3d列印技術只是增材製造的一種（洞悉微3D列印-增材製造技術的別有洞天）

2023-09-14 20:59:12

一般來說，在製造業中，大多數創新都是圍繞生產大型 3D 列印零件的能力而發展的。然而，隨著電子、生物技術、汽車和航空航天領域對小型化設備的需求不斷增長，人們對微增材製造技術的興趣與日俱增。那麼，小零件的市場有多大呢？本期，結合Nanoscribe的業務發展經理 Jörg Smolenski的分析，3D科學谷與谷友一起來洞悉微增材製造技術的基本原理和不同類型，以及微增材製造技術有助於市場向前發展的主要優勢和需要改進的領域。

微3D列印技術

© NanoScribe

微小世界的不可替代

微增材製造一詞通常與3D微細加工或高精度增材製造互換使用，但實際上，它們並不是確切的同義詞。通常，增材製造更多指的是工業製造環境，3D微細加工是描述所有方法的通用術語，例如在 MEMS 製造中非常普遍和廣泛使用的光刻方法（這是一個巨大的成熟市場，並且方法非常成熟）。還有許多其他 3D 微加工方法，例如用於微流體的方法、基於電子束光刻的數字方法等等。

為了說明微型增材製造技術的地位，假設在 3D 列印中，首先構建一個零件並通過點陣列進行數位化描述，其中一個點（即體素）代表一個最小列印單元。體素尺寸範圍從納米級到宏觀級。因此，微型 3D 列印過程需要使用微米或亞微米級體素，這對於微型產品的製造至關重要。因此，微型 3D 列印一詞是指製造超高精度、微小的零件，這些零件的形狀是使用微注塑工藝和其他類型的傳統製造工藝無法實現的。

根據3D科學谷，在3D列印技術的發展中有兩個不同方向的聚焦點，其中一個聚焦點是大幅面3D列印技術。另一個聚焦點是微觀方面的，即能夠製造精密、微細器件的3D列印技術。微納3D列印能製造複雜、精細的器件，這是3D列印技術優勢的體現，或將顛覆精密器件製造業。

微小的力量正在改變世界！3D科學谷曾分享過微米級3D列印公司Cytosurge的核心技術來源於蘇黎世ETH Zurich理工大學，基於其專利的FluidFM技術開發，製造和銷售創新型高精度納米技術金屬3D印表機，該技術代表流體力顯微鏡技術，並擁有許多在生命科學和生物物理學中的應用。

國內，西湖未來智造的微米級精度的三維精密製造技術，通過將金屬、陶瓷、磁性材料、聚合物等集成處理應用，彌補電子、光學領域精密加工中百納米至百微米的市場空白。

當零件以個位數微米測量到 5 微米的層厚和 2 微米的解析度時，進入到處理微型 3D 列印過程。有趣的是，一些微增材製造工藝可以製造以納米 (nm) 為單位測量的部件，比一微米小 1,000 倍。為了更好地可視化這種級別的微製造是什麼樣的，舉例來說人們通常會記住，人類頭髮的平均寬度為 75 微米，而人類 DNA 鏈的直徑為 2.5 納米。

在小型化中，對外形尺寸的控制至關重要，微3D列印可以實現「下一個級別」的小型化。具體來說：電子、光學、半導體、醫療設備、醫療工具、微注塑、微流體、傳感器這些應用是微3D列印發揮獨特價值的領域。

譬如，高精度3D生物列印能夠為組織工程、用於細胞研究的定製支架，並適用於許多其他需要精度、速度、材料多樣性和無菌性的創新生物醫學的微環境。3D微細加工可以使生命科學研究更接近再生醫學的概念，以治療該領域的疾病。例如，波士頓大學的科學家通過雙光子聚合 (2PP) 製造的微流控晶片平臺開發了一種柔軟且具有機械活性的細胞培養平臺，用於在可定製的3D微環境中研究心肌組織。這種細胞培養平臺允許心臟組織在3D環境中生長，並且可以在晶片垂直壁上的細胞附著位點觀察其自組裝。集成的電子傳感器測量培養的心臟細胞收縮產生的力。此外，研究人員在晶片中集成了一個機械執行器，藉助這種致動器，科學家們研究了恆定和動態機械應變對心臟組織的影響。可以期待微3D列印在組織工程、細胞生物學和再生醫學中的許多其他令人興奮的應用。

