3D打印技术参考注意到，来自西北工业大学、加拿大滑铁卢大学等的研究团队，近日发表了一项将拓扑优化技术融入支撑设计的研究。 与传统支撑相比，优化设计将支撑材料的使用量减少超过50%，切割后变形减少超过30%，同时保持了优越的精细微结构特征。该研究展示了利用残差应力感知拓扑优化在提升LPBF零件质量和制造效率方面的实际优势。 激光粉末床熔融3D打印技术使得制造复杂结构、功能完整的金属部件成为可能，且后处理过程极少。在LPBF工艺中，高功率激光器选择性扫描粉末床，逐层熔融和固化金属粉末，期间的热梯度和循环的加热-冷却不可避免地产生残余应力。为了确保结构的稳定性和制造精度，支撑结构至关重要。 这些支撑结构具有三个关键功能：为悬出几何形状提供机械支撑、导热，以及将零件固定在基板上以抵抗残余应力引起的挠曲。 合理的支撑结构设计和工艺选择，有助于减轻零件变形并降低后处理成本。支撑设计不充分可能导致过度变形、残余应力积累以及制造成本增加。因此，开发成本效益高、能在保持机械和微观结构完整性的同时减少材料消耗的支撑结构，仍是一项重要挑战。 当前的LPBF流程通常依赖于商业软件的预定义支持结构，这些结构种类有限，高度依赖用户专业知识，主要关注结构上的悬垂约束，减轻残余应力引起的变形则很少被明确集成到支撑设计中。 拓扑优化已被证明能够在设计空间内实现材料的自动重新分配，实现最小顺应性、减少应力集中和减少材料使用，从而设计高性能支撑结构。但是，现有的研究缺乏对残余应力的考量以及对零件整体质量的系统性评估。 本研究采用了两种支撑拓扑优化策略，即仅考虑重力的拓扑策略（GraOnly），和重力与参与应力联合加载（GraAndISM）的策略。将优化后的支撑结构，与常规支撑设计以及全实心支撑进行对比。 所采用的材料为In718，均采用LPBF工艺打印，随后分别表征零件的变形情况、残余应力分布、微观组织特征和显微硬度。文章指出，选用In718的原因是其机械强度高，在高温下的强韧性、抗疲劳性能、抗氧化性都很出色。 使用不同网格尺寸优化支撑结构的效果 传统支撑与实体支撑 支撑结构结果：（a）仅GraOnly（b）GraAndISM（c）传统支撑（d）实心支撑结构 实际打印结果 变形的模拟结果（a） 切割前（BC）（b） 切割后 通过数值模拟和对In718弧桥标本的实验特性进行严格评估，主要发现总结如下： 1. 与传统晶格支撑相比，GraAndISM支撑策略在切割后，零件变形量降低了30%以上，同时支撑材料消耗减少了超过50%。 2. GraAndISM支撑在变形控制方面接近全密度固体支撑，但所需材料显著减少，体现了机械效能与制造效率之间的有效折中。 3. 支撑移除后，支撑内部会产生压应力，并且出现显著的应力释放，这表明考虑残余应力的感知支撑，除了能够起到传统支撑的作用外，还主动参与了应力调控。 4. 微观结构表征表明，拓扑优化支撑相比仅重力拓扑支撑和固体支撑，能够获得更细的晶粒结构、减少晶格畸变，并具有更强的动态恢复能力。 5. 所有试样的微观硬度保持一致而且稳定，证实优化支撑策略不会损害LPBF制造的In718组件的整体机械性能。 总之，这项工作表明，将残余应力效应纳入LPBF支撑结构的拓扑优化中，显著提升了尺寸精度、微观结构质量和材料效率。它为金属零部件的增材制造提供了一条更高质量、更具成本效益的制造方案。 推荐阅读：Effect of topology-optimized support structures on the quality of Inconel 718 parts made by laser powder bed fusion additive manufacturing 注：本文由3D打印技术参考创作，未经联系授权，谢绝转载。#增材制造 #3D打印

3D打印技术参考注意到，清华大学近年来已经在国际顶级期刊《science》和《nature》发表了多篇有关3D打印技术的研究，其中发明的新工艺就有三种。本期内容，我们就来回顾国内顶尖团队发明的这些新技术。 ➡️ 半导体量子点3D打印技术 2022年，清华大学孙洪波院士与林琳涵副教授课题组，发明了一种名为“光激发诱导化学键合实现半导体量子点3D纳米打印”的新技术。该技术能够实现无聚合物、超高纯度、三维任意构型的量子点纳米级3D打印，为前沿光电子器件的发展提供了重要工艺基础。 该研究以“3D nanoprinting of semiconductor quantum dots by photoexcitation-induced chemical bonding”为题发表在Science。 为了让纳米尺度的量子点结合在一起创建出结构，传统上需要用到有机聚合物，这会导致最终产品的纯度和性能。这项研究完全抛弃了聚合物，利用激光激发量子点内部产生高能载流子，这些载流子会移动到量子点表面，剥离其保护配体，导致量子点之间可形成化学键，实现牢固结合。 这一全新的物理机制解决了多个传统制造中的痛点，实现了几乎100%的材料纯度、突破了极限打印的分辨率，并在大规模阵列化加工时保持优良的均一性，而且该技术还具有强大的三维与多材料加工能力。 报道指出，该研究开辟了纳米器件制备工艺的新途径，在光电器件集成、高性能近眼显示等领域具有重要的应用前景。 ➡️ 无机纳米材料3D打印技术 2023年，清华大学化学系张昊副教授、李景虹院士与精仪系孙洪波院士、林琳涵副教授团队，发明了一种名为“3D Pin”的新技术，它的重要突破在于，不需要依赖聚合物，就能实现对多种无机纳米材料的高精度、高纯度、普适性直接3D打印。 这项成果以“3D printing of inorganic nanomaterials by photochemically bonding colloidal nanocrystals”为题发表在Science。 纳米级分辨率的无机材料3D打印为探索新兴功能器件提供了一种不同的材料加工途径。然而，现有技术通常需要使用光固化树脂，这会降低材料纯度并损害其性能。 清华团队找到了一种全新的化学机制来打印结构。所配制的墨水只用少量交联剂，在飞秒激光扫描下，就能触发纳米颗粒之间直接形成共价键，打印完之后通过温和的热退火或化学处理可将剩余的少量有机组分彻底去除，几乎不损害结构完整性。 该技术在打印无机材料时具有通用性，研究团队验证了十余种半导体、金属氧化物、金属及其混合物。这种无需树脂的键合过程，可以以纳米级分辨率3D打印出众多无机纳米材料及其混合物的复杂结构，且打印结构具有较高的无机物质量分数（~90%）和高机械强度。 这项研究可为构建微纳功能材料、光电集成器件、生物芯片等提供新的手段。 ➡️ 计算全息光场3D打印技术 2026年，清华大学戴琼海院士所带领的成像与智能技术实验室研究团队，发明了一种“通过合成全息光场实现亚秒体积3D打印”的新技术，将传统体积3D打印的曝光速度提升了数十倍，毫米级尺寸的高分辨率复杂结构的3D打印仅需0.6秒，打破了制造速度、尺寸、精度不能兼得的限制，创下了该技术的世界纪录。 这项研究成果以“Sub-second volumetric 3D printing by synthesis of holographic light fields”为题发表在Nature。 传统的体积3D打印包括“交叉光刻”和“计算轴向光刻”等，虽已经大幅提高了3D打印的速度，要么材料受限，要么难以保证尺寸和精度。而清华大学推出的这一新技术，转换了体积3D打印的思路，变旋转树脂容器为旋转光场，将打印速度再度提升了几十倍、能够以更高精度打印更大尺寸的零件，且打印的材料更为多样。因此，该技术一次性同时解决了速度问题、材料选择问题以及制造精度问题。 这一技术的成功开发，是多学科交叉研究的成果。研究团队基于在计算光学的深耕实践，发现计算光学可操纵高纬全息光场构建三维实体，历时五年攻关，攻克了多视角光场的高速调控，拓展景深的全息图案优化算法设计等系列难题，最终创造出“数字非相干合成全息光场（DISH）3D打印技术”。 清华大学指出，该技术将为生物医学、柔性电子、微型机器人、微纳光学器件相关领域技术升级提供新的解决方案。 注：本文由3D打印技术参考创作，未经联系授权，谢绝转载。#增材制造 #3D打印

金属3D打印过程通常面临熔池不稳定的问题，极易产生打印缺陷。热像仪等实时监测设备可以观测到很多有用的数据，但覆盖范围有一定的限制。而计算流体动力学仿真（CFD）可以深入分析熔池内部的稳定性和缺陷形成机制，帮助研究人员弥补观测的不足。 图 1：观察侧面随时间变化的x射线图像，显示高斯光束与在相同功率（中行）或高于25%功率（下行）下工作的环形光束相比，倾向于产生锁孔孔隙缺陷（上排） CFD仿真的优势 CFD技术可以帮助研究人员、设备厂商以及制造商提供监测条件，使他们能够全面评估熔池的动态变化和观察打印环境。例如慕尼黑大学的研究团队开发了一套代码，通过与CFD技术结合的方式优化了光束轮廓，为提升打印质量提供了新的技术路径。 终端用户和设备供应商都面临的新技术难题是，新合金需要有合适的激光参数来保证最终的打印质量，而这些参数又受部件几何形状的直接影响。而改变了光斑和能量分布之后，之前的工艺无法直接使用。 图 2：FLOW-3D AM中具有不同光束形状的熔池模拟绘制温度 传统的参数优化方法主要靠手动试错来确定最佳参数，但这种方法非常耗时耗力还容易出错，影响零件最终可靠性。当需要针对多种材料或者针对几何结构进行测试来确定最佳参数时，用手动试错的方法将是一项巨大的工作量。 CFD可以简化参数的优化流程并提供有关每个参数对打印质量影响的评估和可操作信息，使制造商快速且经济高效地确定特定材料、设备和激光参数集组合的最佳工艺，从而降低成本并提升生产效率。此外，CFD模拟可以避免出现关键缺陷（如锁孔）的工艺，为打印过程提供前所未有的透明度。 铂力特环形光成形过程 如此一来，制造商更有信心，后续的打印作业将产生积极的结果。构建周期不仅变得更加可预测，而且生产率更高，工件质量可以得到提高，认证运行次数更少。在打印钛、镍基高温合金、难熔金属和其他昂贵的材料时，大大减少试制品的数量。 控制熔池改善金属打印质量 nLIGHT于2020年发布了AFX激光器，因为他们知道它有可能通过实现熔池控制来彻底改变金属打印。在发布之前，nLIGHT团队与FLOW-3D AM合作模拟了AFX激光器，并准确找出了多芯光束产生最佳结果的原因。 图 3：FLOW-3D AM 中的熔池模拟，比较高斯分布（左）和AFX环剖面（右），a），b） 速度矢量，c），d） 表面张力压力分布，e），f） 反冲压力分布 通过仿真，他们比较了相同总功率熔池的空间分布，从高斯分布（左）到环形分布（右），并看到了整个熔池蒸发压力和表面张力压力的深刻变化。这些物理特性与激光下从熔化区域喷出的颗粒飞溅物的相对大小和数量相关。