增材制造路線圖:走向智能化和工業(yè)化（2）

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導讀：本文探討了AM技術研發(fā)中可能面臨的挑戰(zhàn),，為未來產業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)搭建關鍵技術平臺,。本文為第二部分,。


5. 智能結構
在過去的幾十年里,，我們見證了對智能,、集成和多功能結構的日益增長的需求,，這些結構需要復雜的內部配置,。因此，制造難度一直是智能零部件產業(yè)化過程中最大的障礙之一,。AM已經(jīng)成為一種強大的技術,，戰(zhàn)略性地集成了傳感、驅動,、計算和通信功能,。其中一個例子是最近在3D打印纖維增強復合材料方面的創(chuàng)新，它使得分層和中空結構的集成制造具有輕量化,、高強度和低成本的優(yōu)點,。

如一項實驗中，可打印磷酸鈣（PCaP）基油墨由顆粒和液相組成,，由內部制備（下圖）,。對于1g可打印相,，將660 mg研磨的α-磷酸三鈣微粒（α-TCP，平均尺寸3.83μm,，Cambioceramics,，荷蘭萊頓）與40 mg納米羥基磷灰石（納米HA，粒徑<200 nm,，Ca5（OH）（PO4）3,，Sigma-Aldrich）混合。液相由40%w/v水凝膠前體溶液組成,，包括未改性的泊洛沙姆（Pluronic®F-127,，Sigma-Aldrich）或定制合成的可水解、可交聯(lián)泊洛沙姆,，其末端羥基通過接枝己內酯低聚物和甲基丙烯�,；�（P-CL-MA，CL為1個重復單元）進行改性,。

未改性（不可交聯(lián)）和改性（可交聯(lián)）泊洛沙姆分別溶解在PBS和添加25 mM過硫酸銨（APS，Sigma-Aldrich）的PBS中,。在混合之前,，將顆粒和液相在4°C下儲存30分鐘，以防止泊洛沙姆組分的熱凝膠化,。隨后,，將不可交聯(lián)（NC）或可交聯(lián)（C）泊洛沙姆添加到顆粒中，并通過在4°C下攪拌3分鐘手動混合,，以確保顆粒的均勻分布,。隨后，將制備的非交聯(lián)PCaP油墨（NC-PCaP）和交聯(lián)PCaP油墨（C-PCaP）裝入配藥筒中,，用固定帽封閉,，并在4°C下儲存，直至使用,。

材料成分示意圖,，表示PCaP膏體的成分。

基于AM技術,，可以構建和制作具有特殊機械性能,、光學性能、聲學性能或熱性能的超材料,。圖8(a)顯示了一個負泊松比的人工皮膚,，可以大大提高損傷區(qū)域的恢復速度，并減少疼痛,。此外,，AM具有良好的材料相容性,，促進了形狀記憶聚合物、液晶彈性體,、水凝膠等傳統(tǒng)制造技術難以原型化的先進材料的工業(yè)化,。3D打印結構傳送或處理信息也被報道為新型電子。例如,，金屬基油墨的直接墨寫和表面貼裝電子元件的拾取放置已經(jīng)結合在軟電子器件的制造平臺上(圖8(b)),。通過操縱電荷，提出了一種新穎的方法,，將包括金屬和半導體在內的功能材料置于任意3D布局中,，以創(chuàng)建混合電子設備(圖8(c))。此外,，AM技術已賦予結構的傳感能力,，通常基于電子元件,。例如,，可以在多材料AM程序中制造一種具有嵌入式壓阻應變傳感器的組織培養(yǎng)裝置來監(jiān)測心臟組織的收縮。除了上述性能不變的結構外,，4D打印工藝還可以實現(xiàn)對環(huán)境刺激做出動態(tài)響應的智能器件,，包括可重構、可編程形狀(圖8(d)),、剛度,、光學性能等。相關的應用包括自部署裝置,、藥物遞送,、體敏致動器等。

圖8 具有多種功能的智能結構:(a)具有熱收縮性能的人工皮膚;(b)金屬墨水直接墨寫與電子元件拾取相結合的AM平臺;(c)導電和功能材料的電荷編程AM;(d) 形狀可變換結構的4D打印,。

盡管建造智能結構的AM技術發(fā)展迅速,，但仍有一些挑戰(zhàn)需要克服，如圖9所示,。

(1) 除了3D和4D打印,，AM系統(tǒng)現(xiàn)在正致力于融合不同的物理領域，并基于有效結合的傳感和驅動能力,，為復雜的多尺度結構提供動態(tài)響應的n維(nD)打印,。

(2) AM兼容材料庫應擴展到包括更多獨特的功能，并迫切需要智能AM工藝和設備來精確制造這些材料的多材料結構,。開發(fā)高精度噴嘴和提高不同材料間的界面兼容性是研究的重點,。

(3)由于未來的工作環(huán)境可能包括外層空間、深海,、火山等,，3D打印結構應該在極端條件下具有魯棒性和多物理領域的適應性,。因此，在結構設計之初,，應考慮不同的工作條件,。通過解決這些困難，AM正朝著集現(xiàn)場診斷,、柔性控制,、全生命周期設計和自動原型設計于一體的智能系統(tǒng)發(fā)展。

圖9 AM技術在開發(fā)智能結構方面遇到的挑戰(zhàn)

