這種技術(shù)將徹底改變我們對(duì)零件的設(shè)計(jì)和制造方式的認(rèn)識(shí)。其應(yīng)用已從快速?gòu)?fù)制原型擴(kuò)展到人體組織工程，電子設(shè)備，軟機(jī)器人和高性能超材料等領(lǐng)域。這篇文章總結(jié)了3D打印技術(shù)的最新進(jìn)展研究，以供各位同行參考。

1. Nature:Voxelated soft matter via multimaterial multinozzle 3D printing

在目前研究實(shí)踐中，基于噴墨的三維（3D）打印是唯一能夠廣泛使用于制備高精度3D體素化材料的方法，但是噴墨液滴形成的物理原理要求使用低粘度墨水以確保打印成功。相比之下，直接用墨水書(shū)寫(xiě)（一種基于擠出墨水的3D打印方法）能夠?qū)⒏嗟牟牧嫌糜谶@一技術(shù)。然而，通過(guò)以層狀方式擠出整體圓柱形細(xì)絲很難產(chǎn)生由多種材料構(gòu)成的體素。這項(xiàng)工作使用多材料多噴嘴3D（MM3D）打印技術(shù)設(shè)計(jì)和制造體素化軟物質(zhì)的過(guò)程，MM3D打印頭利用了類(lèi)似二極管的行為，這種行為是多種粘彈性材料在交匯處匯聚時(shí)實(shí)現(xiàn)的，從而可以在多達(dá)八種不同的材料之間進(jìn)行無(wú)縫的高頻切換，以創(chuàng)建體積接近噴嘴直徑的立方體素。這一技術(shù)可制備出Miura折紙圖案14和千足蟲(chóng)狀的軟機(jī)器人，該機(jī)器人通過(guò)同時(shí)打印剛度變化了幾個(gè)數(shù)量級(jí)的多種環(huán)氧樹(shù)脂和有機(jī)硅彈性體油墨而運(yùn)動(dòng)。這種方法大大拓寬了可以設(shè)計(jì)和制造復(fù)雜圖案的體素化材料范圍。
 

 
2. Nat.Mat.: Three-dimensional printing of multicomponent glasses using phase-separating resins

通過(guò)三維（3D）打印對(duì)氧化物玻璃進(jìn)行數(shù)字化制造代表了玻璃設(shè)計(jì)和制造方式的重大轉(zhuǎn)變，這為探索當(dāng)前技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能提供了機(jī)會(huì)。3D打印玻璃的一些有吸引力的應(yīng)用受其化學(xué)成分的限制，并且受基于粒子的玻璃或熔融玻璃技術(shù)的低分辨率困擾。這項(xiàng)工作報(bào)告一個(gè)數(shù)字光處理3D打印平臺(tái)，該平臺(tái)利用光致聚合引起的雜化樹(shù)脂相分離來(lái)創(chuàng)建形狀復(fù)雜，空間分辨率高和多氧化物化學(xué)成分的玻璃部件。與傳統(tǒng)的多孔玻璃制造方法類(lèi)似，利用相分離現(xiàn)象來(lái)制造復(fù)雜的玻璃零件，該零件使用臺(tái)式打印機(jī)制造出具有任意幾何形狀的光控多尺度孔隙度和致密多組分透明玻璃。由于眼鏡的大多數(shù)功能特性都來(lái)自于其透明度和多組分性質(zhì)，因此該3D打印平臺(tái)可應(yīng)用于對(duì)特的技術(shù)，科學(xué)和藝術(shù)領(lǐng)域。
 

 
3. Nat.Mat.: Three-dimensional printing of piezoelectric materials with designed anisotropy and directional response

壓電系數(shù)受到構(gòu)成材料的固有晶體結(jié)構(gòu)的限制，在這項(xiàng)工作中，作者描述了具有任意壓電系數(shù)張量的壓電材料的設(shè)計(jì)和制造路線(xiàn)?；趯?duì)結(jié)構(gòu)單元模式族的電子位移圖的操縱。通過(guò)增加材料的方式制造具有復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的自由形鈣鈦礦型壓電納米復(fù)合材料來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)思路。活化的壓電超材料的最終電壓響應(yīng)可以通過(guò)施加應(yīng)力來(lái)選擇性地抑制，逆轉(zhuǎn)或增強(qiáng)。另外，這些機(jī)電超材料僅使用其母體材料的一小部分即可實(shí)現(xiàn)較高的比壓電常數(shù)和可控的柔韌性。該方法可用于創(chuàng)建下一代智能基礎(chǔ)設(shè)施，該基礎(chǔ)設(shè)施能夠執(zhí)行各種結(jié)構(gòu)和功能任務(wù)，包括同時(shí)進(jìn)行沖擊吸收和監(jiān)測(cè)，三維壓力映射和方向性檢測(cè)。
 

