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 与授意团队发报2024年期第20-24篇"近统一光致发光的蓝色和绿色卤化物的超分子组装"。         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 "超均匀、强、韧性的三维打印钛合金" 通过双功能合金设计文章," 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12月27日,独立自主的中国科院毕业生,拥有良好的团队合作精神,题为"钛合金通过近无音3D印刷的高疲劳抵抗力"。文章认为,3d打印(注:基微观影) 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 。     R2R卡姆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. 他是海哥大学, 3D打印可循环使用光敏树脂 2024年5月nt15日,英格国瑞金大经美格分词创制新语,题为"一种可再生来源,用于添加剂制造的圆形光能树脂"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 相当于授旗团组体手部合作,在《自然》文章中,人们一起发条座以"用于颅内信号无线监测的可注射超声波传感器"。     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 这是一篇题为"具有非凡强度和韧性的3D打印机"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. 美国学研究, 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 美国标--博尔德格--标称技术团体---------------------------------------------------------------------------------------     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。  …

3D打印技术参考注意到，日本东京大学的研究人员于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。 https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado1782 另外值得注意的是，该研究的第一作者为博士生程逸人（Yiren Cheng），相田卓三教授和东南大学特聘教授黄虎彪博士为共同通讯作者。 相田卓三、黄虎彪、程逸人 超分子塑料的合成原理 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。盐桥是在水中最强的非共价相互作用之一，由静电相互作用和氢键共同加强。文章中选择了两种能够在水中形成多价盐桥的单体：六偏磷酸钠作为阴离子单体，以及二价或三价胍盐作为阳离子单体。这些单体在水中发生盐桥连接（该过程可逆），能够形成交联的超分子网络。 在水中，两种单体的交联伴随着液-液相分离，形成凝聚物，最终凝聚成浓缩的液相。这一步骤是形成超分子塑料的关键。将浓缩的液相干燥，可得到机械强度高、玻璃状的超分子塑料。 将凝聚相蒸发干燥并热压而得到的无色、高透明薄膜 最终的塑料是通过简单地干燥单体链制成的，而归功于可逆相互作用，它一旦它接触到海水，这种特殊的塑料就会逆转这一过程：盐桥被打破，聚合物在几小时内失稳。而通过其他手段，这种超分子聚合物可以通过简单的电解质作用进行闭环回收。 制备可3D打印的超分子塑料 进一步的，研究人员将上述方法，扩展到了可3D打印材料的制备中。他们将阴离子单体更换为酸软骨素，这是一种代表性的生物源性多糖，常用于医药和保健品。将多糖单体与含有阳离子的胍单体通过盐桥连接，在水中形成交联的超分子网络。这种连接是通过多糖单体的阴离子基团与胍单体的阳离子基团之间的离子键实现。 在形成盐桥连接的过程中，会发生液-液相分离，将生成的硫酸钠等副产物排斥到富含水的相中，而剩余的浓缩液相则形成交联的超分子聚合物网络。这个过程类似于“非可逆超分子聚合”策略，它允许超分子聚合物形成坚硬的塑料材料。 将剩余的浓缩液相进行干燥处理，得到玻璃状塑料，这种塑料具有热重塑性，并且可以在水性介质中使用，经过疏水涂层处理（如使用聚对二甲苯C涂层）后，可以进一步增强其应用性能。由于这种多糖超分子塑料具有交联的网络结构和热重塑性，因此理论上可以将其应用于3D打印领域。 实验测试发现，所合成的超分子材料薄膜展现出了优异的机械性能，包括高的杨氏模量和硬度，以及高的拉伸强度（76和94MPa）。这些特性使得这些材料适合于3D打印应用，它们可提供所需的结构强度和耐久性。这两种材料的热分解温度分别为199°C和202°C，表明它们在3D打印过程中的热稳定性较好，可以在高温下保持形状和结构。 此外，尽管这些超分子塑料难以通过热重塑，但它们可以通过水雾进行重塑。这意味着在3D打印后，如果需要对打印件进行形状调整，可以通过这种方法实现。 文章中展示的3D打印样件（上iii和iv） Super Inkjet Printer (SIJ-S050)喷墨3D打印机 文章中展示了使用基于多糖的超分子塑料通过3D打印技术制造的物体的图片，这证明了这种材料在3D打印领域的实际应用潜力。这些图片作为实证，展示了材料可以被塑造成复杂的三维结构。3D打印技术参考查询发现，研究人员使用了SIJ Technology的Super Inkjet Printer (SIJ-S050)喷墨3D打印机在30°C的条件下，对由硫酸软骨和氨基胍形成的共沉淀物在载玻片上进行了3D打印。 研究价值 相田卓三教授表示：“我们曾认为超分子塑料中键的可逆性会使它们变得脆弱和不稳定。然而，我们的新材料却完全相反。通过这种新材料，我们创造了一种新的耐用、稳定、可回收的塑料家族，它们具有多种功能，而且重要的是，不会产生微塑料。”   研究的另一个特点是这些新塑料非毒性、不可燃、不排放二氧化碳，并且可以在高于120°C的温度下重塑，像其他热塑性塑料一样。因此，它们可以为特定需求定制。它们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。 新材料不会产生微塑料 在可持续性方面，研究人员研究了可回收性和可生物降解性。在将新塑料溶解在海水中后，他们能够回收91%的六偏磷酸钠和82%的胍作为粉末，突出了回收的简便和高效。在土壤中，新超分子塑料的片材在10天内完全降解，为土壤提供磷和氮，类似于肥料。   总的来说，文章中描述的超分子塑料不仅在机械性能上表现出色，而且具有生物可降解性和可回收性，这些特性使得它们成为3D打印领域的理想材料，尤其是在寻找环境友好型替代传统塑料的背景下。通过3D打印技术，这些材料可以被用来制造各种复杂的结构和部件，同时保持了对环境的低影响。