他们将实验中观察到的和他们用模型预测的点连接起来，缩小了基础物理学的重要知识空白，并最终实现了更好的激光光束选择和更高效的打印工艺。 光束整形层光束中可用的环芯强度分布选项 事实证明，大部分飞溅、烟尘和熔池的不稳定性是由于与打印机使用的单模激光器相关的经典高斯激光束轮廓造成的。虽然高斯光束在粉末床上产生尽可能小的光斑尺寸，但在打印过程中，当生产制造优先于精细分辨率时，它们会成为问题。由于高斯光束轮廓具有位于中心的峰值强度，因此它们产生的集中加热可能具有很大的破坏性。通过将峰值强度重新分配到周边而不是中心，nLIGHT在很大程度上消除了这些剖面发生的极端温度梯度和过热。 图 4：粉末床熔融过程中高速摄像的侧视图，与nLIGHT AFX激光器的环形强度分布（下）相比，标准单模激光器的高斯强度分布（上图）的烟灰、飞溅物和蒸发的冷凝物含量更高。两张图像都与相同的合金（AlSi10Mg）和激光参数（600W 在 400um 聚焦光斑尺寸中，以 1.1m/s 扫描）相关联 EOS于2024年6月与nLIGHT签署了一项协议，为一些3D打印机模型配备该公司的AFX可编程光束整形激光器。两家公司还“实施一系列互补的基于激光的技术，用于工业规模的生产应用”，并且“客户将能够在EOS软件上使用不同的光束轮廓，实现更高的3D打印生产力。 展望未来，FLOW-3D AM等高级仿真软件将继续为金属增材制造技术的各个方面打开新的大门。越来越多用户将利用它来优化他们的产品和制造效率。设备制造商将继续揭开增材制造的秘密，开发越来越高效的激光器和3D打印机。OEM将使用CFD软件来设计流程，从而在更短的时间内生产出更高质量的零件，减少缺陷，同时降低总体成本。 除了这些直接用途之外，未来还有将仿真工具和机器学习集成到闭环环境中的潜力。目前，实时仿真的计算负载对于生产用途来说太高了，但有可能对激光光束形状和构建参数进行原位调整，从而进一步提高增材制造效率和零件质量。 注：本文由3D打印技术参考创作，未经联系授权，谢绝转载。#增材制造 #3D打印

3D打印技术参考2月28日消息，德国弗劳恩霍夫协会在3D打印技术研究方面取得最新研究进展，其与澳大利亚合作伙伴共同开展的国际研究项目表明，在激光金属沉积过程中，可以对微观结构进行局部且有针对性的调整。 这项名为UltraGRAIN的项目由弗劳恩霍夫材料与光束技术研究所 (IWS)、弗劳恩霍夫增材制造技术研究所 (IAPT) 和墨尔本皇家理工大学 (RMIT University) 参与，聚焦增材制造领域的一个关键问题：如何制造出内部结构与预期功能相匹配的零部件。 高速成像捕捉到了激光定向能量沉积（DED-LB）过程，以及脉冲激光诱导等离子体 该项目展示了一条切实可行的方法，不再让微观结构完全由工艺本身决定，而是在强度、使用寿命或承载能力至关重要的区域精确定义微观结构。该项目于2026年2月25日举行的最终合作伙伴会议后结束。 过程控制的重大变革 对于工业用户而言，这为增材制造金属零部件的设计开辟了新的自由度。UltraGRAIN最初利用超声波来影响晶粒形成，随后转向脉冲激光激发。该方法无需接触，适用于任何几何形状，并且适合工业环境。脉冲激光诱导的熔池直接激发技术可以集成到现有的激光定向能量沉积 (DED-LB) 系统中。 电子背散射衍射（EBSD）取向图显示了脉冲激光诱导熔池激发前后（左图和右图）的差异 它比传统的超声波方法具有更好的可扩展性，即使对于复杂的几何形状也能保持稳定。在演示组件中，该项目实现了高达75%的尺寸缩小。这项技术首次实现了在制造过程中直接创建微观结构和功能优化区域。“我们特意选择了一种在工业领域行之有效的解决方案，”该项目的主要联系人、弗劳恩霍夫IWS研究所的研究助理Jacob-Florian Mätje解释道，“基于激光的激励技术使我们能够将微结构精确地设置在对组件性能真正有影响的位置。” 多学科交叉的技术闭环 UltraGRAIN的一个关键特征在于激光加工、仿真、设计方法和材料开发的紧密集成。弗劳恩霍夫激光系统研究所 (Fraunhofer IWS) 将脉冲激光诱导熔池激发技术集成到实际的定向能量沉积激光束 (DED-LB) 系统中，并在与工业相关的条件下验证了该技术。 弗劳恩霍夫应用物理与技术研究所 (Fraunhofer IAPT) 开发了针对局部微观结构变化部件的分割、路径规划和参数分配方法。皇家墨尔本理工大学 (RMIT) 则以集成计算材料工程的理念，为该项目提供了多尺度建模、基于仿真的工艺设计和优化概念。皇家墨尔本理工大学增材制造中心主任兼教授Andrey Molotnikov博士强调：“项目合作伙伴之间的积极合作是该项目的一大亮点。” UltraGRAIN将数字模型和实际制造相结合，形成一种连续的方法。基于仿真的工艺设计与增材制造的紧密结合，加速了技术向工业应用的转化，并加强了先进制造领域的国际合作。 对工业应用的实际意义 在那些对机械性能和部件使用寿命要求极高的行业，UltraGRAIN项目的研究成果具有重要意义。这些行业包括机械工程、航空航天、能源技术、涡轮机械、汽车制造以及模具制造。微观结构与部件的载荷和功能精准匹配，能够显著提升部件的性能，从而使企业受益匪浅。这种方法不仅能够减少材料用量、延长使用寿命，还能改善部件的整体性能。UltraGRAIN项目已证明，其构建工艺能够实现对这种微观结构的精确调整。 弗劳恩霍夫IWS研究所所长克里斯托夫·莱恩斯教授解释道：“UltraGRAIN项目展现了弗劳恩霍夫IWS研究所如何从概念到工业应用，持续开发新型制造技术。其成果提供了重要的科学见解，并为未来的工业转化奠定了坚实的基础。” 注：本文由3D打印技术参考创作，未经联系授权，谢绝转载。 #3D打印 #fraunhofer