 
4. Nat.Biotechnol: A DNA-of-things storage architecture to create materials with embedded memory

DNA存儲(chǔ)可提供大量的信息密度和出色的半衰期。作者設(shè)計(jì)了一種“事物的DNA”（DoT）存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)來(lái)生產(chǎn)具有不變內(nèi)存的材料。在DoT框架中，DNA分子記錄數(shù)據(jù)，然后將這些分子封裝在納米二氧化硅珠中，將其融合成各種材料，這些材料可用于打印或鑄造任何形狀的物體。首先，將DoT應(yīng)用于三維打印斯坦福兔子（Stanford Bunny）的過(guò)程，其中包含以一個(gè)45 kB字節(jié)的DNA藍(lán)圖進(jìn)行合成。作者合成了五代兔子，每一代都來(lái)自上一代的記憶，沒(méi)有額外的DNA合成或信息降解。為了測(cè)試DoT的可擴(kuò)展性，在有機(jī)玻璃眼鏡鏡片中的DNA中存儲(chǔ)了一個(gè)1.4 MB的視頻，并通過(guò)切開(kāi)一小塊有機(jī)玻璃并對(duì)嵌入的DNA進(jìn)行測(cè)序來(lái)對(duì)其進(jìn)行檢索。DoT可以用于在醫(yī)療植入物中存儲(chǔ)電子健康記錄，隱藏日常對(duì)象中的數(shù)據(jù)以及制造包含其自身藍(lán)圖的對(duì)象，也可以促進(jìn)自動(dòng)復(fù)制機(jī)的開(kāi)發(fā)。
 

 
5. Nat.Biotechol.: A 3D bioprinting system to produce human-scale tissue constructs with structural integrity

組織工程學(xué)面臨的挑戰(zhàn)是生產(chǎn)可實(shí)用尺寸，形狀和結(jié)構(gòu)完整性的三維（3D）血管化細(xì)胞結(jié)構(gòu)。這篇文章提出了一種集成的組織器官打印機(jī)（ITOP），它可以制造任何形狀的穩(wěn)定的，人類(lèi)規(guī)模的組織結(jié)構(gòu)。通過(guò)將載有細(xì)胞的水凝膠與可生物降解的聚合物一起印刷成一體的圖案并固定在犧牲層水凝膠上，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械穩(wěn)定性。通過(guò)將臨床成像數(shù)據(jù)表示為解剖缺陷的計(jì)算機(jī)模型，并將該模型轉(zhuǎn)換為控制打印機(jī)噴嘴運(yùn)動(dòng)的程序，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確組織構(gòu)造，該程序?qū)⒓?xì)胞分配到離散位置。將微通道摻入組織構(gòu)建體中有助于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向印刷細(xì)胞的擴(kuò)散，從而克服了100-200μm的擴(kuò)散極限，可在工程組織中存活。我們通過(guò)制造下頜骨和顱骨，軟骨和骨骼肌來(lái)證明ITOP的功能。 ITOP的未來(lái)發(fā)展是針對(duì)人類(lèi)應(yīng)用的組織生產(chǎn)以及更復(fù)雜的組織和實(shí)體器官的構(gòu)建。
 

 

6. Science: Rapid, large-volume, thermally controlled 3D printing using a mobile liquid interface

這篇文章報(bào)告了使用移動(dòng)液體界面（氟化油）的聚合物組件的立體光刻三維打印方法，以減少界面和打印對(duì)象之間的粘合力，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)且快速的打印過(guò)程，而無(wú)需考慮聚合物前體。床體的面積不受熱限制的大小限制，因?yàn)榱鲃?dòng)的冷卻油可以在整個(gè)打印區(qū)域內(nèi)進(jìn)行直接降溫。已經(jīng)證明，連續(xù)垂直打印速度超過(guò)每小時(shí)430毫米，體積吞吐量為每小時(shí)100升，并且已經(jīng)能夠打印由硬塑料，陶瓷前體和彈性體制成的概念結(jié)構(gòu)。
 

