3D打印可以有效地创建复杂的三维材料结构，在许多领域显示出巨大的应用潜力，如医学、电子学、机器人和航空航天。在打印材料、打印技术（速度、精度）等方面已经取得了许多进展。
《Nature》和《Science》期刊是在学术界享有盛誉的国际综合性科学周刊，发布的都是科学世界中的多次重大发现、重要突破和科研成果，3D打印作为近些年的热门技术，众多研究团队在上面发表过非常多与之相关的科研成果，南极熊整理了九篇2023年正刊相关文章。
一、《Science》:普适性的纳米材料3D打印新方法
清华大学化学系张昊副教授、李景虹院士、精密仪器系林琳涵副教授、孙洪波教授共同开发了一种普适性的纳米材料3D打印新方法，简称为3D Pin，通过引入光敏氮宾小分子，实现了多种无机纳米材料（半导体、金属、氧化物纳米材料）的纳米级3D打印，结构具有高的无机组分占比，并具有优异的力学性能与可调谐的光学性能。相关研究成果以题为《3D printing of inorganic nanomaterials by photochemically bonding colloidal nanocrystals》发表在《Science》上。
3D Pin工作原理：胶体纳米晶体由内部的无机组分与表面配体组成，其中配体通过空间位阻或电荷排斥作用使纳米晶体在溶液中保持胶体稳定性，起到重要作用。3D Pin通过光化学的方法，在胶体纳米晶溶液中添加少量小分子的双叠氮分子，用光引发氮宾生成与有机配体的非特异性C-H插入反应，实现纳米晶之间的强共价键连接。随着光源在溶液中移动，纳米晶经历了扩散-聚集-键合的过程，形成复杂的三维结构。叠氮分子具有特定波段的紫外吸收，可以通过相应紫外光的单光子吸收过程与长波的双光子吸收过程实现不同分辨率的打印，FTIR与XPS证实了该反应机理。这种非特异性的反应机理导致了该方法可以普适性地应用在各类胶体纳米晶体中。
全文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg6681
二、《Science》：石英玻璃3D打印工艺，免烧结！
来自德国卡尔斯鲁厄理工学院和加利福尼亚州立大学的研究人员开发了一种新的石英玻璃3D打印工艺，使用双光子聚合技术实现了自由形式熔融二氧化硅纳米结构的免烧结打印制造，这在3D打印领域引起不小的轰动。他们的研究已经发表在了《Science》上，题目为《A sinterless, low-temperature route to 3D print nanoscale optical-grade glass》(《一种无烧结、低温的3D打印纳米级光学玻璃的工艺》)。
该技术主要采用丙烯酸酯功能化的多面体低聚硅氧烷（POSS）树脂进行自由形态熔融二氧化硅纳米结构的无烧结、双光子聚合，以实现纳米结构的打印。与传统通过牺牲性粘合剂不同，这种POSS树脂本身构成了一个连续的硅氧分子网络，仅在650℃时就能形成透明的熔融石英。这个温度比将离散的二氧化硅颗粒熔化成连续体的烧结温度低500°C。
△熔融石英结构的显微照片
这种玻璃 3D 打印的新工艺为高科技应用、光子学和微光学开辟了许多有趣且具有前瞻性的可能性。POSS-玻璃 TPP 3D 打印路线可能有助于重新定义硅玻璃自由形式制造的范例，并克服主导该领域的基于粒子的方法的基本局限性：
●研究的关键创新在于开发的 POSS 树脂，与载有颗粒的粘合剂相反，它是自身聚合成连续的硅氧分子网络。因此，该材料避免了将离散二氧化硅颗粒烧结成连续体 所需的极端温度，从而仅在 650°C 时即可转化为熔融二氧化硅。
●基于 TPP 方法 ，通过将温度降低约 500°C，这使得二氧化硅玻璃的自由形式合成低于微系统技术基本材料的熔点，包括银、铜、金和铝。这代表了一项突破，使透明物质的片上 3D 打印从最先进的有机聚合物发展为弹性光学级熔融石英。
●POSS 玻璃工艺突破了临界分辨率限制，在可见光谱 中实现了自由形式的二氧化硅纳米光子器件，同时能够制造数百个微米尺寸的高纵横比结构。
原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq3037
三、《Science》：高精度3D打印有机硅
佛罗里达大学研究人员开发了一种有机硅 3D 打印技术，该技术可使用多种市售有机硅配方生产出精密、准确、坚固且功能强大的结构。为了达到这种性能水平，研究团队开发了一由硅油乳液制成种的支撑材料。这种材料对硅基油墨表现出的界面张力可以忽略不计，消除了通常会导致打印的硅树脂特征变形和断裂的破坏力。他们的研究内容已经发表在了顶刊《Science》上，题目为《A silicone-based support material eliminates interfacial instabilities in 3D silicone printing》。