高斯光束作为传统的激光束形状，在LPBF技术中得到了广泛应用。然而，高斯光束的能量分布不均，中心能量高，边缘能量低，导致熔池中的热梯度大，容易产生孔隙和未熔合缺陷。此外，高斯光束还容易引起强烈的金属蒸汽波动和飞溅，进一步加剧了缺陷的形成。因此，探索新的激光束形状以改善LPBF技术的打印质量成为了研究热点。 为了解决LPBF技术中的缺陷问题，研究人员开始探索非高斯形状的激光束，如平顶光束和环形光束。这些非高斯形状的激光束具有更均匀的能量分布，可以减小熔池中的热梯度，从而降低孔隙和未熔合缺陷的形成概率。此外，非高斯形状的激光束还可以控制金属蒸汽的波动和飞溅，进一步减少缺陷的产生。 在已有的研究中，主要使用可见光高速成像技术来观察LPBF过程中的飞溅和金属蒸汽。这种方法可以直接观察到飞溅颗粒和金属蒸汽的喷射角度、数量以及蒸汽羽流的角度。然而，可见光高速成像技术的视野深度较小，当飞溅颗粒移出焦点时会产生模糊，无法完整捕捉到飞溅的全过程。此外，可见光高速成像技术无法观察到熔池下方的孔隙形成和演化过程，以及熔池内部的动态变化。因此，需要一种更先进的成像技术来全面理解LPBF过程中的缺陷形成机制。 同步加速器X射线成像技术是一种具有高分辨率和高穿透力的成像技术，能够同时观察到LPBF过程中熔池上方和下方的动态变化。已有研究表明，同步加速器X射线成像技术可以有效表征LPBF过程中的熔池波动、熔流、匙孔形成和演化、孔隙形成和消除以及裂纹形成等动态过程。然而，在LPBF过程中使用非高斯形状的激光束时，尚未有报道使用同步加速器X射线成像技术同时观察到飞溅、熔池、匙孔和孔隙的动态过程。 3D打印技术参考注意到，来自威斯康星大学的中国学者发表了题为“Revealing mechanisms of processing defect mitigation in laser powder bed fusion via shaped beams using high-speed X-ray imaging”的研究。其通过整合激光与可切换光束轮廓到同步加速器X射线，并使用原位高速同步加速器X射线成像结合多物理场模拟，直接观察非高斯形状光束（特别是环形光束）在LPBF过程中的动态行为，量化缺陷缓解机制。 研究人员使用连续波（CW）AFX1000光纤激光器和同步加速器X射线，对环形光束LPBF过程进行原位高速X射线成像。同时，还对比研究了高斯光束LPBF过程的X射线成像结果。通过X射线成像观察高斯光束和环形光束LPBF过程中孔隙的形成和演化过程，分析环形光束如何缓解孔隙的形成。使用X射线成像技术观察高斯光束和环形光束LPBF过程中熔池的波动情况，分析环形光束对熔池波动的缓解作用。通过X射线成像技术观察高斯光束和环形光束LPBF过程中的飞溅现象，分析环形光束对飞溅的缓解作用。最后使用FLOW-3D软件对高斯光束和环形光束LPBF过程进行多物理场模拟，模拟结果包括温度场、熔流和回弹压力等。通过对比模拟结果和实验结果，进一步验证环形光束对缺陷缓解的作用机制。 实验材料选用Ti6Al4V合金，实验过程中，对粉末床和裸露基底进行了单轨激光熔化实验，观察了不同激光功率和扫描速度下的熔池动态和缺陷形成情况。实验发现： 孔隙缓解：在高斯光束LPBF过程中，观察到了匙孔孔隙的形成。而在环形光束LPBF过程中，孔隙的形成得到了有效缓解。X射线图像显示，环形光束扫描时孔隙的形成明显减少。 熔池波动缓解：在高斯光束LPBF过程中，观察到了显著的周期性熔池波动，最大振幅为40μm。而在环形光束LPBF过程中，熔池波动得到了有效缓解，熔池表面更加平滑。 飞溅缓解：在高斯光束LPBF过程中，观察到了多种类型的飞溅现象，包括液体断裂飞溅、液体碰撞飞溅和液体团聚飞溅。而在环形光束LPBF过程中，飞溅现象得到了有效缓解，飞溅颗粒的数量和尺寸均减小。 多物理场模拟结果：模拟结果显示，环形光束LPBF过程中的温度场更加均匀，熔流更加平稳，回弹压力也更小。这些结果进一步验证了环形光束对缺陷缓解的作用机制。 环形光束减少激光焊接中气孔的形成。(a-f)激光功率为550W(a-c)和400W(d-f) 的激光功率的高斯光束扫描过程中孔隙形成的动态。白色虚线圆圈标记了锁孔。(g–i)550W的环形光束扫描过程中孔隙形成的缓解，扫描速度为400mm/s。 环形光束减少激光粉末床熔融中孔隙的形成。(a-c)高斯光束扫描过程中孔隙形成的动态。白色箭头表示锁孔。(d-f)X射线图像显示环形束扫描过程中孔隙形成的缓解。激光功率为550W，扫描速度为400mm/s。粉末层厚度为100μm 环形光束缓解熔池波动 环形光束减少激光焊接中的飞溅 激光粉末床熔融中的液体飞溅和飞溅形成动力学。(a-i) 动态 X 射线图像显示高斯光束熔融过程中不同种类的液体飞溅和飞溅形成动力学。(a-c) 液体破裂飞溅的形成。(d–f) 液体碰撞飞溅形成。(g–i) 液体结块飞溅的形成。(j–l) 动态 X 射线图像显示环形光束熔融过程中飞溅形成动态。蓝色虚线和箭头标记飞溅的喷射角度和方向 高斯斯形和环形光束熔化的模拟结果显示了温度场、熔体流动和反冲压力   使用环形光束控制蒸汽流并减轻液体飞溅 总的来说，该研究发现环形光束控制了匙孔形态，有效地消除了匙孔尖端不稳定腔体的形成，稳定了匙孔，减轻了匙孔孔洞。增强的匙孔稳定性有效地减少了熔池波动、液体断裂诱导的飞溅和液体滴碰撞诱导的大飞溅的形成。此外，环形光束的高能前沿有效地熔化了粉末床，减少了LPBF过程中的聚集液体飞溅。这些发现的缺陷缓解机制可能指导光束整形策略的设计，以同时提高金属增材制造的质量和生产率。环形光束在LPBF技术中具有显著的应用潜力和价值，有望为金属增材制造技术的发展带来新的突破和进展。

