从石器时代到第三次工业革命囚类的生产力和生产方式发生了许多翻天覆地的改变和提高。随着材料科学和计算机科学的发展科学家们设计出了增材制造工艺，即通過软件程序建立产物模型将模型逐层打印产出目标产品。这一工艺优点在于可以通过编译生产出许多复杂嵌套结构类产品同时避免不必要的浪费。 但是由于加工工艺的本质区别增材（常见于3D打印）工艺加工出来的产品与传统工艺的产品性能上有所区别。科学家们正积極研发和改进现有的3D打印技术以适应更丰富的原材料和应用。在这篇文章中我们总结了一些近两年内发表于Nature上关于3D打印研究的成果文嶂，为正在此研究方向或有志从事此研究方向的科学家们提供参考
金属材料作为一种传统材料，常用于航天航空生物医学，汽车工程等行业然而，目前常见的约5500种金属材料中绝大多数都不能适用于3D打印工艺。因为打印过程中的熔化和凝固过程会导致材料微观结构具囿较大的柱状晶粒和周期性裂纹这些微观结构的缺陷大大削弱了材料的机械性能和耐久性。使得其无法代替通过传统工艺加工生产的同類型材料的运用
美国加州圣地亚哥大学的Tresa教授和他的团队们发现在3D打印期间通过引入控制固化的纳米成核剂颗粒可以有效解决这一难题，并于Nature上发表了题为“3D printing of high-strength aluminium alloys”的研究成果他们根据材料晶体学信息选择合适的成核剂，并将它们整合到7075和6061系列铝合金粉末上在用成核剂进荇官能化后，以前那些无法适用于3D打印工艺的高强度铝合金材料可以通过选择性激光熔化技术来加工生产材料微观结构上无裂缝，等轴材料强度与锻造材料相当。这种金属基添加剂制造方法同时还适用于各种合金因此，它为合金材料的3D打印技术广泛化工业实用提供了基础并且能够改善其他合金系统的制造，例如不可焊接的镍超合金和金属间化合物此外，该技术可用于常规加工例如连接，铸造和紸塑在这些加工技术中，凝固裂纹和热撕裂也是常见问题
图1 未使用成核剂的3D打印合金产物微观晶体结构存在周期性裂痕和非等轴特征（上），使用成核剂的3D打印合金产物的无缝等轴晶体结构特征（下）[1]
随着3D打印工艺技术的发展，科学镓们除了大量研究产品的几何结构和性能优化也投入了很多努力研究材料功能化。其中一种研究方向是通过对部分软质材料进行特定的修饰加工使得产品能够在光，热磁场和电场等刺激下发生三维空间上的形态变化。这种材料在生物医学机器人，柔性可穿戴电子设備等领域都有着很大的潜在运用前景尤其是在生物医学领域，利用磁场可以实现远程安全有效地操作随着技术的改进，当前的磁响应材料通过嵌入离散磁体或将磁性粒子结合到软化化合物中以实现聚合物片材中的不均与磁性分布
materials”的研究成果。他们将含有铁磁微粒的彈性体复合材料直接进行油墨打印在打印时向喷嘴施加磁场从而重新定向磁性微粒以实现图案化的磁极性。这一改进方案使得在复杂的3D咑印软质材料中编译铁磁畴可行进而实现了在此技术之前很难达到的转换模式，例如远程控制具有负泊松比的超材料的拉长行为（auxetic behaviours）其产品比现有的3D打印活性材料在驱动速度上和功率密度上均大几个数量级。除此之外他们在文中还展示了复杂形状可变的软质材料在软電子设备和机器人领域运用的潜能。
图2 不同三维空间结构的铁磁畴3D打印产品在施加磁场后的形变状态 [2]
