截至目前，2024年发表于Science、Nature正刊与3D打印技术相关的研究为12篇。有中国高校或中国学者发表的研究多达8篇。本期，3D打印技术参考带大家回顾这些突破性进展。
01.中国学者Science，3D打印高光致发光结构
高光致发光量子产率的蓝光和绿光发光器是目前固态照明和彩色显示领域的研究前沿。2024年1月4日，中美两国三院院士、美国加州大学伯克利分校无机化学家杨培东教授团队发表了2024年首篇Science文章““Supramolecular assembly of blue and green halide perovskites with near-unity photoluminescence”。
杨培东教授团队通过铪和锆卤化物八面体团簇的超分子组装，展示了近乎统一的光致发光效率的蓝色和绿色发射材料。高发光的卤化物钙钛矿粉末具有优异的溶液加工性，可以用于薄膜显示器和自发光3D打印。通过搅拌和超声处理，光致发光粉末均匀分散到树脂中。利用多材料数字光打印方法，将蓝色和绿色发射器组装成复杂的宏观和微观结构。在405nm结构紫外光照射下，树脂迅速转化为固体3D结构。3D打印光致发光结构的潜在应用非常广泛，从复杂的室内环境照明解决方案到无缝集成到可穿戴设备中，正在不断发展。
02.中国学者Science，3D打印高强、高延展钛合金
2024年3D打印技术领域第二篇Science文章于2月8日发表。来自澳大利亚昆士兰大学、重庆大学、丹麦技术大学的联合团队，发表题为“Ultrauniform, strong, and ductile 3D-printed titanium alloythrough bifunctional alloy design的文章，”通过向Ti5553金属粉末中添加Mo ，实现了3D打印过程的原位合金化。
具体的说，通过将钼精确输送到熔池中，钼可以在每层扫描期间充当晶体形成和细化的籽晶核，促进了从大柱状晶向细等轴和窄柱状晶结构的转变。钼还可以稳定所需的β相并抑制热循环过程中相异质性的形成，通过这种方法不仅提高了3D打印钛合金的强度，还实现了延展性和拉伸性能的完美平衡。
作为钛工业中所谓主力的TC4，建议使用的最小断裂伸长率为10%，而此次3D打印制备的钛5553在屈服强度达到926兆帕的情况下，断裂延伸率达到了26%，具有极大的应用潜力。该方法还有望应用于其他金属粉末混合物，并定制具有增强性能的不同合金。
03.中科院金属所Nature，3D打印“抗疲劳”钛合金
2024年2月27日，来自中国科学院金属研究所的研究团队在nature发表了题为“High fatigue resistance in a titanium alloy via near void-free 3D printing”的文章。文章认为，3D打印的基础微观结构具有天然高抗疲劳性，而该性能的降低可能是微孔的存在造成的。常规消除微孔的努力往往造成组织粗化，而组织再细化的过程又会带来气孔复现，甚至引发晶界α相富集等新的不利因素，使微观结构的进退努力两难。
中科院团队在进行热处理研究的过程中，发现了一个关键的后处理工艺窗口，高温下3D打印钛合金的相变和晶粒生长具有异步性。只要有足够的过热度，就会立即发生α到β相的转变，而虽然已经到达了β相的生长温度，但晶界需要一段孕育期来重新排列。利用这一宝贵的热处理窗口，研究人员确定了热等静压与高温短时间处理相结合的热处理方法，既实现了组织细化，又防止了α相富集以及微孔的重新出现，最终制备出几乎无微孔的近打印态3D打印钛合金。
04.斯坦福大学Nature，极高速3D打印高精度微颗粒
2024年3月，斯坦福大学的研究人员以“Roll-to-roll, high-resolution 3D printing of shape-specific particles”为题在nature发表文章。该研究以该校2015年开发的连续液体界面生产技术为基础，开发出了一种更高效生产微尺度颗粒的3D打印技术，每天可制造多达100万个具有高精度且可定制的微米级颗粒。
r2rCLIP 3D打印原理
研究人员开发了一种可扩展、高分辨率的r2rCLIP 3D打印技术，使用单数字微米级分辨率的光学与连续胶卷（代替静态平台）相结合，能够以高达2.0微米的特征分辨率批量生产直径200微米的粒子，每天可制造多达100万个颗粒，为粒子制造带来了新的可能性。该技术已经展示了从陶瓷到水凝胶歧管等广泛领域的制造潜力，随后在微工具、电子和药物输送方面具有潜在应用。