机械金属超材料由互连的支柱、板、片或壳组成，其空腔或孔径范围为亚毫米到毫米级，通常以重复单元排列。它们是一类新兴的多功能材料，具有固体材料或传统多孔材料无法实现的多功能性。具有亚毫米至毫米通道直径的空心支柱晶格（HSL）金属超材料是机械超材料的新研究方向。粉末床激光熔融 (LPBF) 增材制造技术的出现让制造挑战逐渐消除，大大简化并能制造更为复杂的拓扑结构。 在此方面，墨尔本理工大学马前教授团队的研究备受关注，已发表的多篇研究涵盖多种材料（钛合金、铝合金及不锈钢）和多种晶格结构（实体晶格、空心支柱晶格、薄板空心支柱晶格拓扑结构、节点增强空心支柱晶格及不同取向等其他类型的结构）。尤其是于近两年发表的3D打印钛合金超材料与铝合金超材料的研究使人们对点阵/晶格材料的创新形式有了新的认识。 晶格/点阵结构创新 马前教授团队对晶格结构的重要研究方向是关于空心支柱晶格，这是一类新兴的晶格材料，与以往晶格结构不同之处在于其支柱和节点皆为空心，共同形成相互连接的通道网络。在相似的相对密度下，空心支柱金属晶格比实心支柱晶格具有更高的结构效率。 但虽如此，此类晶格的空心节点却存在严重的结构缺陷，这些缺陷源于复杂的空心节点区域应力集中。这些应力集中会导致局部椭圆化和裂纹，造成晶格结构过早失效。针对此问题，研究人员探索了多种结构加强方式。 节点加强形式 协同薄板拓扑两级相干架构 通常认为增加节点处的壁厚可以用作节点加固策略，但研究人员认为引入专门设计的亚毫米节点加固方法可能能够从根本上提高强度和刚度，但同时需要考虑避免粉末堵塞空心支柱。研究发现，引入节点加固可以有效减轻节点区域的应力分布，但这种策略仍然会导致负载未对齐的空心支柱中出现显著的接近零应力区域。另一种加强方式，是创建协同薄板+空心支柱晶格拓扑的两级相干架构，提供高机械强度的同时保持开孔结构。这种加强方式，又可衍生出多种具体的加强形势。 但总的来说，马前教授团队目前所开发的增强型空心支柱晶格的空心支柱晶格的相对屈服强度普遍位于经验模型上限之上，超过同类型的实体支柱晶格，且具有更低的材料密度。 3D打印钛合金超材料 于2023年12月31日发表的钛合金超材料获得了广泛关注，这种复杂的空心支柱晶格Ti6Al4V超材料，密度不超过1.8g/cm³，与镁合金相当，但屈服强度却远超镁合金。 LPBF工艺制造的Ti-6Al-4V试样 具体的说，研究人员将亚毫米厚的Ti-6Al-4V片层组成的简单立方单元嵌入到简单立方空心支柱晶格的中空空间中，可以轻松实现协同拓扑。因为支柱和板遵循一致的方向，无需晶胞操作。此外，这种拓扑结构旨在将所有负载未对齐的水平支柱牢固的互连到负载对齐的板，从而确保有效的应力分布，进而实现高结构效率。 研究团队3D打印的tc4空心支柱晶格 这一研究之所以备受关注，是因为所开发的钛多孔晶格拓扑超材料拓展了轻质多功能金属材料的边界。由于其密度低和高屈服强度，再加上Ti-6Al-4V固有的良好耐热性（高达350 °C）、显著的耐腐蚀性和生物相容性，它们可以用作高超音速飞行器等要求严格的热防护系统的核心结构。特别是，当用高温钛合金Ti-SF61打印时，它们可以进一步在高达600°C的温度下使用。这些重要的特性也使它们成为钛无人机的潜在选择材料。其他应用包括用作植入材料以及在国防和航空航天领域替代镁合金部件的轻质结构（更轻、更强、更耐热、更耐腐蚀）。 3D打印铝合金超材料 在获得以上成功的基础上，研究人员指出，所开发的钛合金超材料可能并非一直都是最佳的选择，因为钛合金粉末仍然很昂贵。该团队因此将目光锁定了另一种高性能材料——铝合金。 铝合金的激光粉末床熔融 (LPBF) 比Ti-6Al-4V等常见金属合金更具挑战性。首先，铝合金被观察到从高熔池温度到室温事存在大体积收缩；其次，高反射率和导热率需要更高的激光能量；此外，铝合金还具有低液相线温度（557°C），导致产生动态熔池。这些因素意味着AlSi10Mg很可能存在几何缺陷和粉末堵塞中空通道。 为了实现完整打印且不会残留粉末，研究人员确定了铝合金晶格结构的最小壁厚、最小内径、加强方式以及扫描策略。最终使用简单高效的双边界扫描策略，制造了具有高保真内部和外部轮廓以及可忽略不计的容留获粉末的复杂AlSi10Mg空心支柱晶格结构。该结构达到了仿真模型相对屈服强度的经验上限，与实体支柱晶格结构相当。而具有相当相对密度的Ti-6Al-4V、AlSi10Mg和SS316L的固体支柱晶格通常低于该上限。此外，空心支柱晶格在绝对密度低得多的情况下，绝对屈服强度、弹性模量均与实体支柱晶格相当，从而开发出了基于AlSi10Mg空心支柱晶格的具有轻质和高效结构的超材料。 研究团队3D打印的AlSi10Mg空心支柱晶格 这种铝合金超材料因其独特的性能和优势，对提高火箭、卫星和飞机等飞行器的整体性能和效率，提升汽车的性能和安全性，增强电子设备的散热性能，同时在高性能运动器材制造中也表现出应用潜力。 END 总的来说，马前教授团队所开展的空心支柱晶格超材料3D打印已成为独具特色的研究方向。凭借高强度、轻质化和多功能性等非常规特性，以及创新的制造技术、降低材料成本，拓展了应用深度，提升了产品结构效率，推动了工业设计和制造的发展。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。

随着3D打印技术的快速发展，其在生物打印、原型制作和制造应用中的潜力日益凸显。传统的3D打印方法，如光固化技术，主要依赖于光一次固化一层材料，虽然在分辨率和几何精度方面表现优异，但打印速度、材料成分和产量均受到限制。为了克服这些局限，研究者们不断探索新的3D打印技术，以提高打印速度和材料兼容性。其中，体积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。 在此背景下，墨尔本大学的David J. Collins教授和Callum Vidler等人于2024年10月30日在nature杂志发表了题为“Dynamic interface printing”的文章，提出了一种名为动态界面3D打印（DIP）的新方法。DIP技术利用声学调制和约束气液边界，在数十秒内快速生成厘米级3D结构，无需复杂的反馈系统、专门的化学或复杂的光学器件，同时保持快速的打印速度。这种方法为需要高分辨率、可扩展制造规模和生物相容性打印的应用提供了新的解决方案。 https://www.nature.com/articles/s41586-024-08077-6 动态界面3D打印技术原理 DIP技术通过一个底部开放、顶部密封的空心打印头，将打印头浸入液体预聚物溶液中，使其内部形成空气。在打印头的末端形成一个气液界面，该界面作为打印界面，通过可见光（λ=405nm）从上方透过玻璃窗传输，固化光敏聚合物。通过调整打印头内部的气压，可以控制界面的位置和曲率，实现与焦点平面的对齐。通过连续投影二维图像，构建出三维结构。 DIP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。 DIP技术原理 DIP技术借助声调制实现打印 DIP系统运行特写 由于DIP技术使用的是曲面界面而非传统的平面界面，因此需要将3D数字模型转换为一系列适应界面轮廓的图像。研究者开发了凸面切片算法，通过贝塞尔曲线预测界面形状，并计算投影序列。 动态界面3D打印的优点：多功能、高效 本项研究无需特殊化学或光学反馈系统即可快速创建任意支撑结构的能力。