Quantum X 的集成雙光子灰度光刻 (2GL®) 及其基礎體素調諧技術能夠製造具有亞微米形狀精度和小於 5 納米 (Ra) 表面粗糙度的 2.5D 微結構。

© NanoScribe

一般來說，我們認為 10 微米及以下是微增材製造。當然，如果所有這些都在 1-3 微米範圍內，那麼這就是 micro-AM最準確的定義了。

就像有幾種類型的 AM 工藝一樣，也有各種類型的 micro-AM 工藝，包括：熔絲沉積 (FFD)、直接墨水書寫 (DIW)、直接能量沉積 (DED)、層壓物體製造 (LOM)、電流體動力氧化還原列印 (EHDP)、粉末床熔融 (PBF)、基於光聚合的 3D 列印 (P3DP) 和雷射化學氣相沉積 (LCVD)。

微3D列印技術

© 3D科學谷白皮書

基於樹脂的微型 3D 列印工藝由於其在解析度、質量、再現性和速度方面的優勢，目前是市場上最受認可的工藝。此外，DED 和 EHDP 可以實現更高的解析度。然而，與這些工藝相關的昂貴成本和低製造率限制了它們的應用。然而，由於解析度有限，它們在實現小型高精度零件或結構方面仍然存在局限性。

與這些方法相比，Nanoscribe的2PP能夠製造低至100納米的最小特徵尺寸。根據研究，新型光學方法的發展導致了微增材製造工藝的進步，特別是基於光聚合的3D列印工藝。據專家介紹，使用波長較短的光源（例如 UV 光束）和具有較高 NA（數值孔徑）的物鏡可以實現更高的解析度——這通常是 micro-AM 中最突出的挑戰之一。

與基於熱處理和層壓的其他方法相比，光學方法使相鄰體素的連接更牢固。光固化等後處理步驟也有助於提高 3D 列印部件的質量。最後，報告稱，由於加工區域和照明系統之間的非接觸方式，加工原料的雷射光斑或光學圖案有助於提高穩定性和可重複性。

話雖如此，最廣為人知的微增材製造工藝包括 DLP、微立體光刻 (μSLA)、投影微立體光刻 (PμSL)、雙光子聚合（2PP 或 TPP）、基於光刻的金屬製造 (LMM)、電化學沉積和微尺度選擇性雷射燒結 (μSLS)。

直接光投射 (DLP) 技術

DLP 技術通過將 DLP 與自適應光學器件的使用相結合，能夠實現可重複的微米級解析度。與通常被稱為非常相似的 SLA 的主要區別之一是 SLA 需要使用雷射來跟蹤一層，而 DLP 使用投影光源一次固化整個層。

微立體光刻 (μSLA)

同樣基於光誘導層堆疊製造，微立體光刻 (MPuSLA) 用於通過將光敏聚合物樹脂暴露於紫外雷射來構建物理組件。

投影微立體光刻 (PμSL)

PμSL 是一種基於區域投影觸發光聚合的高解析度（高達 0.6 μm）3D 列印技術，能夠製造覆蓋多個尺度和多種材料的複雜 3D 架構。基於此過程的機器通常被認為結合了 DLP 和 SLA 技術的優點。由於其可負擔性、準確性、速度以及加工聚合物、生物材料和陶瓷的能力，該工藝迅速發展。

基於光刻的金屬製造

在光敏樹脂中均勻分散後，金屬粉末隨後通過用藍光曝光選擇性聚合。3D列印的生坯部件隨後在爐中進行燒結獲得緻密的零件。

雙光子聚合（2PP 或 TPP）

這個過程通常被認為是微型 3D 印表機中精度最高的。2PP 是一種直接雷射寫入方法，無需昂貴的掩膜生成和多次光刻的使用即可工作3D 和 2.5D 微結構的步驟。可以說2PP 在無掩模光刻和高精度增材製造之間發揮了全部潛力。