研究人员通过使用被硅油连续相包围的密集乳液作为支持材料，用硅基材料 3D 打印出精确、独立、高度详细的物体。这种技术可以精确控制支撑材料和打印流体之间的界面张力。作者证明，他们可以打印小至4微米的特征，以及机械坚固、薄壁、精确的人体脉管系统模型。
打印油墨和其支持材料之间界面张力会对3D打印结构造成破坏性。研究结果表明，AMULIT技术的多功能性消除了为3D应用配制专门的PDMS油墨的需要，改进了以前的硅胶打印方法。AMULIT的关键在于配制与其支持的油墨化学性质相似的支持材料，在这种情况下，PDMS油墨被打印到PDMS油的连续体中，同样的原则也可用于水性聚合物。
油墨和支撑介质之间的化学性质相似，到两种材料之间的混合不会影响打印质量。此外，乳状液之间的弱的吸引力相互作用可能会使界面的另一侧发生反应。鉴于聚合物系统的多样性和可用性，以及AMULIT支持材料配方的简单性，AMULIT方法在3D打印中的应用范围将超越硅基设备。
原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade4441
四、《Science》：3D打印+机器学习——检测出孔隙的形成
美国弗吉尼亚大学Tao Sun团队开发出一种高精度的方法，可以利用机器学习从热特征中检测出孔隙的形成，实施这种孔隙形成跟踪有助于避免建造由于高孔隙率而导致失效的部件。通过同步高速同步x射线成像和热成像，结合多物理模拟，发现了Ti-6Al-4V激光粉末床熔合过程中的两种小孔振荡。进一步通过机器学习扩大了这种理解，实现了以亚毫秒级的时间分辨率和近乎完美的预测率来检测随机小孔孔隙生成事件，这一简单实用的策略有望在商业系统中得到应用。
相关工作以《Machine learning–aided real-time detection of keyhole pore generation in laser powder bed fusion》为题，于2023年1月5日发表在《Science》上，这也是2023年首篇发表在《Science》上有关3D打印的论文。
△Ti6Al4V随机孔隙的生成过程
全文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.add4667
五、《Nature》：视觉控制喷射(VCJ)技术
来自麻省理工学院、先进增材制造解决方案的先驱Inkbit™公司和苏黎世联邦理工学院的研究人员联合开发了一种新型 3D 喷墨打印系统，展示了如何使用其视觉控制喷射(VCJ)技术直接在一次打印中制造复杂的多功能系统，无需组装子组件，并且可使用更广泛的材料。他们所采用的视VJC技术利用计算机视觉自动扫描 3D 打印表面并实时调整每个喷嘴沉积的树脂量，以确保任何区域的材料适当。这项具有里程碑意义的研究以题为《Vision-controlled jetting forcomposite systems and robots》的论文于2023年11月15日发表在《Nature》杂志上。
Inkbit 的 VCJ 技术起源于传统的喷墨 3D 打印，现在通过集成支持 AI 的3D 计算机视觉扫描系统，实时捕获每层的打印几何形状，将其提升到一个全新的水平。这种数字闭环反馈控制操作消除了对机械平整装置的需求，并能够使用慢固化化学物质进行打印，从而更精确地构建聚合物链。因此，VCJ 可以直接准确、精确地打印具有各种机械性能的复杂、多材料零件。
这项技术的实际应用非常广泛。VCJ不仅增强了打印元件的分辨率和功能能力，它还可以制造复杂的通道和腔体内部网络，以通过结构传输信号、电力或流体。借助 VCJ，现在可以直接制造能够大规模执行复杂物理任务的复杂多功能系统。为了展示 VCJ 的功能，研究人员打印了各种复杂的系统，例如：根据 MRI 数据建模的肌腱驱动手、气动行走机械手、模仿心脏的泵以及新颖的超材料结构。
全文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06684-3
六、《Nature》：3D打印钛合金——α-β Ti-O-Fe合金，坚固、延展性和可持续！
南极熊获悉，香港理工大学科学家与皇家墨尔本理工大学和悉尼大学合作，成功利用3D打印解决了钛合金生产中长期存在的质量和废物管理等问题。这项研究以题为《Strong and ductiletitanium–oxygen–iron alloys by additive manufacturing》(《通过增材制造实现强韧性钛氧铁合金》)的论文发表在《Nature》杂志上。
△陈子斌博士