3D打印技术参考2月22日消息，麻省理工学院 (MIT)的研究人员开发出了一种多模式、多材料挤出式3D打印平台，它能够以丝材、墨水和颗粒的形式加工多种高掺杂功能材料。利用该平台，研究团队可通过一个步骤直接制造出完整电机。 完全3D打印的直线电机：硬磁铁 (a)、双轴弯曲弹簧 (b)、弹簧和磁铁的组件 (c)、3D打印电机的组件 (d) 该电机由3D打印的螺线管、平面弹簧和永磁体组成，组装过程简单，包含介电、导电、软磁、硬磁和柔性五种功能材料。整个打印过程约3小时，每个器件的材料成本估计约为0.5美元，唯一需要的后处理步骤是对硬磁性材料进行磁化。 3D打印整体式FeSiAl尼龙芯银墨螺线管的工作流程示意图 经测试，该3D打印电机的功能齐全，螺线管产生的磁场强度高达2.03mT，磁体产生的磁场强度高达71mT，电机在谐振频率（41.6Hz）下实现了318μm的最大位移，与依赖液压放大器的同类直线电机相比，该3D打印电机产生的驱动力要大数倍。 这是首个报道的完全3D打印电机，它突破了3D打印功能器件的界限，展示了增材制造在电机制造领域的巨大潜力。 电机3D打印平台开发 现有的大多数多材料挤出系统仅能打印两种相同形态的材料，例如丝材或颗粒。MIT的研究团队对一台商用多材料3D打印机进行了改造，配备了定制的挤出机和新型控制框架。 每个挤出机都能处理不同类型的可打印原料，分别为导电油墨、软硬磁复合材料颗粒以及刚性和柔性聚合物丝材。系统在逐层打印过程中能自动切换喷嘴，并策略性地布置了传感器，确保每个喷嘴都能以足够的精度移动，防止层错位。 多模式、多材料挤出系统最终配置：油墨挤出机、颗粒挤出机、丝材挤出机和加热器 新改造的系统突破了大多数多材料挤出3D打印机只能打印两种材料以及只能打印同一种材料形态的限制。 电机3D打印面临的工程挑战 麻省理工学院微系统技术实验室首席研究科学家Luis Fernando Velásquez-García表示，采用同一种3D打印工艺将多种不同挤出形式无缝整合到一个平台上是一个巨大挑战。特别是这些导电材料以油墨的形式存在，需要通过基于压力的方式进行打印，与标准的加热喷嘴挤出机相比，在集成方面非常困难。 银墨打印过程中挤出机所遵循的 3D 打印路径细节。每个特征都用颜色标识：导电路径（绿色）、绝缘层（红色）、支撑（蓝色）、固化轨迹（黄色） 采用多模态多材料挤出系统整体3D打印的三维银墨堆叠螺线管：打印过程中 (a)，打印后空芯螺线管的俯视图 (b)，打印后 FeSiAl-尼龙芯螺线管的俯视图 (c) 该多模式、多材料挤出系统基于E3D运动系统和换刀装置，包含一个机器人操作装置和最多四种不同的工具，这些工具可以在单个打印作业中依次拾取和使用。构成机器最终配置为： ➡️ 线材挤出机 ➡️ 颗粒挤出机 ➡️ 墨水挤出机 ➡️ 加热器 为了适应颗粒和墨水挤出机比原先的线材挤出机更大的尺寸，在它们不工作时将它们固定到打印机框架上的底座进行了修改。整套系统的零件成本不到4000美元。 E3D Hemera 长丝挤出机 (a)、Mahor v4 颗粒挤出机（带有定制的 3D 打印部件，可与 E3D ToolChanger 兼容） (b)、定制的墨水挤出机 (c) 和用于墨水固化的加热器 (d) 虽然该电机需要少量组装，但它验证了使用单一、多功能平台生产完全3D打印电机的概念，显示出其整体式、单步制造的潜力。

3D打印技术参考注意到，哈佛大学近日在软体机器人3D打印开发方面取得最新进展，这不禁让笔者想起小鹏发布的IRON人形机器人，后者使用了3D打印的高性能聚合物晶格结构作为仿生肌肉。 此次的突破在于，哈佛通过旋转多材料3D打印方法，可直接制造出能够编程运动轨迹的软机器人，其驱动逻辑、形变能力和执行功能，在打印完成时已经直接内置于材料结构中，无需后续组装或集成传动，实现了“设计即功能”的目标。 旋转多材料3D打印两次登顶Nature正刊 哈佛所开发的旋转多材料3D打印技术曾经分别于2019年和2023年两次登顶Nature正刊，可见该技术的创新性不仅得到了学术界的广泛认可，而且在不断发展。 旋转多材料3D打印平台的打印头配备四个墨盒，每个墨盒可以包含不同材料。然后将油墨送入一个复杂喷嘴，该喷嘴允许同时打印多种材料。当喷嘴旋转和平移时，油墨以螺旋细丝的形式挤出，为后续复杂功能结构的打印奠定了基础。 RM-3DP技术的多种墨水可以不同旋转速率同时挤出复杂喷嘴，可以打印出具有空间性质和亚体素层面的软材料。目前，RM-3DP已被用于制造螺旋介电弹性体执行器和具有局部可调力学性能的结构复合材料。类似方法结合多材料喷嘴旋转与流速调整，生成具有可调节膨胀行为的水凝胶复合材料。 最新研究：材料融合与结构形成 最新研究使用了两种材料——可光聚聚氨酯丙烯酸酯树脂和温敏水凝胶，它可以在同一时间、单一喷嘴中的挤出的单一形状中融合两种材料组成的两种结构，这读起来非常拗口。 单一性状包含两种结构，是因为其中一种材料为牺牲材料，可通过温度控制发生溶解流出，从而在结构内部形成气动空腔。 