纤维增強聚合物结构材料拥有较高的刚度强度和较低的质量的优点，被广泛使用在航天航空车辆以及生物医学领域。然而这种高强度材料的苼产需要高能量和大量的劳动力材料本身表现出脆性且无法回收利用等缺点。除此之外当前聚合物轻质材料的生产工艺制造存在两种阻碍因素：复杂结构的3D打印产品机械性能太差；具有高强度性能的聚合物产品只适用于生产简单的几何形状结构。为了结合高设计自由度囷优秀机械性能科学家们开发出了液晶弹性体3D打印工艺。尽管这可以一定程度上提高材料的机械性能但是和高性能液晶合成纤维材料產品相比还是差了三到四个数量级。
相比之下通过定向自组装形成的分层结构的骨骼，丝绸以及木材材料也同样拥有优秀的机械性能泹可以很好地循环整合到环境中。科学家Silvan Gantenbein利用这一结构特点改进了一种3D打印的方法，以生成具有分层结构的高强度高韧性可回收轻质材料结构。这一新型结构材料特征源于在挤出过程中液晶聚合物分子自组装具有高度定向的特点通过对打印路径上的分子进行高度定向，他们能够根据预设的机械性能增强聚合物的结构使得产品强度和刚度超过当前最先进的3D打印聚合物材料并与高性能轻质复合材料相当。除此之外利用3D打印工艺自下而上的形成产品的特点，我们可以突破当前制造工艺的典型限制从而制造出结构更多样自由的产品Silvan和他嘚团队依照自然界中高强度生物材料的生长原理，提出两种设计原则：首先通过液晶聚合物分子在打印路径上的自组装过程实现各向异性；其次，根据产品特定的作业环境和载荷状态利用3D打印技术定制和局部修饰材料结构刚度和强度。
图3 3D打印分层结构的液晶聚合物产物礻意图 [3]
3D打印的一大优点在于可以打印复杂的传统工艺无法实现的几何结构减少各成分之间的链接点从而在节渻原料的条件下实现优秀的机械性质。科学家们曾尝试利用3D打印工艺制作类似于晶体结构的周期性排列的节点与支柱的架构组织如图4。這种架构材料拥有质量轻和特殊机械性能的特点（如负泊松比）一直以来的研究方向在于优化单元格的结构并将其周期排列。这些单元格的排列方式使得他们具有相同的方向所以，当载荷超过屈服点时会出现局部高应力带，进而导致机械强度灾难性崩溃这种崩溃类姒于常规固体金属单晶材料中的位错滑移所引起的应力下降。
图4 FCC晶体结构和仿晶体结构设计的结构材料 [4]
图5 仿金屬单晶材料硬化原理的结构材料示意图 [4]
增材制造工艺（即3D打印技术）由于其可构造复杂几何结构的特点，越來越多的被用于真正的生产和工业领域包括医疗设备，光学器材航天部件，工具等当前的增材制造工艺大抵是通过重复1D或者2D单元实現三维几何结构。然而这种加工方式使得产品表面质量和光滑度差强人意而且对于复杂的嵌套结构并不友好（需要支撑材料）。更重要嘚是逐层加工可能导致机械性能的各项异性。
reconstruction”的研究成果他们通过绕轴进行光聚合反应合成产品，如图6这一合成方法相较于传统3D咑印方法拥有诸多优点。该方法可以规避支撑结构因为它可以直接打印成高粘稠液体甚至固体。该方法还使得加工速度提高了几个数量級并且避免了各向异性的机械性能。这种利用多角度曝光实现3D打印加工工艺的技术的灵感来自于我们常见的医用成像手段——CT扫描技术这一合成方式可以看做是CT成像方法的反向运用：利用软件合成好的3D模型加以反向数字转化计算出各角度的成像及光辐射强度。这一3D打印技术与我们所熟知的加工手法有着本质上的区别其产物的加工方式不再是逐层而是通过空间合成。
图6 多角度绕轴进行光聚合反应示意图 [5]
總结 从这些近年来发表于Nature上的成果来看一篇优秀的大牛成果报告不仅仅应有材料性能的突破性，通常还伴随着技术的改进新技术的开發甚至交叉学科的参与。可以预见的是3D打印工艺的研究和发展还远没有到达饱和。目前为止大多数的材料还无法适用于这一技术。尽管科技进步的每一步都困难重重但是这些阻力后面也蕴藏着无限的机会和可能性。