钛合金是先进的轻质材料，在许多关键应用中发挥着不可或缺的作用。研究团队发现，创新地使用增材制造来生产钛合金和其他潜在的金属材料具有许多优势，例如降低成本、提高性能和可持续废物管理。通过使用3D打印，研究团队生产出了一种新型的坚固、延展性和可持续的钛合金（α-β Ti-O-Fe合金）。这些性能是通过加入廉价且丰富的氧和铁来实现的，它们是α-β 相钛合金的两种最强大的稳定元素和强化剂。新型钛合金在多种应用中展现出巨大的潜力——从航空航天和海洋工程到消费电子产品和生物医学设备。
全文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05952-6
七、《Nature》：高通量打印梯度材料，在打印过程中可改变墨水混合比例
来自美国印第安纳州圣母大学航空航天与机械工程副教授Yanliang Zhang开发了一种新颖的3D打印方法，该方法通过在单个打印喷嘴中混合多种雾化纳米材料墨水完成打印，能够以传统制造方法无法实现的方式生产材料。这项研究以题为《High-throughput printing ofcombinatorial materials from aerosols》发表在《Nature》杂志上。
这种新的3D打印工艺被称为高通量组合打印 (HTCP)，它是通过在单个打印喷嘴中混合多种雾化纳米材料墨水完成打印，并且在打印过程中可改变墨水混合比例。HTCP方法可控制打印材料的3D结构和局部成分，并以微尺度空间分辨率生产具有梯度成分和特性的材料。
全文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05898-9
八、《Nature》：新型3D打印合金可承受极端条件
美国国家航空航天局(NASA)和俄亥俄州立大学的研究团队在3D打印高温材料方面取得了突破，这种材料可能会为飞机和航天器制造出更坚固、更耐用的部件。相关研究以《A 3D printable alloy designed for extreme environments》为题发表在《Nature》上。论文中详细介绍了新合金GRX-810的特性。GRX-810是在NASA的“TTT”项目下开发的，得到了该机构的研发计划支持。
△3D打印制作NASA标志。
GRX-810是一种氧化物弥散强化合金。换句话说，散布在合金各处的含有氧原子的微小颗粒增强了合金的强度。这种合金是制造用于高温应用的航空部件的极佳候选者，比如飞机和火箭发动机内部的部件，因为它们在达到断裂点之前可以承受更恶劣的条件。目前最先进的3D打印高温合金可以承受高达2000华氏度的温度。与这些相比，GRX-810的强度是它们的两倍，耐用性是它们的1000倍以上，抗氧化性是它们的两倍。
总之，研究人员提出了一种新的NiCoCr基ODS合金GRX-810的设计、表征和性能，与现有的AM合金相比，它在极端环境下具有优越的性能。在合金设计中使用计算建模产生了平衡性能和可加工性的成分，具有先进的表征，可以深入了解潜在的微观结构和机制。与目前使用的高温合金相比，GRX-810在1093°C下的蠕变性能有了数量级的提高，从而可以将AM用于极端环境下的复杂部件。
全文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05893-0
九、《Nature》：旋转多材料3D打印，将现有的打印细节拓展到了比“体素”更小的细节结构
南极熊3D打印网注意到，来自哈佛大学约翰保尔森工程与应用科学学院和威斯生物启发工程研究所的科研人员们将多材料和旋转两种要素结合并应用在了3D打印技术上，创造了一个新型的旋转多材料3D打印平台（RM-3DP），实现了3D打印细丝中的亚体素控制。并且利用这一方法制造了高保真度螺旋介电弹性体致动器，为研发功能性人造肌肉带来了可能性。另外，研究团队还制造了分层晶格，利用结构化的螺旋支柱在柔性框架中嵌入刚性弹簧，为仿生多功能材料开辟了新途径。
△亚体素制造
据了解，RM-3DP具备两个特征：
1. 具有方位异质亚体素特征的多材料喷嘴
2. 打印头配置了多个压力控制的墨水槽以及喷嘴自由旋转功能
RM-3DP的打印方式将熔融沉积与光固化两种模式结合，结构方面选取了FDM的龙门控制系统，而在打印材料方面则将聚二甲基硅氧烷（PDMS）或其他低聚物与光引发剂以及相应添加剂混合成为粘性“墨水”并通过紫外灯光实现材料固化。通过以上技术，研究团队能够在打印细丝内部制造具有垂直或者螺旋形状的亚结构，将现有的打印细节拓展到了比“体素”更小的细节结构。
全文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05490-7
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