05.伯明翰大学Nature，3D打印可循环使用光敏树脂
2024年5月15日，英国伯明翰大学和美国高分子创新研究所的团队在nature发表了题为“A renewably sourced, circular photopolymer resin for additive manufacturing”的文章。
研究人员第一次创造出一种树脂，只需添加少量光引发剂即可保持其固化性能，它不仅能够以高分辨率打印，还可以分解成其组成部分，回收和重新打印。这种树脂的原料来自硫辛酸，它是一种天然物质，通过调整其组成和网络架构，可以获得具有不同热和机械性能的打印材料，这些性能可与多种商业丙烯酸树脂相媲美。3D打印后的树脂进行了熔化和重新解聚，最终发现解聚后的树脂组成与初始配方相当，且该树脂可以重复打印。
06.华中科技大学Nature，3D打印助力无线植入传感器制造
2024年6月，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，在《Nature》杂志发表了题为以"Injectable ultrasonic sensor for wireless monitoring of intracranial signals"的文章。
研究人员开发出一种创新型可注射超声凝胶传感器。其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，该特殊结构对入射超声波有很强的反射能力。
该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。（本部分来自摩方精密，引用已获授权。）
07.浙大&上海交大Nature，弹性体3D打印重大突破
2024年7月3日，来自浙江大学和上海交通大学的研究人员发表了题为“3D printable elastomers with exceptional strength and toughness”的文章。
该研究聚焦3D打印光敏聚合物的机械性能远不及传统加工技术所能达到水平的特点，认为这主要是因为打印要求限制了分子设计所导致的，进而开发了一种新的可光固化打印树脂化学技术。研究人员展示了利用动态共价化学来克服打印性能冲突的方法。该技术可生成一种拉伸强度为94.6MPa、韧性为310.4MJm的弹性体，这两项指标均远超当前其他3D打印弹性体。
a.打印后的物体及其在后处理过程中的尺寸变化；b.3D 打印气球的非充气和充气状态及其抗穿刺性c.机械穿刺力的有限元建模。d.3D 打印气动执行器可举起 200克的重量e.3D打印气动夹持器，用尖刺抓住铜球（70 克）
该研究实现了3D打印技术在高强度、高韧性弹性体材料制造上的重大突破，展示了3D打印技术在软机器人、可穿戴设备、医疗设备等新兴领域的巨大应用潜力。
08.美国学者Science，3D打印“心脏创可贴”
2024年，8月1日，来自宾夕法尼亚大学、科罗拉多大学、美国博尔德国家标准与技术研究所的联合团队发表了题为“Additive manufacturing of highly entangled polymer networks（高度缠结聚合物网络的增材制造）”的文章。
本研究提出了一种称之为CLEAR（光与暗聚合相结合）的3D打印技术，旨在通过光聚合与暗聚合（即氧化还原聚合）的结合，实现高度纠缠的聚合物网络的3D打印。CLEAR技术利用光聚合快速制造出物体的形状，而随后的氧化还原聚合则允许未反应的单体缓慢而稳定地转化，从而生成高浓度的长聚合物链，增加物理纠缠的密度。
为猪心脏安装3D打印的水凝胶贴片
使用新技术3D打印的聚合物材料，与传统的DLP技术相比，材料的拉伸性能提高了四到七倍。研究人员成功打印出了高分辨率、多材料结构，这些结构具有空间程序化特点，能够粘附到组织或器官上用于人类健康的康复、感知、监测和管理。
09.中美联合Nature，3D打印跨尺度先进材料结构
自然界中的生物体通过精妙的自组装过程构建出了具有复杂结构和卓越性能的材料。这些生物材料，如骨骼、贝壳和蜘蛛丝，不仅在宏观上展现出优异的力学性能，而且在微观尺度上也具有高度有序的结构。这些层级结构材料因其结合了软、硬材料领域和融合界面，在性能上超越了均质材料。受此启发，科学家们一直在探索如何通过合成方法制造出类似的高性能材料。