 
7. Science: 3D bioprinting of collagen to rebuild components of the human heart

膠原蛋白是人體細(xì)胞外基質(zhì)的主要成分。事實(shí)證明，制造能夠復(fù)制組織和器官的結(jié)構(gòu)和功能的膠原蛋白支架具有很大的挑戰(zhàn)性。這項(xiàng)工作提出了一種使用懸浮水凝膠可逆包埋（FRESH）嵌入3D生物打印膠原蛋白的方法，以從毛細(xì)血管到整個(gè)器官的尺度上工程化制備人類(lèi)心臟的各個(gè)組成部分。通過(guò)控制pH驅(qū)動(dòng)的膠凝作用，可提供20微米的細(xì)絲分辨率，可實(shí)現(xiàn)快速細(xì)胞浸潤(rùn)和微血管形成的多孔微結(jié)構(gòu)，以及用于制造和灌注多尺度血管和三葉瓣膜的機(jī)械強(qiáng)度。研究者們發(fā)現(xiàn)FRESH 3D生物打印的心臟可準(zhǔn)確地重現(xiàn)患者通過(guò)顯微計(jì)算機(jī)斷層掃描確定的特定解剖結(jié)構(gòu)。打印有人心肌細(xì)胞的心室在收縮期高峰期顯示同步收縮，定向動(dòng)作電位傳播。
 

 
8. Sci. Adv.: Grayscale digital light processing 3D printing for highly functionally graded materials

三維（3D）打印或增材制造，作為未來(lái)先進(jìn)制造的一項(xiàng)革命性技術(shù)，通常會(huì)在功能性應(yīng)用程序中打印復(fù)雜梯度控制不佳的零件。這篇文章提出一種使用灰度光圖案和兩階段固化油墨的單槽灰度數(shù)字光處理（g-DLP）3D打印方法，以獲得功能梯度最高的具有三個(gè)數(shù)量級(jí)和高分辨率的機(jī)械梯度材料。為了演示g-DLP，研究者們直接制造具有受控屈曲和變形順序的復(fù)雜2D / 3D晶格，負(fù)泊松比超材料，具有剛度變化的術(shù)前模型，用于4D打印的復(fù)合材料以及防偽3D打印。
 

 
9. Sci. Adv.: Hydrogel 3D printing with the capacitor edge effect

近幾十年來(lái)，水凝膠在細(xì)胞培養(yǎng)，組織工程，軟機(jī)器人和離子設(shè)備中的應(yīng)用取得了長(zhǎng)足發(fā)展。正在開(kāi)發(fā)用于水凝膠結(jié)構(gòu)的先進(jìn)制造技術(shù)，以滿(mǎn)足用戶(hù)指定的要求。現(xiàn)有的水凝膠3D打印技術(shù)對(duì)水凝膠前體的物理和化學(xué)性質(zhì)以及已打印的水凝膠結(jié)構(gòu)施加了實(shí)質(zhì)性限制。這項(xiàng)研究提出了一種利用電容器邊緣效應(yīng)對(duì)分辨率為100μm的液體進(jìn)行構(gòu)圖的新穎方法。這項(xiàng)工作建立了一個(gè)完整的水凝膠3D打印系統(tǒng)，將圖案和堆疊過(guò)程結(jié)合在一起。該技術(shù)適用于多種水凝膠，克服了現(xiàn)有技術(shù)的局限性。印刷的水凝膠結(jié)構(gòu)，包括水凝膠支架，對(duì)溫度敏感的水凝膠復(fù)合材料以及離子型高完整性水凝膠展示裝置。所提出的技術(shù)為使用多種成分和復(fù)雜幾何形狀的快速成型水凝膠裝置提供了巨大的機(jī)會(huì)。
 

 
10. Sci. Adv.: Topology optimization and 3D printing of multimaterial magnetic actuators and displays

未來(lái)致動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展將需要執(zhí)行多個(gè)緊密耦合的功能，類(lèi)似于它們的自然對(duì)應(yīng)功能；例如，必須具有同時(shí)控制位移和高分辨率外觀(guān)的能力，才能模仿墨魚(yú)的偽裝。由于生成高尺寸設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)多功能材料及其相關(guān)的制造過(guò)程的綜合復(fù)雜性，因此創(chuàng)建集成的致動(dòng)系統(tǒng)具有挑戰(zhàn)性。因此研究者們提供了一個(gè)完整的工具包，其中包括多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化（用于設(shè)計(jì)綜合）和多材料按需按需三維打印，以制造復(fù)雜的執(zhí)行器（> 106設(shè)計(jì)尺寸）。致動(dòng)器由軟質(zhì)和硬質(zhì)聚合物以及響應(yīng)磁場(chǎng)的磁性納米顆粒/聚合物復(fù)合材料組成。拓?fù)鋬?yōu)化器為單個(gè)體素（體積元素）分配材料，同時(shí)針對(duì)物理變形和高分辨率外觀(guān)進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)多材料制造過(guò)程統(tǒng)一基于拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計(jì)策略，可以創(chuàng)建復(fù)雜的執(zhí)行器，并為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的設(shè)備提供了一條有潛力的途徑。
 

 
 來(lái)源：材料人網(wǎng)