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，从而适用于高活性组织工程、可扩展制造和快速原型制作。 DIP技术快速3D打印心脏模型 研究者评估了多种材料的打印速度与光功率的关系，确定了理想的打印参数空间。通过实验，DIP技术能够实现高达10⁴mm³/min的体积制造速率，超过了其他高速打印过程，研究者发现即使在较低的光功率下，也能实现厘米级结构的快速打印。据报道，该方法的3D打印速度可以比传统生物打印机快350倍左右，在保持高结构精度的同时降低了细胞损伤的可能性。 与现有技术的比较 其他体积打印技术已被用于快速制造厘米级构建物，例如计算轴向光刻技术以及xolography的双步光化学过程。 计算轴向光刻（CAL）技术涉及旋转一个充满光敏聚合物的容器，同时将其暴露于一系列来自不同方位角的中心投影光束，使得累积的光束交点形成目标物体。由于该过程依赖于局部氧气耗尽来限制聚合反应，固化程度对聚合剂量和材料组成高度敏感。尽管计算校正可以部分缓解这些效应，但它们对这些系统中的树脂和生物墨水施加了限制。 计算轴向光刻技术实现体积3D打印 xolography采用双步光化学过程，其中聚合反应由两个波长的光引发——一个来自光片，另一个来自正交投影——同时汇聚创建所需的物体，这种技术能够实现快速、高分辨率的打印，且打印出的物品表面异常光滑，无需后续的抛光处理。 双步光化学实现体积3D打印 与DIP技术相比，尽管这些体积打印方法允许快速制造自由悬浮的各向同性结构，但它们受到对专业光学系统或材料配方的需求的限制。具体来说，体积分辨率与材料透明度内在相关，这排除或限制了许多添加剂的使用，如细胞、颗粒材料和染料。 在传统的自下而上立体光刻中，氧气也可以作为自由基抑制剂，以抑制打印界面的聚合反应。例如，连续液体界面生产技术使用氧气透过膜作为制造界面，创建了一个聚合反应的dead zone，材料可以在此连续补充。然而，在这种方法中，打印结构逐渐从一个浅层液体储层中提取出来，这对于像水凝胶这样的软材料来说存在困难，因为它们在从液体悬浮状态移除时常常表现出结构不稳定。 传统DLP与CLIP技术的打印过程比较 总结 这篇研究展示的体积高速3D打印技术，远远超过了其他快速打印技术。这种技术不需要特殊的化学药品或复杂的光学系统，而是利用表面张力和声波驱动来实现打印。这种方法还可以同时使用多个打印头，提高生产效率，甚至可以在一个多孔板上同时打印多个结构。 该技术还允许在打印过程中进行精确控制和调整，实现复杂的三维图案。预计未来这项技术还会有更多的应用，比如直接在打印头上集成声波系统，或者实现多种材料的顺序打印。 此外，这种打印技术对于生物制造领域尤其有前景，因为它能够快速打印出柔软、生物相容的材料，而不需要加热或对材料的光学特性有特别要求。这种技术还可以在三维空间中精确定位打印界面，这对于在实验室多孔板中制造生物结构非常有用。 注：本文由3D打印技术参考创作，未经联系授权，谢绝转载。

虽然这些商业纯铜3D打印解决方案似乎已经取得了一定发展，可以创建先进几何形状，但可能需要进一步研究以确定满足热管理器件实际功能要求的可行性。先进热管理器件的性能在很大程度上取决于拓扑优化的细节特征，如薄壁、晶格结构和多孔泡沫，这些结构可能需要非常不同的加工窗口。   目前许多商业增材制造供应商并没有明确给出其纯铜薄壁结构3D打印的极限，而这些属性恰好是散热器和热交换器的主要功能特征。这实际上是指，3D打印的块体和薄壁结构，在尺寸精度、几何变形、表面粗糙度、密度、微观结构、机械性能和整体可打印性方面存在明显差异。供应商往往给出样块打印的数据，在打印其他精细结构时，或有不同。 因此，在获得具有高导热性的致密且形状良好的薄壁铜结构之前，可能需要从现有的商业解决方案中建立全新的、不同的工艺参数和打印策略。这对于基于液体的散热器和热交换器来说尤其重要，以防止工作流体的泄漏和交叉污染。 使用LPBF工艺制造的铜部件：( a ) 散热器，( b ) 壁厚 0.35 mm、单元尺寸5mm 的TPMS 陀螺结构( c -e) 热交换器 2019年，国内研究人员研究了使用典型的1060nm近红外波长激光器、束斑尺寸为80µm的L-PBF设备制造纯铜薄壁网格结构。在190W的激光功率和500mm/s的扫描速度下，形成了0.2mm、0.3mm和0.5mm厚度的薄壁。尽管使用了60µm的扫描间距，与单个激光扫描轨迹相比，多个熔池重叠提供了额外的能量。但作者观察到，薄壁主要由不连续的熔池珠组成，仅部分熔合在一起。此外，还发现一些粉末颗粒被夹杂在相邻半熔珠之间形成的洞穴状孔隙中，特别是在网格状结构的交叉点处。为了实现进一步致密化，作者提出使用更高功率的500W激光器并结合几种激光重熔扫描策略。同时，能量输入也不宜过大。当多个薄壁紧密堆积在一起时，例如在网状结构的情况下，大的剥蚀区域的形成可能导致下一个沉积层的粉末床不均匀。 另有研究人员对长18mm、高4mm的自立式纯铜薄壁进行了L-PBF工艺参数研究。所使用的3D打印机配备了波长为1070nm的激光单元，束斑尺寸为35µm。作者研究了100W、150W和200W三种不同的激光功率、30µm、45µm和60µm三种不同的层厚度以及150mm/s-1250mm/s。对于激光功率，作者发现，即使在同一轨道上进行多次扫描，薄壁连续性的改进对激光功率的不同组合或这些功率的不同顺序不敏感。事实上，高激光功率的重复通过只会对薄壁产生有害的成球效应。在这里，再次强调了在高激光功率下使用重熔策略时对薄壁结构的剥蚀影响。对于扫描速度，作者发现，虽然最高1250毫米/秒的扫描速度可以提供足够的能量来形成薄壁，但粘合程度极低，从而导致非常薄的壁，强度较低。随后，通过比较熔池轨迹的连续性和壁厚，作者能够确定300毫米/秒的最佳扫描速度。 通过NIR L-PBF在不同激光功率、扫描速度和层厚度下制造的独立式纯铜薄壁( b ) 薄壁的横截面( c )横截面的 EDX 分析突出显示了导致凸起的底部铁污染 此外，由于钢的导热率较低，现在使用钢基材代替铜基材已成为一种常见的方法，以防止纯铜L-PBF过程中熔池的快速热量损失，特别是在关键的初始层期间。通过EDX分析发现，在垂直构建方向的前1.5毫米内，大量铁已扩散到熔池中，这导致薄壁发生物理膨胀。尽管如此，在较高的构建高度下，铜浓度恢复到接近100%的纯度水平，并且任何先前被铁污染的层都不会再熔化，这阻止了铁沿着构建方向进一步扩散。从物理上讲，经过铁污染区域的壁厚显著减小。 为了克服许多L-PBF打印机常见的长脉冲或连续波长激光器所遇到的熔池热损失的关键挑战，2017年首次探索超短脉冲(USP)飞秒激光器的使用。作者推测，USP激光和粉末原料之间极短的相互作用时间将大大减少激光照射期间熔池的热损失，从而能够保留更多的能量以实现完全熔化和融合。