2024年9月18日，来自美国伊利诺伊大学和中国华中科技大学的联合团队，发表了题为“Controlled patterning of crystalline domains by frontal polymerization”的文章。研究人员利用前沿聚合自旋模式动力学，自主地在聚环辛烯中制造出了具有多尺度组织的图案化晶体域，实现了对聚合物材料多尺度结构的精准调控。
研究者们发现，与通过传统方法制备的均匀聚合物相比，通过前沿聚合技术制备的具有有序晶体域的聚合物展现出更高的力学性能。特别是，这些材料在某些方向上展现出显著的各向异性。3D打印技术参考注意到，这种多层次的控制能力，为设计和制造具有高性能和多功能性的先进材料提供了全新的途径。
10.中国学者Nature，3D打印可多次使用的力学超材料
传统上，超材料的设计主要依赖于几何结构，而材料的非线性特性，如粘弹性、断裂和塑性，很少被纳入设计考虑。特别是塑性变形，通常被视为一种失效模式，需要避免。10月16日，《自然》杂志发表了一篇题为“Harnessing plasticity in sequential metamaterials for ideal shock absorption”的文章，该研究反其道而行之，将塑性变形作为一种设计工具，探索了塑性和屈曲不稳定性之间的微妙平衡。研究人员提出了一种创新的力学超材料设计，能够实现理想的冲击吸收和减震效果。该研究提出的先进设计使用3D打印技术制造。
这种超材料类似于一种能够承载且高效吸收冲击载荷的超级海绵。它能够根据所需的能量吸收水平，调节其吸收冲击的能力，以适应多样化的冲击条件。该超材料还可多次使用，与一次性使用的金属泡沫相比，其在承受冲击前具有较高的刚度和强度， 能够作为承载结构，在承受冲击后仍能保持结构完整性从而实现多次重复使用。
3D打印的超材料结构
这一发现不仅为超材料的设计提供了新的视角，而且为制造具有广泛应用潜力的高性能冲击吸收材料提供了新思路。3D打印技术参考注意到，该研究的第一作者为中国学者刘文峰，其硕士毕业于中科院力学所，现就读于荷兰阿姆斯特丹大学）。
11.墨尔本大学Nature，体积3D打印突破速度与精度上限
近年来，体积3D打印方法逐渐崭露头角，它通过同时固化整个体积内的材料来实现快速制造。然而，这些方法仍面临材料透明度、分辨率和打印速度等方面的挑战。2024年10月30日，来自墨尔本大学的研究团队发表了题为“Dynamic interface printing”的文章，提出了一种名为动态界面3D打印的新方法。
DIP技术快速3D打印心脏模型
该技术的一个核心特点是通过声学调制来振动打印界面，从而产生毛细管-重力波，增强材料传输，提高打印速度和精度。通过调制打印头内部的气压，可以在打印过程中控制界面的形状和位置。3D打印技术参考注意到，这项新技术能够实现10⁴mm³/min的体积制造速率，超过了其他高速打印过程。这种方法还可与多种材料兼容，包括柔软且在生物学上相关的水凝胶、不透明材料，尤其适合高活性生物组织的3D打印。
12.中国学者Science，3D打印新型超分子聚合物
日本东京大学的研究人员（含中国学者）于11月22日在Science刊登了一篇题为“ Mechanically strong yet metabolizable supramolecular plastics by desalting upon phase separation”的文章，该研究开发出了一种号称不会污染海洋的新型耐用塑料。这种新材料与传统塑料一样具有高强度，可生物降解，但它的特殊之处在于它能在海水中分解，有望帮助减少在海洋和土壤中积累并最终进入食物链的有害微塑料污染。同时，这种新型的可代谢且机械强度高的超分子塑料，适用于3D打印。
超分子聚合物是通过非共价合成方法制备的，利用盐桥在水中介导形成多价盐桥的三维网络结构，通过液-液相分离、浓缩液相干燥，可得到机械强度高、玻璃状的超分子塑料。它们可以为特定需求定制，可以是坚硬且耐刮擦的，或更柔软，类似于橡胶状的硅胶，重量抵抗或具有低拉伸强度的柔韧性。这样的塑料可以用于3D打印以及医疗或保健应用。
注：本文由3D打印技术参考创作，未经联系授权，谢绝转载。