根據3D科學谷的市場了解，目前2PP 推進了晶圓級平面基板上零件的微製造，例如，在光纖、光子晶片和內部密封的微流體通道應用領域。

2PP需要專用的光敏樹脂，以便於處理、實現最佳解析度和形狀精度，並為不同的應用量身定製。目前，基於雙光子聚合的高精度 3D 列印非常適合應用設計的快速原型製作，以用於生物醫學設備、微光學、微機電系統 (MEMS)、微流體設備、光子封裝（例如 PIC）、表面工程項目等。晶圓處理能力使3D微型零件的批量處理和小批量生產比以往任何時候都更容易。

電化學沉積

電化學沉積是一種罕見的不需要任何後處理的微型 3D 列印技術。該過程使用一個稱為離子尖端的小列印噴嘴，並將其浸入支持電解質浴中。調節的氣壓推動含有金屬離子的液體通過離子尖端內的微通道。在微通道的末端，含有離子的液體被釋放到列印表面上。然後將溶解的金屬離子電沉積成固體金屬原子。後者隨後成長為更大的構建塊（體素），直到零件形成。

微尺度選擇性雷射燒結 (μSLS)

這種基於粉末床融合的增材製造也稱為微米級選擇性雷射燒結 (SLS)，包括在基材上塗上一層金屬納米顆粒墨水，然後將其乾燥以生成均勻的納米顆粒層。此後，雷射將納米顆粒燒結成所需的圖案。然後重複該過程，直到創建零件。

令人著迷的小零件

隨著新處理技術的進步，例如雙光子灰度光刻 (2GL ®) 以及市場上出現的更高功率雷射與改進的硬體（例如載物臺和掃描儀）的結合，微增材製造的現狀發生了變化。相比之下，其他更為傳統的增材製造技術，如 DLP、SLA 和投影微立體光刻 (PμSL) 只能製造更大的結構，然而，當涉及到高解析度（<1 微米）3D微加工時，它們會遇到幾何限制。由於紫外光的固有直接照明，解析度和設計幾何形狀受到限制。

根據3D科學谷的市場觀察，藉助最近推出的 Quantum X align，Nanoscribe為光子封裝提供了一種新穎的工業解決方案。通過組件級而不是晶片級的模式場匹配來減少耦合損耗。具有納米精度自動對準的高精度 3D列印推動了直接在光子晶片和光纖芯上製造微光學元件，並直接在適當位置列印自由曲面微光學元件或衍射光學元件 (DOE)，從而促進光子平臺上的優化光學耦合。

Nanoscribe 專有的雙光子灰度光刻 (2GL ®) 顯著加快了用於光學應用的 2.5D 結構的高精度微加工，例如具有最高形狀精度和光學級表面（Ra ≤ 5 納米）。為了進一步擴大生產規模，Nanoscribe 已經與 EV Group 和 kdg opticomp公司一起試行了兩種可靠且經過驗證的複製策略。

與任何 3D 列印過程一樣，微型3D列印允許其用戶從設計自由中受益。光子集成、光學計算和數據通信領域的一個挑戰是推進光子組件的對齊和封裝。專門的基於硬體和軟體的3D列印解決方案可以實現高效的微光耦合。

與通過傳統製造工藝製造的相同零件相比，製造一個小零件的速度是令人著迷的。隨著小型化微型產品的進步，微3D列印適用於所有處理小型和精密零件的行業。傳統上製造小零件的成本一直很高，而微增材製造現在正在提供更便宜且易於使用的解決方案。

知之既深，行之則遠。基於全球範圍內精湛的製造業專家智囊網絡，3D科學谷為業界提供全球視角的增材與智能製造深度觀察。有關增材製造領域的更多分析，請關注3D科學谷發布的白皮書系列。

網站投稿 l 發送至[email protected]

雷射增材製造技術從原理上突破了傳統構件的結構設計和製造模式，能夠實現複雜形狀金剛石工具精密成形。然而，在雷射增材製造過程中，金剛石極易受到雷射直接輻照和熔池瞬時高溫的影響而造成熱損傷。因此，金剛石的熱損傷控制是雷射增材製造能否廣泛應用於金剛石超硬複合材料製備的先決條件和關鍵因素。

