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，今天我们一起回顾一下2023年迄今为止发表在《Science》和《Nature》上的突破性进展。

《Nature》：专为极端环境设计的新型3D打印合金

4月19日，NASA技术团队在Nature发表了关于最新开发的GRX-810超级合金的相关研究，涉及其微观结构、机械性能以及与当前同类型增材制造合金的比较。这是一种采用热力学计算和3D打印协同开发的具有突破性性能的新型高温合金，NASA团队目前已经成功采用粉末床熔融工艺实现了其制造，而与新材料开发相关的3D打印工艺则多是采用激光能量沉积。

该材料展示了在1093°C下与广泛使用的增材制造传统多晶变形镍基合金增强两倍的强度和抗氧化性，以及提高了1000 多倍的蠕变性能。这种合金的成功开发显示出与过去的“试错”方法相比，模型驱动的合金设计能够使用更少的资源实现更佳的材料组分组成，展示了利用弥散强化与增材制造工艺相结合的未来合金开发将加速革命性材料的出现。

《Nature》：3D打印钛合金

皇家墨尔本理工大学Ma Qian教授和悉尼大学Simon P. Ringer教授将合金设计与3D打印相结合，展示了一系列具有优异拉伸性能的钛-氧-铁合金。丰富的氧气和铁以及简单的工艺使钛-氧-铁合金对各种应用具有吸引力，也为目前作为工业废料的非等级海绵钛或海绵钛-氧化铁的工业规模使用提供了方向。相关工作以“Strong and ductile titanium–oxygen–iron alloys by additive manufacturing”为题，于2023年5月31日发表在《Nature》上

《Nature》高通量打印梯度材料

美国圣母大学张艳良教授团队报告了一种高通量的组合打印方法，能够以微观空间分辨率制造具有成分梯度的材料。在气溶胶阶段进行原位混合和打印，可以即时调整各种材料的混合比例，这是使用液-液或固-固阶段的原料进行传统多材料打印时无法实现的重要特征。作者展示了各种高通量的打印策略和在组合掺杂、功能分级和化学反应方面的应用，使掺杂硫族化物和具有梯度特性的成分分级材料的材料探索成为可能。将增材制造的自上而下的设计自由与自下而上的对局部材料成分的控制结合起来的能力，有望开发出传统制造方法所无法达到的成分复杂的材料。相关工作以“High-throughput printing of combinatorial materials from aerosols”为题，于2023年5月10日发表在《Nature》上（中国青年学者一作！美国圣母大学张艳良教授团队《Nature》：在气溶胶阶段高通量打印梯度材料！）。

《Nature》子刊：多材料3D打印自锁厚板折纸超材料

厚板折纸，在工程应用中具有巨大潜力。然而，当前设计方法创建的厚板折纸由于制造方法低效，不能被轻松地应用于结构应用中。

在此，4月23日，来自香港城市大学&南方科技大学的研究者，报道了一种设计和制造策略，用于创建具有优异可折叠性和能够承受循环载荷的厚板折纸结构。相关论文以题为“Multimaterial 3D printed self-locking thick-panel origami metamaterials”发表在Nature Communications上。研究者报告了一种基于FDM多材料3D打印技术的制造和设计方法，用于创建具有厚板的折纸结构。这种折纸结构不仅可以折叠，而且能够支撑大量的载荷并承受循环载荷下的压缩应变。通过在FDM多材料3D打印机上采用一种特殊的制造策略，我们成功地将刚性面板与高度可拉伸的软部件相结合，从而创造出一种可以超过100次折叠而不脱粘的厚板折纸结构。

《Nature》：旋转多材料3D打印

哈佛大学Jennifer A. Lewis团队设计了一种旋转的多材料3D打印平台，可以控制3D打印细丝实现异质螺旋亚三维结构。通过控制连续旋转多材料喷嘴角速度与平移速度比，可以在给定的圆柱体细丝中创建了具有可编程螺旋角度、层厚度和界面面积的螺旋丝亚三维结构。利用这种打印方法，在介电弹性体基体中嵌入了导电螺旋通道，实现了可灵活调控的功能性人造肌肉。相关工作以“Rotational multimaterial printing of filaments with subvoxel control”为题，于2023年1月18日发表在《Nature》上（简单改进，3D打印又一篇Nature!）。

《Science》：低温无烧结纳米级透明玻璃技术

4月1日，加利福尼亚州立大学的J. Bauer团队提出了一种无需烧结，低温实现3D打印硅玻璃的技术，可以实现复杂的透明熔融石英玻璃纳米结构的制造。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。与上文提到了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。该工作以题为“A sinterless, low-temperature route to 3D print nanoscale optical-grade glass”的文章发表于Science上。

《Science》：高精度3D打印有机硅

美国弗罗里达大学Thomas E Angelini团队开发了一种由PDMS为基材的3D打印精确、复杂细节结构的方法。该方法主要采用一种由硅油乳液制成的支撑材料，这种材料对有机硅油墨的界面张力可以忽略不计，消除了经常导致印刷有机硅特征变形和断裂的破坏性力量，这种方法在文中被称为为超低界面张力的增材制造。这种方法的多功能性使得能够使用成熟的有机硅配方来制造直径小至8微米的复杂结构和特征。通过调整这种支撑材料的弹性和流动特性实现了高性能打印，能够制造出复杂的形状，例如脑动脉瘤模型和功能性三叶心脏瓣膜。通过使用几种不同的市售PDMS配方来打印各种结构，证明了该打印技术不需要专门的油墨。在深入的研究后，发现打印的3D打印结构比模制结构更具可扩展性并且机械性能良好。相关工作以“A silicone-based support material eliminates interfacial instabilities in 3D silicone printing”为题，于2023年3月23日发表在《Science》上（最新Science：高精度3D打印有机硅！）。

《Science》：3D打印+机器学习

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。

文章来源： 高分子科学前沿，3D科学谷，材料material，3D打印技术参考