3D打印技术的“行业问题”，中国科学家有了新突破！
原创 石畅 科普中国
在科技飞速发展的今天，3D打印技术如同强劲东风一般吹遍了各行各业。从复杂精密的机械零件到栩栩如生的产品模型，从梦幻般的建筑原型到个性化的生活用品，3D打印技术以其无尽的创造力和足够的灵活度，将想象照进现实，便捷人们生活的同时也给我们带来了惊喜。
3D打印技术的工作原理
3D打印技术又名增材制造技术，通过逐层堆叠材料构建三维实体，是一种创新的生产方式。其原理与盖砖房类似，可以简单概括为“分层制造，逐层叠加”。
3D打印流程并不复杂，首先通过计算机辅助设计软件创建或获取数字模型，然后将该模型切割成一系列非常薄的横截面层（即切片），每层切片厚度通常在数十微米到数百微米之间。接着，3D打印机根据这些切片信息，通过特定技术和材料，一层一层构建出最终物体。
3D打印工艺包括熔融沉积成型（FDM）、光固化3D打印（SLA、DLP、LCD）、选择性激光烧结（SLS）、选择性激光熔化（SLM）、立体喷墨打印（3DP）、叠层实体制造（LOM）。
正在工作的3D打印机。图片来源：图虫创意
熔融沉积成型技术（FDM）是将丝状的热塑性材料通过喷头加热熔化，逐层沉积在平台上，最终凝固成三维物体。该技术常用热塑性材料作原材料，如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）、聚乳酸（PLA）等，对设备要求较低，操作简便，适合个人和小型工作室使用。近期火爆玩具市场的“萝卜刀”“伸缩剑”等，就是通过这种方式做出来的。
光固化3D打印（SLA、DLP、LCD）利用特定波段和形状的光照射光敏树脂，光敏树脂通过逐层固化，生成所需形状的物体。该技术成型精度高，表面光滑，适合制作精细模型和小型零件。
选择性激光烧结（SLS）利用激光束扫描粉末材料，使其熔化并粘结在一起，逐层累积成三维物体。该技术以粉末为原材料（如尼龙、金属粉末、陶瓷粉末等），成型精度高，适合制造复杂结构的功能零件。
选择性激光熔化（SLM）激光能量更高，与选择性激光烧结（SLS）类似，能够完全熔化金属粉末，实现金属零件的快速成型。该技术常用金属粉末（如钛合金、不锈钢等）作原材料，可打印高强度、高精度的金属零件，广泛应用于航空航天、医疗等领域。
立体喷墨打印（3DP）以粉末状材料（金属或非金属）和粘合剂为原材料，利用粘结机理，逐层打印各部件。该打印技术的成型样品与实际产品具有相同颜色，是目前较为成熟的彩色3D打印技术。
叠层实体制造（LOM）以薄片材料（如纸片、塑料薄膜等）和热熔胶为原材料，通过激光切割和热粘合方式，逐层累积成所需物体。该技术成型速度快，材料成本低，适合制作大型结构和外壳。
尽管3D打印技术产品还原度较高，但受打印原材料的限制，3D打印产品具有较高脆性，受外力影响容易发生断裂。该类产品在应用于高机械性能需求场景中时，会显得有些“力不从心”。那么，如何改善3D打印产品的“玻璃心”，让其具有好看“皮囊”的同时兼具不易断裂的“柔韧性”呢？
2024年7月3日，中国科学家在《自然》（Nature）杂志上发表了一项关于3D打印弹性体的研究成果，利用该技术制备的橡皮筋能够被拉伸到自身长度的9倍，最大拉伸强度可达到94.6MPa，相当于1平方毫米可以承受接近10千克的重力，展现出超高的强度和韧性。
研究成果发表于《自然》（Nature）杂志。图片来源：《自然》（Nature）杂志
成型速度与成品韧性的“和解”
在光固化3D打印（SLA、DLP、LCD）过程中，提高生产效率需要较快的成型速度，这就导致了材料在固化过程中交联密度的上升和材料韧性的降低。常规方法之下，材料韧性增加的同时，材料黏度也会增加，这会导致流动性降低，成型速度下降。3D打印的成型速度和成品韧性之间的矛盾，一直以来都困扰着整个行业。