中南大學粉末冶金國家重點實驗室、河南黃河旋風股份有限公司等單位的學者對於雷射粉末床熔融增材製造金屬基金剛石複合材料中的金剛石磨粒熱演化和石墨化進行了研究。相關成果發表在國際著名期刊Virtual and Physical Prototyping上。

本期谷.專欄，將分享這一研究的研究背景、研究亮點、研究結果，以及這項研究對於我國複雜形狀金剛石工具製造與高端金剛石超硬製品製造領域的意義。

相關研究論文連結：

https://doi.org/10.1080/17452759.2022.2121224

該論文共同第一作者為馬青原、彭英博，第一完成單位為中南大學，通訊作者為中南大學張偉副研究員。

研究背景

超硬工具製品在硬、脆等難加工材料的精密、高效、節能製造等方面具有不可替代的作用。金剛石作為最硬的材料，其工具製品（包括鑽具、刀具和磨具），佔超硬工具的總量80%以上。我國合成金剛石顆粒總產量佔世界的95%以上，原料品質已達到國際先進水平。然而，我國高端金剛石工具製品仍然不能完全滿足高精密、長壽命等加工要求。

當前金剛石複合材料領域的主要技術瓶頸在於：工具製品結構-功能一體化設計與製造技術亟待提升，現有結構形狀較簡單、加工效率低，缺少如多孔體、內流道等複雜形狀結構，金剛石磨粒有序排布、材料成分梯度分布等特殊微結構，以提升容屑、冷卻、緩解應力的功能。結構-功能一體化是提高金剛石工具加工性能的重大發展方向。增材製造技術從原理上突破了傳統構件的結構設計和製造模式，能夠實現複雜形狀金剛石工具精密成形。加強高性能金剛石工具製品增材製造技術的研發，推動金剛石行業技術升級和結構調整，是支撐國家發展戰略順利實施的重大任務。

雷射增材製造技術是增材製造技術中最具代表性的一類，在增材製造技術領域扮演著重要的角色。近年來，國內外學者及研究機構圍繞金屬基金剛石複合材料雷射增材製造方向開展了較為豐富的探索性研究工作，並取得了一系列成果。

目前的研究熱點主要圍繞內結構成形、工藝參數優化、界面組織結構演化以及基礎力學性能評價等方面展開。然而，在雷射增材製造過程中，金剛石極易受到雷射直接輻照和熔池瞬時高溫的影響而造成熱損傷。因此，金剛石的熱損傷控制是雷射增材製造能否廣泛應用於金剛石超硬複合材料製備的先決條件和關鍵因素。有部分研究表明，雷射增材製造會導致金剛石出現熱損傷，主要形式為金剛石磨粒表面的石墨化轉變。過度的石墨化轉變將嚴重影響金剛石顆粒強度及複合材料的綜合力學性能。但是截止目前，金剛石磨粒在雷射增材製造中的熱演化過程，以及誘導金剛石表面石墨化轉變的主要原因與機理卻鮮有報導。

基於以上背景，中南大學粉末冶金國家重點實驗室、河南黃河旋風股份有限公司等單位的學者，圍繞高能雷射束和高溫熔池兩個影響列印過程中金剛石石墨化行為的關鍵因素，選取典型的金剛石工具用金屬結合劑CuSn10粉末，採用粉末床熔融（Powder bed fusion- laser beam，PBF-LB）技術製備了CuSn10-金剛石複合材料。該研究團隊利用ANSYS有限元模擬軟體，首次重現了PBF-LB過程金剛石磨粒的熱演化過程，並結合實驗驗證了該過程中石墨化轉變的溫度閾值，建了「PBF-LB工藝-磨粒溫度-石墨化程度-力學性能」的定量關係模型，該研究為金屬基金剛石複合材料的雷射增材製造工藝設計與結構-性能相關性預測提供了一個很好的策略和路徑。

