3D 打印技術(shù)的“行業(yè)問題”，中國科學(xué)家有了新突破！
在科技飛速發(fā)展的今天，3D打印技術(shù)如同強勁東風(fēng)一般吹遍了各行各業(yè)。從復(fù)雜精密的機械零件到栩栩如生的產(chǎn)品模型，從夢幻般的建筑原型到個性化的生活用品，3D打印技術(shù)以其無盡的創(chuàng)造力和足夠的靈活度，將想象照進現(xiàn)實，便捷人們生活的同時也給我們帶來了驚喜。
3D打印技術(shù)的工作原理
3D打印技術(shù)又名增材制造技術(shù)，通過逐層堆疊材料構(gòu)建三維實體，是一種創(chuàng)新的生產(chǎn)方式。其原理與蓋磚房類似，可以簡單概括為“分層制造，逐層疊加”。
3D打印流程并不復(fù)雜，首先通過計算機輔助設(shè)計軟件創(chuàng)建或獲取數(shù)字模型，然后將該模型切割成一系列非常薄的橫截面層（即切片），每層切片厚度通常在數(shù)十微米到數(shù)百微米之間。接著，3D打印機根據(jù)這些切片信息，通過特定技術(shù)和材料，一層一層構(gòu)建出最終物體。
3D打印工藝包括熔融沉積成型（FDM）、光固化3D打?。?/font>SLA、DLP、LCD）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）、選擇性激光熔化（SLM）、立體噴墨打?。?/font>3DP）、疊層實體制造（LOM）。
熔融沉積成型技術(shù)（FDM）是將絲狀的熱塑性材料通過噴頭加熱熔化，逐層沉積在平臺上，最終凝固成三維物體。該技術(shù)常用熱塑性材料作原材料，如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）、聚乳酸（PLA）等，對設(shè)備要求較低，操作簡便，適合個人和小型工作室使用。近期火爆玩具市場的“蘿卜刀”“伸縮劍”等，就是通過這種方式做出來的。
光固化3D打?。?font>SLA、DLP、LCD）利用特定波段和形狀的光照射光敏樹脂，光敏樹脂通過逐層固化，生成所需形狀的物體。該技術(shù)成型精度高，表面光滑，適合制作精細(xì)模型和小型零件。
選擇性激光燒結(jié)（SLS）利用激光束掃描粉末材料，使其熔化并粘結(jié)在一起，逐層累積成三維物體。該技術(shù)以粉末為原材料（如尼龍、金屬粉末、陶瓷粉末等），成型精度高，適合制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)的功能零件。
選擇性激光熔化（SLM）激光能量更高，與選擇性激光燒結(jié)（SLS）類似，能夠完全熔化金屬粉末，實現(xiàn)金屬零件的快速成型。該技術(shù)常用金屬粉末（如鈦合金、不銹鋼等）作原材料，可打印高強度、高精度的金屬零件，廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域。
立體噴墨打印（3DP）以粉末狀材料（金屬或非金屬）和粘合劑為原材料，利用粘結(jié)機理，逐層打印各部件。該打印技術(shù)的成型樣品與實際產(chǎn)品具有相同顏色，是目前較為成熟的彩色3D打印技術(shù)。
疊層實體制造（LOM）以薄片材料（如紙片、塑料薄膜等）和熱熔膠為原材料，通過激光切割和熱粘合方式，逐層累積成所需物體。該技術(shù)成型速度快，材料成本低，適合制作大型結(jié)構(gòu)和外殼。
盡管3D打印技術(shù)產(chǎn)品還原度較高，但受打印原材料的限制，3D打印產(chǎn)品具有較高脆性，受外力影響容易發(fā)生斷裂。該類產(chǎn)品在應(yīng)用于高機械性能需求場景中時，會顯得有些“力不從心”。那么，如何改善3D打印產(chǎn)品的“玻璃心”，讓其具有好看“皮囊”的同時兼具不易斷裂的“柔韌性”呢？
2024年7月3日，中國科學(xué)家在《自然》（Nature）雜志上發(fā)表了一項關(guān)于3D打印彈性體的研究成果，利用該技術(shù)制備的橡皮筋能夠被拉伸到自身長度的9倍，最大拉伸強度可達到94.6MPa，相當(dāng)于1平方毫米可以承受接近10千克的重力，展現(xiàn)出超高的強度和韌性。