中国科学家让这两个矛盾点得到了“和解”。研究者通过对光固化3D打印原材料光敏树脂的分析和打印过程的拆解，提出了进行分阶段打印和后处理的策略。研究者设计了一种二甲基丙烯酸酯的DLP（数字化光处理）前驱体，该前驱体的主链上含有动态受阻脲键和两个羧基。在打印成型阶段，这几个关键组分处于“休眠”状态，在成型后处理阶段发挥了增韧的作用。
a.3D打印的物体及其在后处理过程中的尺寸变化；b.3D打印气球的抗穿刺性能；c.机械穿刺力的建模；d-e.3D打印气动夹具提重物测试。图片来源：参考文献[1]
在90℃后处理阶段，3D打印成品中的受阻脲键解离生成了异氰酸酯基团，该基团一方面与侧链羧基生成酰胺键，另一方面与羧酸吸附的水反应生成脲键。分子内部发生的化学键变化将材料中单一的网络结构连接成类似于“手拉手”的互穿网络结构，带来了更多的氢键，材料内部结构得到强化。正是由于材料内部结构的变化，3D打印成品在受到外力发生形变时，具备了更大的缓冲空间，类似于车辆碰撞时的吸能效果，提高了产品的抗冲击和抗断裂能力，具有更高的韧性。
实验结果表明，利用DLP前驱体进行3D打印制备的厚度，仅有0.8毫米的薄膜表现出极强的抗针刺性能，使其能够在74.4牛顿的作用力下不发生破裂。即使在高压充气条件下，3D打印的气动夹具仍然能够在不破裂的情况下抓起表面有锋利刺、重达70克的铜球，这展示了3D打印产品超高的韧性和结构强度。
3D打印弹性体的广泛应用
在运动装备领域，3D打印弹性体为运动员提供个性化、高性能装备。例如，定制化鞋垫和防护装备利用弹性体的减震和支撑特性，能够优化运动员运动表现并提升穿着体验。特别是在极限运动和高冲击运动中，3D打印的弹性体材料可以显著减少运动员在运动过程中受到的冲击，保护其关节和肌肉免受损伤。
在汽车与航空航天领域，3D打印弹性体被用于轻量化减震部件和密封圈等关键组件。这些部件通过复杂的结构设计，既能减轻重量又能保持高性能。
在电子产品领域，智能音箱、智能手环、手机保护套等产品都可以采用弹性体材料进行打印。这些产品不仅具有优良的柔软度和弹性，还具备较高的耐磨性和耐用性，能够满足消费者对产品外观和性能的多方面需求。
在工业制造领域，3D打印弹性体技术被用于制造各种工业模具和传动带等部件。这些部件需要承受较大的机械应力和振动，而弹性体材料以其优异的弹性和抗疲劳性能成为理想的选择。通过3D打印技术制造这些部件，不仅能提高生产效率，还能降低制造成本。
3D打印弹性体技术的问世，进一步扩展了3D打印产品的使用场景，给我们的生活带来了更加丰富多彩的可能性。
参考文献
[1] Fang, Z., Mu, H., Sun, Z. et al. 3D printable elastomers with exceptional strength and toughness[J]. Nature,2024.
[2] Walker, D. A., Hedrick, J. L. & Mirkin, C. A. Rapid, large-volume, thermally controlled 3D printing using a mobile liquid interface[J]. Science,2019.
[3] 张学军,唐思熠,肇恒跃等.3D打印技术研究现状和关键技术[J].材料工程,2016.
[4] 黄健,姜山.3D打印技术将掀起“第三次工业革命”？[J].新材料产业,2013.
策划制作
出品丨科普中国
作者丨石畅 物理化学博士
监制丨中国科普博览
原标题：《3D 打印技术的“行业问题”，中国科学家有了新突破！》
(责任编辑：admin)
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