研究亮點

該研究團隊所開展的工作包括以下幾個研究亮點：

圖文導讀

圖1 金剛石顆粒的溫度場分布狀態

圖2 不同工藝下金剛石顆粒的最高溫度-時間變化曲線

圖3 不同溫度下金剛石顆粒微觀結構：無石墨化、輕微石墨化和嚴重石墨化區域分別對應紫色區域1、綠色區域2和紅色區域3

圖4 不同溫度下複合材料界面元素擴散特徵：(a)1242.1℃；(b)1539.4℃；(c)1891.1℃

圖5 PBF-LB製備CuSn10-金剛石複合材料示意圖：(a)混合粉末床；(b)雷射直接輻照金剛石；(c)高溫熔池接觸金剛石

研究結論

在金剛石超硬複合材料的雷射增材製造中，金剛石和粉末材料參數以及雷射工藝參數是影響其成形質量的主要因素。金剛石具有優良的導熱性能，它會改變合金熔體的局部導熱能力和溫度分布，從而影響熔池形態、金剛石附近的微觀組織和成形質量。此外，由於金剛石高溫熱穩定性較差，當與高溫熔池接觸時，容易發生氧化、石墨化、化學侵蝕等熱損傷。因此，建立一個定量關係來準確評價金剛石磨料的熱損傷行為及其相關的微觀組織-性能特徵，為工藝參數與成形之間的關係提供基礎支撐，是極其重要的。

研究發現：(1)熔池移動進程中金剛石磨粒溫度呈現兩個峰值，分別對應金剛石磨粒與熔池部分接觸和完全浸入熔池時刻。此外，不能簡單地基於雷射能量密度來評價金剛石狀態，雷射能量密度與熔池（金剛石磨粒）溫度並非呈線性關係。(2)PBF-LB雷射能量輸入遠小於金剛石石墨化的理論燒蝕閾值，因此金剛石石墨化不是雷射直接照射引起的，而是高溫熔池的熱效應所致。CuSn10 -金剛石複合材料在PBF-LB過程中石墨化的臨界溫度為1491.6℃。(3)複合材料的磨損性能隨石墨化程度的增加而降低，摩擦係數由0.62增加到0.75，磨損深度由97.16μm增加到118.29μm。磨損機理隨石墨化程度的增加呈現磨粒磨損→粘著磨損/磨粒磨損→三體磨損/粘著磨損的顯著變化。

展望與未來

增材製造技術從原理上突破了傳統構件的結構設計和製造模式，能夠實現複雜形狀金剛石工具製品精密成形。通過增材製造技術的不斷創新，實現複雜形狀金剛石製品的製備和高性能化，有效解決複雜結構金剛石超硬材料製品效率低、精度差、服役壽命短、加工難度大的難題，大幅提升金剛石複合材料工具製造對重大加工需求的靈活設計、快速反應和生產能力，降低研發成本，縮短製造流程和周期，提高產品服役性能，從而加快改變我國高端金剛石超硬製品長期依賴進口的被動局面，提升我國高性能金剛石製品的研發能力，支撐高端製造業和相關產業的發展，解決國民經濟和國防建設的重要需求。

上述研究得到了國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金區域創新發展聯合基金項目、湖南省自然科學基金的支持。據悉，論文作者團隊主要來自中南大學劉詠教授課題組和黃河旋風股份有限公司研發中心。近年來，合作雙方致力於超硬複合材料領域高熵合金粘結相材料及異質界面結構設計與強韌化調控、新型增材製造及塗層技術的研發，在國內外權威期刊已發表多項成果【DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2019.105109】、【DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.157023】、【DOI: 10.1016/j.matdes.2022.110522】。

l 谷專欄 l

The following article is from 複合材料力學 Author 檸檬樹

地球上有許多生物系統經歷了數千年的進化來完善其結構，每個系統都極大地利用了不同的環境。此外，生物結構通常可以演變成某些與功能相關的模型。然而，自然模型中複雜的微結構構造超出了傳統製造方法的製造能力。這種限制阻礙了對仿生設計的進一步研究和應用探索。增材製造 (AM) 或 3D列印工藝的出現提升了設計自由度，同時具有材料浪費最小化、可大規模定製、幾何結構複雜、快速原型製作以及製造複雜微/細觀結構的能力，徹底改變了現代製造模式。

©3D科學谷白皮書

仿生結構的範圍涉及植物、動物和昆蟲, 其複雜結構可以通過 3D 列印技術予以實現 (圖 1）。例如，龍蝦爪中的Bouligand結構會通過增加裂紋擴展的難度來有效提高材料的韌性和抗衝擊性。輕木結構中的排列纖維可提高強度，進而提高抗風能力。天然珍珠層中的實體結構通過裂紋偏轉和能量耗散提高了抗衝擊性。