成型速度與成品韌性的“和解”
在光固化3D打印（SLA、DLP、LCD）過程中，提高生產(chǎn)效率需要較快的成型速度，這就導(dǎo)致了材料在固化過程中交聯(lián)密度的上升和材料韌性的降低。常規(guī)方法之下，材料韌性增加的同時，材料黏度也會增加，這會導(dǎo)致流動性降低，成型速度下降。3D打印的成型速度和成品韌性之間的矛盾，一直以來都困擾著整個行業(yè)。
中國科學(xué)家讓這兩個矛盾點得到了“和解”。研究者通過對光固化3D打印原材料光敏樹脂的分析和打印過程的拆解，提出了進行分階段打印和后處理的策略。研究者設(shè)計了一種二甲基丙烯酸酯的DLP（數(shù)字化光處理）前驅(qū)體，該前驅(qū)體的主鏈上含有動態(tài)受阻脲鍵和兩個羧基。在打印成型階段，這幾個關(guān)鍵組分處于“休眠”狀態(tài)，在成型后處理階段發(fā)揮了增韌的作用。
a.3D打印的物體及其在后處理過程中的尺寸變化；b.3D打印氣球的抗穿刺性能；c.機械穿刺力的建模；d-e.3D打印氣動夾具提重物測試。圖片來源：參考文獻[1]
在90℃后處理階段，3D打印成品中的受阻脲鍵解離生成了異氰酸酯基團，該基團一方面與側(cè)鏈羧基生成酰胺鍵，另一方面與羧酸吸附的水反應(yīng)生成脲鍵。分子內(nèi)部發(fā)生的化學(xué)鍵變化將材料中單一的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)連接成類似于“手拉手”的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，帶來了更多的氫鍵，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到強化。正是由于材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，3D打印成品在受到外力發(fā)生形變時，具備了更大的緩沖空間，類似于車輛碰撞時的吸能效果，提高了產(chǎn)品的抗沖擊和抗斷裂能力，具有更高的韌性。
實驗結(jié)果表明，利用DLP前驅(qū)體進行3D打印制備的厚度，僅有0.8毫米的薄膜表現(xiàn)出極強的抗針刺性能，使其能夠在74.4牛頓的作用力下不發(fā)生破裂。即使在高壓充氣條件下，3D打印的氣動夾具仍然能夠在不破裂的情況下抓起表面有鋒利刺、重達70克的銅球，這展示了3D打印產(chǎn)品超高的韌性和結(jié)構(gòu)強度。
3D打印彈性體的廣泛應(yīng)用
在運動裝備領(lǐng)域，3D打印彈性體為運動員提供個性化、高性能裝備。例如，定制化鞋墊和防護裝備利用彈性體的減震和支撐特性，能夠優(yōu)化運動員運動表現(xiàn)并提升穿著體驗。特別是在極限運動和高沖擊運動中，3D打印的彈性體材料可以顯著減少運動員在運動過程中受到的沖擊，保護其關(guān)節(jié)和肌肉免受損傷。
在汽車與航空航天領(lǐng)域，3D打印彈性體被用于輕量化減震部件和密封圈等關(guān)鍵組件。這些部件通過復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計，既能減輕重量又能保持高性能。
在電子產(chǎn)品領(lǐng)域，智能音箱、智能手環(huán)、手機保護套等產(chǎn)品都可以采用彈性體材料進行打印。這些產(chǎn)品不僅具有優(yōu)良的柔軟度和彈性，還具備較高的耐磨性和耐用性，能夠滿足消費者對產(chǎn)品外觀和性能的多方面需求。
在工業(yè)制造領(lǐng)域，3D打印彈性體技術(shù)被用于制造各種工業(yè)模具和傳動帶等部件。這些部件需要承受較大的機械應(yīng)力和振動，而彈性體材料以其優(yōu)異的彈性和抗疲勞性能成為理想的選擇。通過3D打印技術(shù)制造這些部件，不僅能提高生產(chǎn)效率，還能降低制造成本。
3D打印彈性體技術(shù)的問世，進一步擴展了3D打印產(chǎn)品的使用場景，給我們的生活帶來了更加豐富多彩的可能性。
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