此外，将有效加热区域限制在紧邻扫描区域也将提高铜几何形状的精度和分辨率。结果，作者能够制造出壁厚约为100µm、高宽比为15:1的均质薄壁结构。然而，通过扫描电子显微镜仍然可以清楚地观察到不完全融合。作者将致密化的缺乏归因于束斑尺寸与颗粒直径的非最佳比率，因为只有经过直接激光照射的颗粒才会熔化并融合在一起，因此使用颗粒和束斑直径相同的尺寸顺序(35µm)将防止相邻颗粒在暴露过程中固结和熔合到熔池中。 ( a ) 使用超短脉冲L-PBF制造的纯铜薄壁结构( b ) 薄壁结构的SEM 图像( c，d）使用超短脉冲L-PBF在1030nm（NIR）和515 nm（绿色）波长下制造的纯铜薄壁结构（e，f）与（c，d）对应的SEM图像显示高度相似产生的结构（g）用于轻质镜座的拓扑优化结构（h）具有高度倾斜悬垂薄翅片的涡轮叶轮，不需要支撑结构（i）具有100微米壁厚和极高纵横比的薄壁结构比例为 70:1 在后来的研究中，该作者比较了USP激光器在1030nm（近红外）和515nm（绿光）波长下制造薄壁结构的性能。虽然两种激光器的束斑尺寸相似，但硬件限制将绿色激光器的功率输出限制为近红外激光器的一半。与NIR激光器相比，绿光激光器使用的层厚度更小，为15µm（而非30µm），并且颗粒尺寸更小，为10µm（而非25µm）。作者观察到，两种激光器产生的薄壁产生了高度相似的几何分辨率和形态，平均壁厚低于100µm。这表明，被铜原料在515nm处吸收的有效能量大约是1030nm处的两倍。然而，无论激光波长如何，仍然无法实现完全致密化。尽管如此，需要考虑USP激光器产生的功率输出，与当今可用的1kW激光系统相比，该功率输出非常低。此外，铜原料粉末在如此低的输出水平下甚至能够熔化并熔合在一起，这首先证明了USP激光器的潜力。例如，在对实际工程部件使用绿色USP激光器的进一步研究中，能够实现铜复杂几何形状的制造，减少薄悬垂区域的应变和支撑结构，并生产具有70:1极高纵横比的薄壁结构。 纯铜热管理应用 在提高薄壁结构致密化的另一项尝试中，研究了在不同扫描速度使用高达500W的更高NIR激光功率对薄壁铜样品的相对密度、表面粗糙度和壁厚的影响。在高于400W的较高激光功率下，作者能够一致获得高于99%的薄壁相对密度。事实上，与熔池对低于200W的激光输出变化不敏感不同，作者发现，当激光输出从200W增加到300W时，相对密度可以显著提高到接近全密度水平，无论使用的扫描速度或扫描距离如何。因此，在获得完全致密化之前，NIR激光器似乎需要至少300W的输出。然而，当使用更高的激光功率时，尺寸精度会受到影响，物理壁厚范围为数字模型的两倍到四倍。虽然作者可以通过简单地将数字模型中的壁厚减小到50µm来补偿额外的材料，以实现物理部件200µm的期望值，但值得注意的是，对于复杂的翅片结构实施这种方法可能具有挑战性具有不同的横截面积，例如拓扑优化的散热器几何形状。作者还发现，扫描策略在确定零件的壁厚和表面粗糙度方面发挥着重要作用。 ( a ) 使用NIR L-PBF在200W和500W之间以各种扫描速度制造的块状铜样品的孔隙率分析图像，其中绿色虚线轮廓代表具有良好融合的理想小孔状态，蓝色虚线轮廓代表小孔引起的孔隙率( b ) 纯铜 L-PBF中的传导、匙孔和匙孔诱导孔隙率制度示意图( c ) 匙孔制度、传导制度和过渡制度的映射激光功率和扫描速度之间的区域 到目前为止，通过输出低于200W的典型近红外激光器制造纯铜薄壁几何形状似乎无法获得完全致密或接近完全致密的结构。 515nm（绿色）和450nm（蓝色）的连续短波长激光器已开始出现用于L-PBF系统。与NIR激光器相反，这些短波长激光器当前的光学硬件功能似乎具有200µm的最小束斑尺寸，这是NIR激光器80µm光束光斑尺寸的六倍。事实上，即使对于相同的束斑尺寸和激光工艺参数，在不同的扫描速度范围内，观察到蓝色激光器的熔池尺寸始终比NIR激光器大两到四倍。 金属在不同照射波长下的吸收 有研究人员使用连续波长绿光激光器，束斑尺寸为200微米，最大功率为500w，以90°（垂直）、60°和30°的不同倾角制造了薄壁结构。作者观察到，虽然可以获得薄壁的高密度核心区域，但同时也形成了被称为“滴落”的凝固熔体珠的包络多孔和树枝状结构，无论激光功率、扫描速度或使用的扫描策略如何。虽然在水平倾斜角度更大时可以减少滴落的程度，但它们无法完全去除，并且无意中导致更高的表面粗糙度，同时致密核心区域的壁厚增加了22%至83%。 进一步指出，在另一项使用绿色激光对纯铜的L-PBF进行的研究中也观察到了滴落的存在。但是，由于核心区域的重熔，滴落仅出现在块体材料的边界周围通过重叠熔池熔化，仍然可以获得完全致密且无缺陷的零件，并且滴落对块体几何形状的影响与高细节特征的几何形状相比被认为不太重要。然而，在热管理器件的薄壁结构的背景下，回顾的文献表明，短波长激光器当前的硬件能力在产生高分辨率几何形状方面仍然不如中功率（≥400W）NIR激光器那么精细和具有光滑的表面，可实现快速传热和最小的流量损失。 随着科学界在加工纯铜高精度几何形状的基于光束的增材制造技术方面不断取得进展，另一类开始出现的有前途的技术是基于烧结的增材制造。基于烧结的增材制造是指在部件制造中涉及两阶段——成形和烧结，相关的工艺包括粘结剂喷射、挤出和光固化3D打印。目前这些技术对纯铜薄壁结构的3D打印研究较少，前景并不明朗。   注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。

3D打印技术参考于近日注意到，美国爱荷华州立大学机械工程系助理教授Sougata Roy新获得由美国能源部（DoE）提供的为期四年、总金额高达100万美元的研究资助，探索3D打印钨材料在核反应堆防护罩和其他组件制造方面的潜力。 核能钨部件3D打印研发项目介绍 这项资金将用于支持“DREAM-TEAM”项目——“为极端应用和管理工作开发强大的钨增材制造生态系统（Developing a Robust Ecosystem for Additive Manufacturing of Tungsten for Extreme Applications and Management）。Roy教授表示：“在先进制造领域，增材制造技术的应用能够产生深远的影响。核能是美国最大的清洁能源来源，这种无排放的电力对于未来的可持续发展至关重要。” 美国能源信息署的数据显示，美国约有19%的电力供应来自核能，而风力发电则贡献了大约10%。该项目团队包括还北达科他大学的机械工程助理教授Yachao Wang（华裔），以及来自美国能源部三个国家实验室：艾姆斯国家实验室（位于爱荷华州立大学）、阿贡国家实验室以及橡树岭国家实验室。 