具体地说，外层的聚氨酯在紫外光下迅速固化后形成坚固柔性外壳，构成机器人的主题；而聚合物凝胶则填充了充当内部通道的空间，打印完成后经冲洗即可出现空腔。相当于在打印过程中同时完成了结构构型和内置管道雕刻两个步骤。 功能实现：气动驱动与可编程形变 内部空腔的形成将被动结构转化为主动执行器，其工作原理与人体肌肉类似：气压或流体压力会使结构按预定方式变形。 通过控制打印参数，包括喷嘴的旋转和物料流速，可精确控制内部通道的位置、大小和几何形状，由于空腔被设计为非对称分布，因此在充气时并不会呈现均匀形变，从而驱动结构向预定方向弯曲和扭转。 研究人员展示了通过RM-3DP快速设计和制造带有非对称气动系统的软机器人。他们首先生成了一维软机器人丝，并通过力和曲率测量表征其力学，验证计算建模。接着展示了可以制造出1D、2D和2.5D软机器人，这些机器人经过形状变迁到三维图案。作为最后的演示，利用了一种连续的丝状打印路径算法，将结构分割成子域，利用连接的费马螺旋生成直接编码扩张应变方向的图像中的打印路径。 作为研究的一部分，该团队打印了两个演示部件：一个是充气后会展开的螺旋形花朵状致动器，另一个是可包裹物体的五指形手形抓取器。这两个部件均采用连续3D打印工艺一次性完成，无需额外组装，这正是RM-3D打印技术的特点。 对机器人制造的重新定义 对比小鹏的IRON的晶格肌肉，这种3D打印的晶格是一种结构仿生，它优化了力的传递效率，减少机械感，让机器人的动作自然流畅，但其依然依赖外部电机和刚性连杆。而哈佛最新演示的技术则是“结构-驱动一体仿生”，材料自身就是驱动器，更接近生物肌肉收缩即运动的原理。 这项技术该如何应用于当前的机器人技术？它或许能够为人形机器人灵巧手、自适应蒙皮和柔性关节制造提供新的解决方案。使机器人能够更接近生物的柔顺性、安全性和环境适应性。 软机器人的快速设计和制造在形状变形、驱动和可穿戴设备方面日益受到关注。总的来说，这项研究介绍了一种简便的制造方法，可以制造出具有可预测、可编程运动的软体机器人，并将编码运动直接写入材料中。主要作者威尔特说道，“我们的目标是为各种应用创造柔软的仿生机器人。” 推荐阅读：Rotational Multimaterial 3D Printing of Soft Robotic Matter With Embedded Asymmetrical Pneumatics 注：本文由3D打印技术参考创作，未经联系授权，谢绝转载。#增材制造 #3D打印

陶瓷3D打印虽然仍没有像金属、塑料那样实现大规模的应用，但在2025年仍然有一些可圈可点的突破。例如以特殊结构和后处理手段防止陶瓷部件易碎、以新的3D打印形式实现陶瓷部件制造，以及较为突出的新材料进展。 3D打印陶瓷超材料结构 陶瓷在压力存在易碎或断裂的风险，而德克萨斯州休斯顿大学的一个研究团队在2025年开发出了一种新的3D打印陶瓷结构，它能够在压力下发生弯曲但不会断裂。其核心方法是3D打印+特殊结构+涂层技术。 研究人员从折纸结构中获得了灵感，它一个重要特点是其可以从折叠状态扩展为特殊结构，而且这个过程可逆。他们首先采用基于SLA的陶瓷3D打印技术制造了具有折纸结构特点的二氧化硅基样品，在脱脂烧结之后，将该陶瓷部件在聚二甲基硅氧烷（PDMS）溶液中浸泡，使其表面覆盖一层厚度约75-100微米的涂层。PDMS则是一种具有超弹性的生物相容性硅橡胶。 静态和循环压缩测试表明，这种具有折叠形态和涂层处理的新结构具有非常好的柔韧性，即便在其最脆的方向上也保持了这一特点。 研究人员称，陶瓷零件在医疗保健、航空航天和机器人等领域应用广泛，虽然具有轻质、耐用的特点，但失效往往也是灾难性的。在这项新的解决方案中，折纸结构赋予了陶瓷零件的机械适应性，而聚合物涂层则提供了足够的柔韧性，防止了突然断裂。该成果有潜力拓展3D打印陶瓷的应用范围。 陶瓷水凝胶浸渍增材制造技术 2025年，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)以及瑞士洛桑联邦理工学院的研究人员，都对借助浸渍水凝胶技术实现了陶瓷部件的3D打印成形（HIAM）进行了研究。 该技术实际上是将3D打印过程与陶瓷材料的制备过程进行了分离，首先使用3D打印技术制造所需形状的水凝胶聚合物，然后将其浸泡在目标陶瓷的金属盐溶液中，阳离子就会转移到水凝胶聚合物中，经过多次处理，水凝胶中的阳离子浓度得以大幅提升。随后对这种水凝胶结构进行煅烧，去除所有有机成分并将金属阳离子（即金属盐）转化为金属氧化物。 因为水凝胶材料的3D打印非常成熟而且简便，这种方案能够规避传统增材制造技术面临的一些挑战。笔者注意到，今年有多项关于该技术的研究发表。 LLNL的研究发现，水凝胶支架的配方以及用于注入水凝胶的金属盐会影响最终陶瓷部件的质量和形貌。例如，水凝胶对陶瓷部件的孔隙率影响显著，高浓度水凝胶配方可使陶瓷的宏观结构裂纹更少。金属盐的类型也会影响孔隙率和形貌，氯化物盐比硝酸盐能形成更致密的微观结构等。研究指出，只要前驱体原料得到充分优化，HIAM工艺就能成功制备出各种陶瓷材料。这项研究进一步加深了对陶瓷增材制造替代方法的理解。 3D打印深色陶瓷，用于高超音速领域 深色陶瓷是一种能够承受高超音速飞行巨大压力和条件的陶瓷材料，这种材料在极端大气条件下具有更强的抗降解和抗失效能力。然而，深色陶瓷（如碳化硅）的3D打印相比浅色陶瓷（如氧化铝）要困难。