圖 1.示意圖顯示了仿生結構。(A)龍蝦爪的布氏結構 ( Yang et al., 2017 )；(B)輕木中的排列纖維；(C)天然珍珠層中的實體結構（Tran 等人，2017 年）。

武漢大學人民醫院骨科、聖地牙哥州立大學機械工程系、南加州大學維特比工程學院莫克家族化學工程與材料科學系和凱克醫學院羅斯基眼科研究所等單位的研究團隊，對於具有增強性能，尤其是機械性能提升的仿生3D列印材料的最新進展進行了研究，相關成果以標題為「Rapid Recent Advancements in Biomimetic 3D Printing Materials With Enhanced Mechanical Properties」 發表在材料前沿期刊《Frontiers in Materials》。本期谷.專欄將結合這篇論文, 洞悉單一材料、多材料3D列印仿生結構的發展。

論文連結：

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmats.2021.518886/full

單一材料

業界對使用單一材料的仿生結構3D列印技術進行了廣泛的研究。材料可以是不同類型的聚合物、金屬、陶瓷等。使用 3D 列印的仿生結構在增強單一材料的機械性能方面發揮著重要作用。

1. 蜂窩結構

六角蜂窩的仿生結構已應用於多個工程相關領域。使用聚乳酸 (PLA) 作為單一原材料，通過熔融沉積成型 (FDM) 製造厚蜂窩結構，該工藝通過使用加熱的列印噴嘴直接擠出材料來完成（圖 2A）。

使用與蜂窩類似的方法，製造並在壓縮下測試標稱直徑為 12.7 毫米和標稱長度為 25.4 毫米的散裝圓柱體（100% 填充）。測量的塊狀材料的彈性模量和屈服應力分別為 1.962 ± 0.069 GPa 和 56.204 ± 1.213 MPa。與細胞壁的軸向剛度相比，細胞壁的抗彎剛度急劇上升，直到達到臨界值。結果可用於預測和優化各種蜂窩的機械性能，如圖 （2B）。

該研究表明，單位體積的彈性模量、抗壓強度和能量吸收從低密度 L-EH 樣品的 71.77、2.16 MPa、341 KJ/m³增加到 高密度的 L-FH-1 樣品的496.97、5.96 MPa 、 2132 KJ/m³ ( Yan et al., 2020 )。

圖 2. 3D 列印仿生增強結構。(A) 3D 列印厚蜂窩的機械性能 ( Hedayati et al., 2016 )；(B)蜂窩狀結構和不同層厚的面內壓縮應力-應變曲線( Yan et al., 2020 )；(C)使用剛性聚合物的石鱉鱗片啟發式柔性裝甲（Connors 等人，2019 年）；(D)具有通過選擇性雷射熔化 (SLM) 製造的甲蟲啟發金屬晶格結構 ( Du et al., 2020 )。

2. 殼啟發的結構

Martini等人從魚鱗中獲得靈感來製造靈活的盔甲。他們使用3D列印方法在聚氨酯膜上構建不同的丙烯腈丁二烯苯乙烯 (ABS) 結構。他們構建了仿魚鱗結構，結果表明，簡化的彈性體結構的平均穿刺阻力最大（13N），但其彎曲柔度較低。與孤立的鱗片相比，仿生鱗片陣列的抗穿刺性提高了 16 倍。但彎曲順應性下降了 20 倍。這一結果表明，3D 列印仿生結構的尺度相互作用（如天然魚鱗）顯著增加了抗穿刺性並降低了彎曲順應性。

通過使用彈性模量為 2GPa 的 3D 列印聚合物材料，研究了受到石鱉鱗片啟發的柔性裝甲，以準確模擬自然結構。3D 列印結構顯示出良好的柔韌性和保護性，可以很好地附著在人體上，並展示了作為軍事或運動盔甲的潛在應用（圖 2C）。對於使用金屬的仿生結構的 3D 列印，使用了AlSi 10 Mg 粉末材料，以通過選擇性雷射熔化 (SLM) 技術模擬甲蟲殼結構 。研究了不同雷射功率對顯微組織和力學性能的影響。最高F最大值(2.95 kN) 與最大位移值 (1.18 mm) 在樣品中達到 375 W。隨著雷射功率進一步增加到 450 W，累積位移急劇下降。3D列印結構（低密度為270 kg/m 3）顯示出12 MPa的高抗壓強度，遠高於鋁合金，可與鈦合金媲美（圖2D）。