项目领导者Sougata Roy教授 北达科他大学Yachao Wang教授 这笔资助是美国能源部“建立计划以刺激竞争性研究”（EPSCoR）项目的一部分，该项目总投资达3600万美元，旨在提升全国能源相关研究能力和专业知识。研究团队将专注于钨材料，因其在高温下保持强度、具有高熔点、能抵抗高能中子辐照下的侵蚀，并且能保持低水平的放射性氚，使其成为聚变反应堆内壁的理想材料。 然而，由于钨材料的硬度和脆性，传统制造工艺难以加工。研究团队计划采用激光粉末定向能量沉积，通过在控制氧气的条件下使用激光处理钨粉末，逐层打印金属。根据使用背景，3D打印技术参考认为这项研究更可能是制造较大尺寸的块体钨部件，而非一直被看到的钨格栅。 项目预计使用定向能量沉积3D打印技术 Roy教授在3D打印核能应用的钢基合金方面拥有丰富经验，他表示，该项目将使他能够购置新的仪器，用于表征打印样品的机械性能（包括仪器压痕特性和断裂韧性）。 3D打印技术参考于此前介绍过，钨的激光打印虽然可以通过合金化和工艺优化来改善，但这两种方法目前的成功均都有限。对于高比重钨合金，由于成分多样，性能差异大，熔点最高相差2400℃，各元素的饱和蒸气压不同。天津大学和中南大学的研究人员也指出，采用LPBF技术难以保证钨合金中各成分的可控性，制造具有优异机械性能全密度钨合金同样困难。 3D打印的钨部件 Roy教授指出，该项目的独特之处不仅在于3D打印技术本身，更在于基于物理的建模和计算模拟，这些模拟将与实验工作相结合。建模和模拟工作将涉及机器学习和人工智能工具，帮助研究人员建立实验结果背后的理论基础，并开发出能够承受核反应堆极端环境的钨合金配方。Roy教授表示将从纯钨开始，最终目标是开发出新的合金配方，解决裂纹问题。 已揭示3D打印钨易形成裂纹的原因 此前，3D打印技术参考介绍了劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的研究人员已经确定了钨3D打印出现微裂纹的原因。 通过将模拟与高速视频相结合，研究人员能够实时可视化钨3D打印过程中的韧性到脆性转变(DBT)，该转变是确定打印材料较低热工作范围极限的关键。当金属在暴露于高温后冷却时，不可避免地会遇到这一转变（3D打印的一半规律）。较低的温度会导致延展性急剧下降，从而导致残余应力和微裂纹。 残余应力和应变率是导致钨打印部件开裂的一个因素 在激光粉末床熔融 (LPBF) 打印过程中，材料的快速持续加热也会导致高残余应力，从而导致最终产品变形。虽然研究人员知道DBT会导致采用LPBF技术3D打印钨时出现微裂纹，但发生这种情况的确切原因仍然是个谜。 LLNL的研究人员利用监测技术，确定了残余应力、应变率和温度等变量是开裂的原因。研究小组得出结论，纵向裂纹部分缓解了合金的残余应力，并减少了部件上的横向断裂。模拟还显示，较深的熔池形状通常会导致在中间形成薄的垂直取向晶粒，这很容易导致裂纹的发生。 LLNL利用模拟和监控技术进行了钨的3D打印研究 为了解决DBT过程中产生的残余应力，该团队发现需要一种通用策略，将优化的机器参数与材料组成相结合。预热和控制构建室内的氧气水平被认为是降低应变率的重要因素，合金中杂质的浓度也很重要。 总体而言，LLNL团队认为他们的研究成果是朝着实现3D打印无裂纹钨部件（用于极端环境）的目标迈出的坚实一步。 3D打印“世界首创”复杂无缺陷钨部件 3D打印技术参考注意到美国橡树岭国家实验室（ORNL）于2024年5月发布了一则消息，该机构已经利用电子束3D打印技术制造出了首批复杂、无缺陷且具有复杂几何形状的钨部件。经测试，这些钨部件能够承受极端温度。 2024年，ORNL 3D打印出“世界首创”的新型复杂无缺陷钨部件 为了解决纯钨在室温下易碎的问题，ORNL研究人员开发了一种电子束3D打印机，可将钨逐层沉积成精确的三维形状。该技术使用高真空磁导向粒子流将金属粉末熔化为固体金属，真空环境可减少异物污染和残余应力形成。ORNL Michael Kirka教授表示：“电子束增材制造有望用于加工复杂的钨几何形状。这是扩大耐高温金属在能源资源中的应用的重要一步，将为可持续、无碳的未来提供支持。” 倍丰智能成功制造出纯钨格栅 除此之外，3D打印技术参考还注意到，吴鑫华院士领导的倍丰研发部门于2023年成功在SP261设备上制造出整体尺寸为245x25x15mm的防散射栅格件，其壁厚最小达到0.1mm，成形精度控制在0.03mm以内，致密度高达99%。同时纯钨打印件的100%透光率，保证了钨栅格在医疗实际应用中的CT探测器性能要求。倍丰技术团队为打印这类极限壁厚的零件专门在自主开发的软件中加入全新功能，该功能可以根据零件壁厚分配不同激光路径，打破了传统的激光路径分配方案，克服在打印薄壁处能量高、易变性的技术难点。这也为打印0.1mm壁厚甚至更薄工件提供可能。 升华三维打印钨合金样品（烧结） 除了激光或电子束3D打印，国内升华三维开发的基于3D打印+粉末冶金的复合钨合金成型工艺（PEP），在解决开裂方面具有优势。该公司推出的两款独立双喷嘴3D打印机为稳定制备大尺寸钨合金等难熔金属复杂结构件提供支撑，通过PEP打印-脱脂-烧结制备的钨合金相对密度可达99.6%。烧结后的钨合金构件，能达到或超过传统工艺制备性能指标。 市场采用不断增长 钨的3D打印应用一直备受关注，各种工艺类型均有不同特色。3D打印纯钨/钨合金零件在各种应用中的采用率正在显著上升。 钨金属的应用领域 在航空航天领域，由于推进系统和卫星技术的进步，对高强度、耐热钨部件的需求持续增长。 医疗应用侧重于钨的生物相容性和密度，这对于辐射屏蔽和植入式设备至关重要。 由于钨的耐用性，国防部门将3D打印钨零件用于弹药和电子屏蔽。 汽车应用领域正在不断扩大，钨被用在涡轮增压器和传动系统等发动机部件中，来提高性能和效率。 除了这些主要领域之外，其他应用还包括电子产品，其中钨的导电性和耐热性在电路和半导体生产中得到充分利用。 增材制造技术的不断进步推动了市场的增长，使复杂的几何形状和精确的材料特性能够根据特定应用需求量身定制。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，花费时间2d，转载请点击转载须知。

