2024上半年3D打印技术Science、Nature正刊研究

随着2024年上半年的结束，发表于Science、Nature正刊与3D打印技术相关的研究为5篇，少于去年同期的8篇。本期，3D打印技术参考带大家回顾这些突破性进展。

1. Nature：中科院金属所“抗疲劳”3D打印钛合金

2024年3D打印技术领域第一篇Nature文章于2月27日发表。 来自中国科学院金属研究所的研究团队发表了题为“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。

2. Nature：每天打印100万个高精度定制微米级颗粒

2024年3D打印技术领域第2篇Nature文章于3月13日发表。斯坦福大学的研究人员以该校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。

这种可扩展的粒子生产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。该研究以“Roll-to-roll, high-resolution 3D printing of shape-specific particles”为题发表。

3.Nature：3D打印光敏树脂首次实现可循环使用

2024年3D打印技术领域第3篇Nature文章以“A renewably sourced, circular photopolymer resin for additive manufacturing”为题于5月15日发表，来自英国伯明翰大学和美国高分子创新研究所的团队开展了3D打印光固化树脂的可回收性研究。现有的光聚合物树脂在光引发剂的作用下遇到光刺激可快速发生交联反应，然而此过程往往不可逆，因此限制了打印部件的可回收性。

此次，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。

4. Nature：3D打印微尺度模具，制造无线植入式传感器

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，研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。相关研究 成果以"Injectable ultrasonic sensor for wireless monitoring of intracranial signals"为题在线发表于《Nature》杂志。（本部分来自摩方精密，引用已获授权。）

5. 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。

6. 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 alloy through 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。

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