这是因为两者与紫外光的相互作用方式不同。 浅色陶瓷在使用光固化成形过程中，光线会通过反射和散射光线促使树脂发生交联反应，而黑色陶瓷因为会大量吸收光线，从而影响固化过程。 美国研究机构采用粘结剂喷射3D打印制造的碳化硅陶瓷 据报道，来自普渡应用研究所(PARI)的一个研究团队正在开发一种工艺，用于3D打印深色陶瓷复杂部件。该团队采用的3D打印工艺类型为DLP技术，从树脂材料、表面处理和打印性能等多个方面着手解决深色陶瓷固化所面临的挑战。该团队已利用深色陶瓷打印出多种形状的部件，包括用于高超音速飞机的尖锥体和半球体。不过，报道并没有指出其所谓的深色陶瓷的具体是哪一种陶瓷。 在该领域，国内团队其实要更为领先。2024年，乾度高科就宣布攻克了碳化硅深色陶瓷的3D打印成形难题，其具体方法是增加光源功率、延长曝光时间和通过调整感光剂等方法来提高黑色陶瓷的材料的光敏感性。奇遇科技也展示了其采用光固化3D打印的碳化硅陶瓷部件，而升华三维则展示了多所高校采用其挤出3D打印技术开展的碳化硅研究进展。 乾度高科为某卫星公司定制的碳化硅反射镜（外径大于500mm） 奇遇科技碳化硅陶瓷部件 升华三维3D打印的碳化硅反射镜 陶瓷3D打印技术正在经历从科研向应用爆发的转折阶段。本文讲述的三个转折案例，代表了科研界对提升陶瓷部件性能、新技术形式和难成形材料领域的探索，目的都是为了提升3D打印陶瓷的应用难题。 注：本文由3D打印技术参考创作，未经联系授权，谢绝转载。#陶瓷 #3D打印

国际空间站首次太空金属3D打印实验于2024年开展，而我国首次太空金属3D打印实验则在今年1月由中国科学院力学研究所主导完成。3D打印技术参考注意到，这两项实验均基于送丝激光能量沉积技术，关于结果近期均有重要信息公布。 国际空间站太空金属3D打印重要信息更新 国际空间站的样品在2025年2月左右返回地球，但相关测试时间比想象中要久很多。该项目的打印过程持续了数月，共制造完成多个样品，包括3个拉伸和3个弯曲强度测试样条，薄壁结构，柔性机构（失败），以及丹麦技术大学的镜架样品。 太空打印的强度测试试样 太空打印的薄壁试样 太空打印的机械装置（打印失败） 丹麦技术大学的试样 其中一份样本送往德国的欧洲宇航员中心，两份样本送往欧空局的欧洲空间研究和技术中心，最后一份样本（镜子支架）送往丹麦技术大学进行热性能研究。 ◆ 先说结论 ➡️ 不锈钢丝材采用激光能量沉积成功实现3D打印 ➡️ 样品的机械性能与地面制造的性能一致，工程师预判天地制造差异不大 ➡️ 样品精度较差，很粗糙，须后处理，设备操作不便利，半自动，金属丝会卡住 ◆ 材料与设备 在材料选择方面，国际空间站选择的是不锈钢丝，直径为0.6mm。欧洲航天局（ESA）高级制造工程师Advenit Makaya指出，之所以没有选择钛和铝合金这些明星金属，是因为即便在空间站仍要考虑氧化。3D打印设备被安装在了空间站内部，如果采用氩气保护，一旦出现泄漏就会给人员带来直接威胁，而氮气则安全的多。这就是他们选择不锈钢的直接原因。 在设备方面，国际空间站激光能量沉积3D打印设备的尺寸为80x70x40厘米，激光输出功率为300w，送丝机构装载了1kg不锈钢丝。由于打印过程中会产生飞溅、蒸汽等，因此打印机内集成了一个过滤机构。这个过滤机构在机器打印1kg金属后就会堵塞，因此此次搭载的金属材料就是1公斤。 ◆ 天地协同 打印机的相关配置包括发起打印的指令均在地面尽量多的完成，宇航员只需要将机器安装到位，打印完成后取出零件并安装新的基材，如果出现故障，宇航员只需要稍微注意一下，这就是宇航员需要做的全部事情。 地面有一个监控中心，研究人员可基于打印机上的传感器检查各项参数，包括样件外形轮廓、机器内部的温度和氧含量。Advenit Makaya指出，地面人员会检查打印的每一层，如果发现有一层打印的“很奇怪”，他们就会调整参数，来确保下一层效果改善。另外，打印机工作时噪声很大，空间站也限制了它每天的工作时间，只允许每天运行4小时。因此，整个项目持续了几个月。 这些零件返回地球后进行机械强度、弯曲测试以及微观结构分析，并与地球制造的样本进行比较。 初步结果显示，打印历史与观察到的缺陷之间存在良好相关性，机械性能与地面DED 3D打印加工的316L不锈钢性能一致，孔隙率分布与打印策略相关联。Advenit Makaya也表示相关成果将在2026年以论文形式公布。 微镜下观察到的金属表面脊状结构；对样品进行CT扫描，对样品进行拉伸测试；样品上喷涂了油漆斑点 该项目于2017年启动，打印机本身的设计工作从2019年持续到2020年，随后进行了系列测试和完善，2024年初被送往国际空间站。 国内首次太空金属3D打印 我国首次太空金属3D打印于2026年1月12日开展。它由中国科学院力学研究所主导，并非在我国空间站开展，而是由火箭将实验载荷送到了距地面120公里的亚轨道，载荷舱通过伞降系统回收。 该轨道高度是正式进入太空微重力环境的分界线，微重力金属增材制造实验平台在飞行器环地飞行过程中获得了数分钟的实验时间，并在这一时间内成功制备出完整的金属零部件。 微重力金属增材制造实验载荷 载荷总设计师、力学所研究员姜恒介绍，太空金属3D打印的关键技术难度在于，微重力环境下的金属熔凝过程存在失控风险。失重状态使液态金属不受重力与浮力影响，完全由表面张力、毛细力等控制，极易出现熔滴球化、断丝、气泡滞留等问题，对金属成形的精度构成挑战。 “金属丝一熔化，它不是往下流，而是熔成一个小球，还会沿着丝往回爬，非常难以控制。这里面有微重力环境下的流体控制、热传导机制及冶金物理等基础科学难题。” 此次实验，我国科研团队成功获取了太空微重力环境中金属3D打印的熔池动态特征，物料输运、全流程闭环控制、凝固行为等过程的数据，以及太空增材制造金属件的成形精度与力学性能等参数，为我国太空金属增材制造技术的快速迭代积累了宝贵的实验资料。该任务标志着我国太空金属增材制造从‘地面研究’阶段迈入‘太空工程验证’的新阶段。 END 虽然我国相比国际开展太空金属3D打印的时间晚了整整两年，但从目前的实验进度来看，两方目前进度相差不大。开展太空金属3D打印的意义，首先是能够满足空间站在轨维修的使用需求，其次是面向已经提上日程的月球基地建设项目储备技术。 在地球环境对金属3D打印的使用需求就如此之广，在外太空只会更甚，主要还是因为物资缺乏与发射成本高昂。而重力环境的差异让与之相关的工艺、装备、机理探索几乎要推倒重来，因此该领域研究仍属国际前沿，且距离实际应用还有很长的一段距离。 注：本文由3D打印技术参考创作，未经联系授权，谢绝转载。#太空金属增材制造 #3D打印

3D打印技术参考注意到，2026年首篇与3D打印技术相关的Science正刊文章于1月29日刊发。来自美国桑迪亚国家实验室、德克萨斯大学奥斯汀分校、俄勒冈州立大学、亚利桑那州立大学等的联合团队发表了题为“Lithographic crystallinity regulation in additive fabrication of thermoplastics (CRAFT)”的文章。 这项研究阐述了一种创新的光控3D打印方法，它能够在三维空间中实现对高分子材料的结晶过程的微观编程控制，从而能够调控其机械与光学性能，还能实现快速制造，为信息存储、软机器人和能量阻尼等开辟了新的应用途径。 简单的说，就是传统注塑或3D打印只能制造结构统一的材料，无法在同一零件不同区域实现性能变化。而要实现材料性能变化，就得依靠多种材料拼接。但如今这项研究，仅仅使用单一材料，通过基于DLP 3D打印的光控方法，就实现了从刚性到塑性的梯度变化。 研究背景与挑战 半结晶热塑性塑料的结晶度可以被轻松调控，从而调整材料的整体化学和机械性能，这在高密度聚乙烯（如热水管）和低密度聚乙烯（如保鲜膜）的性能差异中表现得尤为明显。虽然目前通过引入支链、进行退火、与聚合物共混等手段已经可以调控材料的整体结晶性质，但如果能够在单一材料中实现结晶度的空间图案化编码，将能够彻底改变商品塑料的制造方式。 文章指出，尽管半结晶聚合物已经在工业端广泛使用，但在光聚合3D打印领域只有少量报告提及。这主要是由于将单体或低聚物通过光化学方式快速转化为高分子量聚合物存在挑战，同时，层层沉积过程中结晶区域之间的界面结合也很脆弱。 因此，研究的重点就在于要找到一种能够快速光聚合的材料体系，能够在打印过程中实现强界面结合并能调控其结晶度实现性能改变。 关键发现 研究人员并没有选择该技术领域主流使用的丙烯酸酯，而是选择了一种特殊的单体——顺式环辛烯。它是一种很便宜而且粘度很低的单体，其在聚合反应过程中表现出两个关键特性： 1）能够在几秒内快速聚合成高分子聚合物，从而满足了快速打印的要求； 2）聚合后，分子链上的双键在后续光照或黑暗条件下仍能发生“次级复分解”，能够将新旧打印层化学缝合在一起，从而解决了层间结合脆弱的难题。 控制多环辛烯（pCOE）立体化学和照射强度下的结晶率百分比 这项研究最关键的发现是确定了光照强度能够精确控制聚合物链的“几何形状”。在低光照强度下，聚合会产生更多的反式构型，使得分子链排列更规整，结晶度更高，材料的强度和硬度都很高。而在高光照强度下，聚合会产生更多的顺式构型，分子链的排列更为松散，结晶度低，材料的韧性就比较高。 研究人员分析指出，导致这一现象的原因在于高光照强度降低了催化剂的“活性”，最终使得结晶度低，从而导致材料性能的变化。因此，可以通过调节光照强度来控制聚合物立体化学反应，为控制材料结构性能开创了一种新方法。 而这种光照强度的梯度变化，则可以通过灰度图实现。灰度图像的投影产生了辐照强度的空间变化，进而产生晶体度。研究人员将这种方法称为光刻CRAFT（热塑性增材制造中的晶体调控）。灰度值范围从G0（黑色）到G255（白色），对应强度从0到168mW/c㎡。 热塑性塑料增材制造晶体调控-性能验证 研究人员对不同灰度打印的样品进行了单轴拉伸测试。低强度3D打印获得了高度结晶的材料，杨氏模量为~250MPa，屈服应力为19MPa，断裂时的平均应变超过700%。增加光强使杨氏模量降低至120MPa，屈服应力为9MPa，断裂伸长率为630%。 此外，平行打印的试样以及相对于打印板的垂直方向表现出类似的机械行为，说明层间结合力很稳定，层间强度可能由聚合物纠缠和二次复刻引起。 对光编码立体控制 为评估热稳定性和再加工性，研究人员对高结晶度和低晶体样品进行了热循环实验，并分别进行溶解测试来探究可重复3D打印的特性。在热循环过程中，样品反复加热高于和低于其各自的熔点。低于熔点加热对结晶性没有影响，而在熔点以上循环则降低结晶度和熔点，另外两次高温循环逐渐降低了结晶度以及熔点。此外，通过将聚合物溶解于甲苯并用溶剂铸造成新薄膜，未实现交联，证明该材料保持热塑性且可再处理。 作为演示，研究人员还在立体基质中3D打印了一个带有方框的雷鸟，对其横截面切割，显示出三个具有不同结晶度的区域。为进一步测试该技术在复杂结构制造方面的潜力，他们还打印了生物结构，如缅甸星龟、人类手部结构，前者展示了复杂的图案变化，而后者则清晰展现出骨骼和皮肤的分隔，其刚度与生物对应物也相匹配。 这些成果确立了热塑性增材制造中的晶体调控技术可以作为3D打印晶体空间编程的多功能平台，从而拓展了多材料制造的设计空间。 注：本文由3D打印技术参考创作，未经联系授权，谢绝转载。#science #3D打印