3D打印技术参考于10月3日注意到，美国宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程副教授Robert Hickey和密歇根州立大学Michael Hickner教授等组成的联合团队新获得了美国国防部（DoD）通过海军研究办公室（ONR）授予的为期五年、总金额高达450万美元的多学科大学研究计划资助（MURI），用于探索一种能够在较低温度下生产高性能陶瓷的创新激光3D打印技术。 该项目名为“前陶瓷聚合物的光化学和光热增材制造（Photochemical and Photothermal Additive Manufacturing of PreceramicPolymers）”，旨在开发一种无需整体加热即可生产超高温陶瓷的单步工艺。研究团队专注于利用光能将聚合物前体转化为最终的陶瓷产品。 Robert Hickey表示，目前陶瓷成型面临的最大挑战是需要高温和高能量，这对3D打印来说尤为困难，使用这些材料进行精确3D打印的难度很高。 传统的聚合物前体转化为陶瓷的过程需要将整体材料加热到高温，这可能导致多达50%的前体材料损失，并改变成品陶瓷部件的几何形状，从而影响3D打印的精度。 然而，研究人员相信，通过利用高强度激光，可以在前体材料中引发化学反应，使其迅速固化成坚硬的陶瓷材料，而无需整体加热。这种方法有望实现快速、高精度的3D打印，因为光加热的速度比传统热处理方法更快。 3D打印技术参考注意到，西北工业大学苏海军教授团队于日前就报道了一种通过激光粉末床熔融技术制备复杂结构氧化物共晶陶瓷的方法。该团队创新性地制备出了具有不同形状、表面光泽的三元共晶陶瓷试样。研究指出，该技术有望突破一步法直接制备大尺寸复杂结构陶瓷的瓶颈，这项研究为直接制备超高温凝固态具有超细微组织和复杂结构的氧化物共晶陶瓷提供了理论基础和技术支持，在航空航天、机械、化工等领域具有巨大的应用潜力。 西工大苏海军教授团队SLM技术直接3D打印陶瓷 对于美国防部这一项目，Robert Hickey强调：“我们急需找到降低这些陶瓷转化或制造所需能量的方法，并防止在打印和加工过程中出现大尺寸精度变化。因此，我们正在研究如何利用光将聚合物转化为陶瓷，并最终实现高性能陶瓷的3D打印。” 宾夕法尼亚州立大学在陶瓷科学和材料化学方面拥有数十年的传统，并长期参与美国国防部重点研究。研究团队还包括麻省理工学院（MIT）和南加州大学（USC）的研究人员。联合团队中的计算和实验研究人员已经建立了紧密的联系。MURI计划旨在组建跨学科的研究团队，探索多个传统技术学科交叉的高优先级课题和机遇。这种多学科方法对于许多军事问题来说至关重要，有助于激发创新、加速研究进展，并推动研究成果在海军领域的应用。 宾夕法尼亚州立大学Robert Hickey 该项目将涉及新型前体的合成、探索促进光基陶瓷转化的不同方法、获取对反应转化途径的计算信息，并将其反馈到前体的设计和合成中。 Robert Hickey表示，这是实验与模拟理论的完美结合。研究人员将把初步结果输入到模拟中，从而预测新的聚合物前体，以获得更好的结果。因此，这种由理论和模拟提供的反馈回路将帮助重新设计新的聚合物材料。此外，模拟还可以为尚未通过实验验证的化学反应指明方向。 这一发现可能对未来在先进高超音速飞行器领域产生深远影响。采用新3D打印技术制造能够在超高温度下工作的、具有复杂结构陶瓷部件的能力，将为再入飞行器的研发提供更多可能性。 来自吕坚院士团队形状记忆陶瓷的4D增减材制造 宾夕法尼亚州立大学机械工程系Adrivan Duin教授指出，该项目将为多种高温碳化物（如碳化钨）和硅基陶瓷（如碳化硅和氮化硅）等的陶瓷材料3D打印开辟新途径。此外，项目还将建立新的计算能力来预测高能反应中间体，这将有助于设计新的前体和加工方案。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。

2024年3D打印技术领域第6篇Nature研究于9月18日发表。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。3D打印技术参考注意到，该技术为跨尺度、高性能、多功能先进材料设计制造提供了新途径！   研究背景 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。 a.利用热潜伏引发剂（Ru-X）和烷基亚磷酸盐抑制剂（P(OBu)3）来控制聚合反应的前沿模式;b.温度升高和引发剂抑制剂浓度对该系统前传播方式的影响;c.使用Grubbs'第二代钌催化剂（Ru-1）和P(OBu)3（抑制剂与引发剂的摩尔比为1:1）进行的COD反应的均匀前沿模式;d.聚合后2小时和24小时，通过均匀前沿聚合制成的聚环辛烯（pCOD）样品的光学图像;e 在提高抑制剂浓度（抑制剂与引发剂的摩尔比为2:1）时，聚合反应产生的旋转模式前沿;f.在2小时(左)和24小时(右)后聚合后,用纺模传播制备的图案聚合物的典型光学图像 传统的材料制造技术，如3D打印、注塑成型等，虽然能够实现精确的形态控制，但往往依赖于复杂的设备和繁琐的工艺流程。相比之下，前沿聚合（Frontal Polymerization）作为一种自下而上的材料合成方法，能够在无需外部干预的情况下，通过材料内部的化学反应和扩散过程自发地形成有序结构。这种方法在制备具有复杂层次结构的材料方面展现出巨大潜力。 研究过程 本研究的核心在于探索如何通过前沿聚合技术控制聚环辛烯中晶体域的有序图案化。研究团队首先通过调整聚合反应的条件，如反应动力学、热化学和边界条件，实现了对晶体域尺寸、间距和排列的精确控制。 实验过程的关键在于精确控制前沿聚合的传播模式。研究团队通过在密闭矩形模具中进行FROMP实验，系统地研究了不同边界条件、模具尺寸、环境温度以及引发剂种类对前沿传播模式和最终材料结构的影响。具体来说，他们采用了三种不同的钌基引发剂（Ru-1、Ru-2和Ru-3），通过改变这些引发剂的化学结构，进一步调整了前沿传播的动态行为。 材料微观结构和区域的表征 在实验中，团队发现，通过调节模具的宽度，可以改变每单位表面积产生的热量，进而影响前沿的传播速度和材料域的间距。当环境温度升高至35°C时，原本稳定的自旋模式（spin mode）会转变为均匀模式（uniform mode），导致材料结构的变化。此外，不同引发剂因启动动力学的差异，会导致非平面前沿传播过程中的链取向和结晶度分布发生变化，这些变化对最终材料的机械性能产生重要影响。 研究结果 研究结果表明，通过精心设计的聚合条件，可以在聚环辛烯中形成具有不同尺寸和间距的有序晶体域。这些晶体域的形成不仅改变了聚合物的微观结构，还显著影响了其宏观力学性能，如强度、弹性模量和韧性。 通过纳米压痕和拉伸测试，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。 可调谐的机械响应 通过对比不同实验条件下制备的聚合物的微观结构和力学性能，研究者们揭示了晶体域的尺寸、间距和排列方式与聚合物力学性能之间的关系。这些发现为设计具有特定性能的材料提供了重要的指导。 应用前景   本研究证明，通过精确调控前沿聚合过程中的传播模式和引发剂选择，可以实现跨越多个长度尺度的材料结构控制。这不仅体现在宏观的材料域间距和分布上，还深入到微观的聚合物链取向和结晶度层面。