多材料

目前3D列印可以構建多材料或複合系統。在受自然結構啟發的單個組件中，硬度、耐腐蝕性和環境適應性等特性可以在最需要的區域進行優化。這些新技術可以生產出性能優異的多功能組件，這是傳統單材料3D列印無法實現的。

1.Bouligand結構材料

Bouligand 型結構是一種特定的分層排列結構，可以在保持少量質量的同時實現出色的機械性能。研究發現製造這種結構的一個挑戰是在製造過程中難以對齊基體中的增強相。應對這一挑戰的一個解決方案是應用額外的場來通輔助3D 列印實現形狀變化的各向異性。為了使用 3D 列印重新創建這種獨特的加固結構，需要應用幾個額外的外部場。結果顯示機械性能得到改善，10 度時的最大極限強度為 57 MPa，15 度時的韌性為 1.4 N/mm 2（圖 3A）。

圖 3.示意圖說明了 Bouligand 微結構的 3D 列印研究，(A)為拉伸試驗設計的平行掃描路徑 ( Zimmermann et al., 2013 ; Sun et al., 2020 ); (B)與鑄造控制盤的 MOR 相比，具有不同俯仰角和填充百分比的 Bouligand 架構的斷裂模量 (MOR) 與相對密度的關係 ( Moini et al., 2018 )；(C)螺旋結構示意圖 ( Zaheri et al., 2018 )；(D)具有 Bouligand 型 MWCNT-S 的仿生結構的電輔助 3D 列印（Yang 等人，2017 年）；(五)Bouligand 結構的磁性 3D 列印以及不同比例或嵌入微結構的組件的衝擊強度比較 ( Ren et al., 2018 )。

例如，通過施加外部電場來控制樹脂基質中碳納米管 (CNT) 的排列，以製造 Bouligand 型排列的表面功能化 MWCNT-S（圖3D）。將磁場應用於仿生結構材料的 3D 列印製造過程，以實現仿螳螂蝦的「人字形」螺旋結構和巨骨舌魚的 Bouligand 結構（圖 3E）。雖然金屬塗層和聚合物的界面結合特性較差，但可以通過使用矽烷偶聯處理來改善。

2.擠壓輕木結構

輕木的結構是自然界的多孔材料之一，具有出色的強度重量比和剛度重量比，以及出色的能量吸收。康普頓等人製備了通過 3D列印生產的輕木仿生結構（圖 4A）。Malek等人製造了一種受輕木啟發的輕質蜂窩結構，該結構具有纖維增強複合材料細胞壁並產生優異的機械性能（圖 4B）。列印材料的縱向楊氏模量可達57 GPa（超過木質細胞壁材料的縱向模量）。另一種仿生纖維素材料是類真菌粘合劑材料（FLAM）。受真菌卵菌壁的啟發，Sanandiya 等人發明了一種使用甲殼素作為基質、纖維素纖維和木地板作為增強材料來製造複合材料的新方法。這種方法創建的 FLAM 具有堅固、輕便和節省成本的優點（圖 4C）。除了場輔助 3D 列印來製造超材料，Jordan 等人發明了一種旋轉 3D 列印方法，該方法允許在樹脂基體中對短纖維進行空間控制排列，同時調整列印速度和噴嘴旋轉速度來生產短碳纖維-環氧樹脂複合材料（圖 4D）。與不旋轉列印的樣品相比，通過旋轉可以生產具有更高負載、更高斷裂前剛度和更好能量吸收效率的材料。

圖 4.示意圖說明了輕木中排列的纖維結構。(A)具有對齊的SiC /C 纖維的 3D 列印三角形蜂窩複合材料的光學圖像（康普頓和劉易斯，2014 年）；(B)模擬受輕木啟發的多孔複合材料的多尺度方法示意圖。不同的顏色代表在細胞結構水平上具有不同纖維取向的八層（Malek et al., 2017）；(C)類真菌材料的超分子組織 ( Sanandiya et al., 2018 )；(D)示意圖顯示了通過旋轉噴嘴旋轉 3D 列印以獲得螺旋圖案時的纖維取向（Raney 等人，2018 年）。