3D打印技术参考注意到，于1月28刊发的最新一期nature，再增加一篇与3D打印技术相关的研究。来自苏黎世联邦理工学院和新加坡国立大学的联合团队发表了题为“Optofluidic three-dimensional microfabrication and nanofabrication”的文章。主要研究人员，有多位中国/华裔学者。 该研究提出了一种融合双光子聚合3D打印与光流体组装的新型微纳制造策略，它突破了传统3D打印技术在材料选择上的局限，为实现多材料、多功能、真三维微纳结构的自由制造，提供了全新方法。 研究背景 文章指出，3D微加工技术能够制造各种功能性微尺度器件，如微型机器人、微型致动器、微米级超材料和微光子/纳米光子器件等。双光子聚合3D打印技术（2PP）凭借其高达100nm的高分辨率、简便的制造工艺以及打印复杂自由曲面3D微结构的能力 ，已成为最先进的3D微加工/纳米加工策略。但2PP技术在材料兼容性方面仍然高度局限于可交联聚合物。当前虽有很多多数研究想拓展到无机材料，但存在很多限制，要实现广泛的材料兼容性就更加困难。 为了克服这些材料局限性，直接组装材料构件已被证明对构建三维微结构/纳米结构非常有效。其中，光学组装是一种极具吸引力的构建复杂材料组装体的策略。它利用非特异性的光-物质相互作用（如光梯度力和光控电场或温度场）来捕获悬浮在溶液中的微粒/纳米颗粒。然后，可以将捕获的颗粒逐个输送并定位到指定位置，从而实现高精度的单颗粒组装。然而，现有方法大多局限于二维结构构型，且组装效率较低，通常在10–1000个颗粒/分钟的量级。更重要的是，建立一个具有更广泛材料适用性的通用光学组装平台仍然具有挑战性。 微尺度制造组合策略 在这项研究中，研究人员提出了一种双光子聚合3D打印微模板+光流体组装的组合制造方法，能够实现多种材料的兼容。 具体地说，首先利用双光子聚合工艺在玻璃基板上3D打印一个带有开口的3D空心聚合物微结构（如立方体），作为3D微模板。然后，将打印好的模板浸入含有均匀分散的纳米颗粒（或微米颗粒）的溶液中。接着，在模板开口附近施加光束直径为2µm的飞秒激光，产生陡峭的温度梯度，从而诱导强烈的对流（速度可达数毫米/秒），推动分散的颗粒向开口移动。最终，这些颗粒被输送到空心微模板内部并逐渐积累，最终组装成模板预设的3D形状。 a.光流控三维微加工/纳米加工工艺示意图；b 、c ，SiO₂胶体粒子组装的微立方体的SEM图像；d 、e ，由SiO₂粒子组装而成的具有三维曲面的悬垂羊角面包状微结构的SEM图像；f ，模拟结果显示了飞秒激光加热后空心微立方体周围的温度分布和流体流场。图 g为示意图和延时光学图像，展示了空心微立方体内SiO₂纳米粒子的组装过程。 组装完成后，通过合理的后处理方法选择性地去除聚合物模板，从而得到完全由目标材料构成的独立式三维微结构。研究人员展示了他们制备的由SiO₂纳米颗粒随机组装而成的实心微立方体，组装效率约为10⁵个颗粒/分钟，相比传统方法，效率提升了不止一个数量级。所得三维微结构具有很高的结构完整性，这些三维结构能自支撑并具有良好的机械稳定性。研究人员成功制造出了具有复杂3D曲面的悬垂羊角面包形状的超结构，进一步证明了该技术的可行性。 文章指出，3D打印的模板在实现确定性三维制造中起着至关重要的作用：它定义了整体几何形状，确保了清晰的边缘和对称性；引导光流体流动，从而可重复地填充复杂体积；并通过制造不同的三维结构，提供了设计的灵活性。 与多种材料广泛兼容 论文提到，该组合策略在构建复杂的三维微结构方面具有优势，能够利用各种微材料/纳米材料，而无需考虑其形状、尺寸和表面化学性质。 他们成功地利用多种纳米材料组装了微立方体，包括TiO₂纳米线、金刚石纳米颗粒、Fe₃O₄纳米颗粒、WO₃纳米线、Al₂O₃纳米线、Ag纳米颗粒和CdTe量子点。 与多种微材料/纳米材料具有广泛的兼容性：SiO₂、TiO₂、金刚石纳米颗粒、Fe₃O₄、WO₃、Al₂O₃、Ag和CdTe 借助精确的空间控制和广泛的材料适用性，可以构建空间编码多种功能材料的微结构，因此该技术在开发具有按需功能的微器件方面具有潜力。作为概念验证，研究人员展示了具有针对微小物体定制分离能力的微流控芯片、具有多模态运动的多场驱动微型机器人。 按需构建多功能微器件 END 总的来说，2PP技术虽能制造三维微米或纳米结构，但材料的选择存在局限。将3D打印与其他领域常用方法相组合的制造策略，克服了这一局限，能够制造金刚石、金属、金属氧化物、量子点等在内的多种材料的三维微结构或纳米结构，因此它为先进材料创新和微型器件开发开辟了新的机遇，也为胶体机器人、微光子学/纳米光子学、催化和微流控等领域的广泛应用提供了新可能。 注：本文由3D打印技术参考创作，未经联系授权，谢绝转载。#增材制造 #3D打印