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。 高性能复合材料 在航空航天、汽车制造等领域，对高性能复合材料的需求日益增长。通过前沿聚合技术，可以制备出具有优异力学性能和轻质特点的复合材料，满足这些领域对材料的苛刻要求。 生物医学材料 在生物医学领域，对仿生材料的需求也在不断增加。前沿聚合技术可以用于制备具有类似自然组织的力学性能和生物相容性的材料，为组织工程和再生医学提供新的解决方案。 智能材料 通过调控聚合物链的取向和排列，可以制备出对环境变化（如温度、压力或光线）敏感的智能材料。这些材料在传感器、执行器和自适应系统等领域具有广泛的应用前景。 环境应用 具有特定晶体结构的材料可以用于高效的分离膜或催化剂，用于水处理、空气净化和能源存储等领域。 END 总之，这项研究不仅在科学上展示了一种新的材料制造方法，而且在工程和工业应用上具有巨大的潜力。通过进一步的研究和开发，这种方法有望革新材料的设计和制造，为解决现实世界中的复杂问题提供新的解决方案。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。

在材料科学与工程领域，超轻晶格材料以其独特的结构特性和广泛的应用前景，一直是研究的热点之一。近期，香港中文大学宋旭教授研究团队携手新加坡国立大学翟玮教授及清华大学高华健院士，在《Advanced Science》期刊上发表了一篇题为《Imperfection-Enabled Strengthening of Ultra-Lightweight Lattice Materials》的研究论文。该研究通过高精度激光粉末床熔融技术（μLPBF），深入探讨了三大类晶格材料（板状、壳状和桁架状晶格）在不同相对密度下的失效行为，并提出了一种创新性的强化机制：通过引入几何缺陷抑制微结构局部屈曲从而提升超低相对密度下晶格材料的强度。 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202402727 随着科技进步和工业化发展，工业界和学术界对材料力学性能的要求日益提高，特别是在航空航天、汽车制造和生物医学等领域，对轻量化、高强度材料的需求尤为迫切。晶格材料作为一种具有周期性微结构的高级工程材料，以其低密度、高强度和优异的能量吸收能力，成为了轻量化设计的优选方案。 根据晶格材料的基本组成单元，研究人员可以将其细分为三大类：1) 杆件/桁架晶格（Truss Lattice）；2) 曲壳晶格（Shell Lattice）；3) 平板晶格（Plate Lattice）。 在强度设计层面，主流设计理念以“拉伸主导（Stretching-dominated）”为核心，旨在减少晶格结构中的弯曲变形与应力集中，确保材料主要以拉压状态承载，从而提升承载效率。在此设计原则指引下，传统理论认为，在相对密度接近0的情况下，平板晶格（Plate Lattice）有望达到理论强度极限，且三类晶格的强度排序依次为：板状晶格 > 壳状晶格 > 杆件/桁架晶格。然而，现有实验结果却显示，板状晶格在低相对密度状态下并未能达到预测值; 同时，这三类晶格材料的实际强度也与理论预测值存在明显偏差。 鉴于此, 香港中文大学宋旭教授研究团队通过高精度μLPBF技术，成功制备了具有广泛相对密度范围（1.0%-20.0%）的金属晶格材料，并首次系统性地揭示了晶格材料在单轴压缩载荷下的失效模式转变规律, 同时提出晶格材料的强度设计需要根据不同的失效模式做出适当的调整。在以结构屈曲为主要失效模式的超低相对密度范围内，需要提升晶格材料的稳定性才能提升其强度。他们提出了一种通过引入几何缺陷来抑制微结构局部屈曲从而增强超低相对密度下晶格材料强度的创新性设计方法，为超轻晶格材料的设计和应用提供了新的思路。 已报道相关研究中晶格材料相对强度与相对密度关系的(A)数值和(B)实验结果; (C)本研究采用高精度 µLPBF 技术制造的具有更广泛相对密度范围的板、壳和桁架晶格样品; (D)材料屈服到结构屈曲失效模式转变所导致的板、壳、桁架晶格强度排序变化; (E)引入几何缺陷所带来的抑制晶格微结构局部屈曲和提升晶格材料强度的效应 该研究的成功离不开高精度μLPBF技术的支持。LPBF粉末床熔融技术在工业上广泛应用于制造复杂、高精度的金属零件。它适用于航空航天、汽车、医疗、能源等领域，能够生产轻量化、高性能的部件，实现个性化定制，提高生产效率和产品质量，推动工业制造的创新发展。LPBF技术在制造金属晶格结构方面发挥了重要作用，占据了约 90% 的份额。μLPBF能够在50~100微米尺度上精确构建复杂的三维结构，为实现超低相对密度晶格材料的制备提供了可能。研究团队采用性能稳定的SS316L作为基材，通过设计多几何自适应打印策略，确保了基材性能的一致性和三类晶格结构的高制造保真度。 三类立方晶格和 µLPBF 制备的金属样品：(A) 选定的用于数值仿真的11种晶格; (B) Gyroid壳状晶格、(C) FCC 板状晶格、(D) SC 桁架晶格和 (E) Diamond壳状晶格，用于实验研究; (F) µLPBF高精度打印的微小金属花瓣 主要发现与结果 1. 失效模式转变 该研究发现，随着晶格材料相对密度的降低，其失效模式呈现出一种显著的转变趋势：从材料屈服逐渐过渡到结构屈曲。具体来说，在相对密度较高的状态下，晶格材料的主要失效模式为基材的塑性屈服；而当相对密度降至超低水平时，结构屈曲则成为主导的失效模式。这一屈曲失效现象导致晶格材料的强度随着相对密度的减小而迅速降低。然而，不同类型的晶格结构在失效模式转变的相对密度以及强度降低的速度快慢上存在明显差异，这些差异进一步影响了三大类晶格结构之间强度相对大小的变化格局。 实验测量和数值评估的Gyroid壳状, SC板状和SC桁架晶格的有效抗压强度与应力-应变曲线, 以及具有不同相对密度下的晶格强度排序 2. 弯曲应变能比例（BSER） 为了深入理解晶格材料的变形行为和失效机制，研究团队引入了弯曲应变能占比（BSER）这一关键参数。BSER定义为弯曲应变能与总应变能之比，能够量化晶格材料在变形过程中弯曲效应与拉伸效应的相对贡献。研究发现，随着压缩应变的增加，所有类型的晶格材料在低相对密度下均表现出BSER的显著上升，表明结构屈曲失效实际上是应变能从非稳态转变为稳态的过渡过程。特别地，壳状晶格由于其曲面几何特征，存在一定比例的弯曲应变能，在变形过程中反而表现出更高的稳定性和强度。 图 4. 超轻晶格材料的应变能分析和缺陷强化效应：具有不同相对密度的 (A) SC 桁架、(B) Gyroid 壳状、(C) Neovius 壳状和 (D) SC 板状晶格的 BSER，(E) 几何缺陷示意图和 (F) 有/无几何缺陷的晶格…