3.珍珠層結構

珍珠層的結構是自然界中最常見的仿生設計，這種結構可以用作體育用品、航空航天和其他相關領域的輕質、堅固的防護罩。特蘭等人還提出了一種製造受珍珠層啟發的基於 Voronoi 的複合結構的 3D 列印方法（圖 5B），這使得製造各種潛在應用的輕質和堅固結構成為可能。Yang等人提出了一種通過 3D 列印的方式來製造受珍珠層啟發的多功能設備的新方法（圖 5C）。進一步開發了具有獨特性能的多材料珍珠層啟發設計，並將它們組裝成一層以模仿珍珠層的結構，然後進行 3D 列印以進行衝擊測試（圖 5D）。

圖 5.示意圖說明了珍珠層的微觀結構。(A)受珍珠層啟發的結構的 3D 列印，由有限元 (FE) 模型引導 ( Gu et al., 2016 )；(B)鮑魚殼的微觀結構顯示磚和砂漿結構( Tran et al., 2017 )；(C)電輔助3D列印製作的具有各向異性電學特性的珍珠層模型和自感應智能頭盔( Yang et al., 2019 )；(D)受海螺殼啟發的三層碳酸鈣交叉層狀結構的 3D 列印 ( Gu et al., 2017 )。

4.變形材料

仿生結構和仿生運動可以很大程度改善人造材料的機械性能。阿爾斯蘭等人發現了一種仿生設計，該設計應用了由溫敏性差的填料 [聚 (乙二醇) (PEG)] 和溫敏性增強聚合物 [聚 (N-異丙基丙烯醯胺) (PNIPAM)] 製成的線性水凝膠致動器（圖 6B）。此外，具有各向異性PEG排列的3D結構可以實現大約 210% 的線性驅動，在與PEG增強方向垂直和縱向的方向上具有大約 110% 的應變。從收縮到膨脹狀態的主要驅動方向比橫向方向（接近 20% 應變）高約六倍，並且可以通過 PEG 模式的對齊來控制運動。

圖 6.通過 3D 列印表示變形材料結構的示意圖。(A)松果結構示意圖及刺激下的變形行為( Ren et al., 2019 )；(B) 3D 列印水凝膠雙層結構的程序化運動 ( Arslan et al., 2019 )；(C)兩種激活的形狀記憶花瓣狀結構和可逆致動器的設計原理( Mao et al., 2016 )；(D)從象鼻中汲取靈感的 3D 列印仿生軟執行器 ( Schaffner et al., 2018 )。

總結

經過數百萬年的進化，天然結構和材料已經進化出優異的機械性能。但這些自然結構往往過於複雜，傳統製造技術無法企及。增材製造（3D 列印）在仿生結構的設計和建造中顯示出巨大的優勢。機械增強結構仿3D列印的進一步發展將取決於材料和結構的發展，以進一步提高拉伸模量、抗衝擊性和韌性。此外，還需要開發新的 3D 列印工藝，例如更高的解析度、多材料能力、更大的列印面積和更低的製造成本。

最近，仿生3D列印的研究已經從單一功能特性的研究轉變為多功能特性的研究，因為大多數天然結構都具有多功能特性（例如機械/電/熱特性的組合）。由於尺度差異和材料差異，多材料複製受珍珠層啟發的結構仍然存在局限性。使用多種聚合物，而天然珍珠層通過結合陶瓷和聚合物可開發出優異的結構。

外部場輔助3D列印技術在構建仿生結構方面表現出出色的能力，但目前列印樣品的尺寸僅限於釐米。為車輛、裝甲和航空航天工程的實際應用建造大型結構仍然具有挑戰性。幸運的是，當今製造和技術環境的快速發展正在推動仿生 3D列印技術的進步。總體而言，了解自然結構的機制可以激發3D列印工藝的發展，這些工藝將在未來的工程應用中發揮重要作用，例如防彈衣、機械臂、藥物輸送等。