致动可以连续激活或者在投影之间瞬时激活。
这种全新的3D打印方法，不仅克服了现有技术的速度瓶颈，还拓展了适用材料的范围，特别是对于软质和生物相关材料的支持。此外，DIP技术展现出了在无需专用化学物质或光学反馈系统的条件下，快速生成任意无支撑结构的能力，这对于高存活率的组织工程、规模化生产和快速原型制作等领域具有重要意义。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08077-6
10、Nature：3D 打印赋能鸟类起飞机制研究，助力新型仿生机器人 RAVEN的制造
2024年12月4日，来自瑞士洛桑联邦理工学院 (EPFL) 的研究人员在Nature上发表了关于仿生机器人 RAVEN (Robotic Avian-inspired Vehicle for multiple ENvironments) 的最新研究成果，题目为Fast ground-to-air transition with avian-inspired multifunctional legs。此机器人模仿鸟类，能够行走、跳跃和飞行，并利用受鸟类启发的起飞机制，实现了高效的空中-地面过渡。3D 打印技术在 RAVEN 的制造过程中发挥了关键作用，赋能了这项突破性研究。
RAVEN 的核心创新在于其受鸟类后肢启发的仿生腿部机构，与复杂的鸟类腿部结构不同，RAVEN 的腿部设计简化到只有臀部、踝部和脚部三个主要部分，并通过控制臀部和踝部关节来实现行走、跳跃和飞行等多种运动模式。
△受鸟类启发的机器人设计和功能
为了实现这一设计，研究人员大量应用了 3D 打印技术。RAVEN 的许多关键部件，包括齿轮箱、腿部连接件、脚部结构以及机身框架等，都是使用3D打印机Ultimaker S5以及高韧性PLA材料制成的。这种制造方式不仅可以快速构建复杂的几何形状，还能够根据需要调整设计参数，从而优化机器人的性能。例如，RAVEN 的脚部设计采用了扁平足结构，并通过 3D 打印技术在脚趾处集成了被动弹性关节，以增强其在陆地运动和地面-空中过渡过程中的稳定性和灵活性。此外，3D 打印还使得研究人员能够快速迭代设计，并在实验中不断改进 RAVEN 的性能。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08228-9
总结
在2024年，Science和Nature两大顶尖学术期刊共发表了十篇聚焦于增材制造（即3D打印）领域的突破性研究，这些研究拓展了技术边界、预示着制造业的未来。研究涵盖了从新型材料开发、超快打印技术到生物兼容性应用等多个方面；探索了增材制造在软机器人、医疗设备、电子元件等前沿科技中的潜力；展示了该技术如何改变我们生产和使用复杂定制化产品的模式。随着这些新技术逐渐走向商业化，一个更加灵活高效且可持续发展的制造行业正在成型。
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