6. 活體結構

器官是復雜的結構,，細胞和細胞外基質相互作用以發(fā)展和發(fā)揮作用,。由于具有形成復雜結構和材料組合(包括細胞和生物材料)的卓越能力，AM技術在模仿復雜的器官系統(tǒng)方面具有巨大的潛力,。早期的研究使用3D打印的假體和不涉及細胞的生物可降解支架,，越來越多的研究使用活細胞來3D打印結構，以實現(xiàn)生物功能,。獲得的活體結構可植入人體修復/替換缺陷組織/器官,，可作為比二維細胞培養(yǎng)模型更準確再現(xiàn)生理條件的體外生物模型。

材料和加工方面的技術進步極大地增強了我們以更精確和高效的方式模仿器官和豐富功能的能力,。在材料方面,，基于納米材料的導電生物材料和聚合物已被開發(fā)用于AM，它們賦予具有類似于大腦和心臟的電活動的活體結構,。對物理、化學或生物刺激產生反應的生物材料也被打印出來,，以形成細胞的動態(tài)微環(huán)境,。在處理方面，嵌入式打印技術直接將柔軟的細胞外基質和細胞沉積在支撐緩沖液中,，這使得柔軟的細胞外基質和細胞的多規(guī)模構建能夠形成復雜的器官模型,，如心臟(圖10(a))。

基于光聚合的AM技術也得到了增強,，使用了適當?shù)墓馕�收��,，以實現(xiàn)水凝膠的高分辨率投影立體光刻（圖10（b）），并通過動態(tài)照明充滿旋轉細胞的光敏水凝膠庫來實現(xiàn)快速體積打�,。▓D10（c））,。為了實現(xiàn)精確的單細胞打印，研發(fā)了一種將3D打印機和小型化微流體分選機結合在一起的制造平臺,，可從細胞混合物中沉積感興趣的單個細胞,。作為先進的生物模型，3D打印活體結構被用于諸如芯片上器官設備等產品中,，已證明有潛力改變生物醫(yī)學研究和制藥行業(yè),。3D打印的類肝器官模型在肝臟特異性轉錄因子表達方面優(yōu)于2D和3D體積模型,。同樣，3d打印的多細胞膀胱腫瘤模型支持了腫瘤進展的重要分子基礎的識別,。

圖10 活體結構的AM技術的代表性進展:(a)懸浮浴中基于擠壓的3D生物打印允許制造人類心臟模型;(b)高分辨率立體平版印刷具有血管化肺泡模型拓撲的光可聚合水凝膠;(c)細胞負載水凝膠的體積3D生物打印允許快速制造活組織構建物,。

在未來，活體結構的AM可以顯著改善生物醫(yī)學應用,，并可能創(chuàng)新高水平生物智能產品(圖11),。例如，AM技術可能進一步整合細胞與驅動和傳感材料,，形成活體機器,，在人體內部移動和工作，用于細胞治療和藥物輸送等應用,。隨著巨大的前景,，3d打印的生活結構在邁向智能化和商業(yè)化時需要應對多方面的挑戰(zhàn)。

(1）技術挑戰(zhàn):3d打印的活體結構在建筑和功能復雜性方面還沒有完全匹配原生器官,。調幅技術在制備復雜的多尺度結構時需要實現(xiàn)更高的空間分辨率和更高的效率,，需要更多的功能與調幅技術兼容的生物材料。

（2）跨學科挑戰(zhàn)：3D打印結構中的細胞發(fā)育的有效控制為成功應用奠定了基礎,。對于植入生物結構的生物智能,，需要進一步建立生物結構與人體之間的相互作用和通信。因此,，需要機械工程師,、生物工程師、生命科學家和臨床醫(yī)生之間的密切合作,，根據(jù)對特定應用的生物醫(yī)學見解,，設計制造策略。

（3）監(jiān)管和道德挑戰(zhàn):3D打印活體結構構成了生物醫(yī)學行業(yè)中一組新產品,，這些產品受到高度監(jiān)管,，涉及道德問題。3D打印生活建筑的商業(yè)化需要一套系統(tǒng)的基于科學的法規(guī),，專門為這些產品設計,，以解決醫(yī)療和倫理影響方面的潛在問題。

圖11 AM技術走向生物智能的路線圖(由BioRender.com創(chuàng)建),。

研究人員在工作中報告了4D打印纖維增強復合材料的自變形結構具有高剛度和高承載能力,。這是通過使用含有高含量溶劑、光固化聚合物樹脂,、短玻璃纖維和氣相二氧化硅的雙層復合材料的多材料DIW來實現(xiàn)的,。不同纖維含量的油墨分別裝入不同的注射器，如下圖A所示。在油墨擠壓過程中,，短玻璃纖維被剪切排列,。印刷材料在擠壓后立即部分光固化，以鎖定印刷幾何圖形,。材料中的溶劑通過加熱蒸發(fā)(圖B),，在溶劑蒸發(fā)過程中，沿著和穿過打印路徑(或纖維方向)引入各向異性的體積收縮,。不同纖維加載或取向的印刷結構在溶劑去除后會出現(xiàn)應變失配,，導致結構變形。經(jīng)過加熱變形后,，光固化后模量可提高到4.8 GPa(圖B),，具有較高的承載能力。然后利用復合材料理論研究了各向異性體積收縮和模量隨溶劑含量,、纖維含量和纖維取向的變化,。這些功能被納入有限元分析(FEA)模擬，以指導形狀變形結構的設計,。我們證明了可變形雙層膜可用于將打印的二維結構轉化為具有大變形性能和高承載能力的復雜三維結構,。

高剛度、高承載能力結構的多材料DIW打印原理圖,。(A)在不同短玻璃纖維負載的油墨DIW印刷過程中,，纖維在擠壓過程中對齊。(B)印刷后,，油墨被部分光固化,。然后，溶劑被加熱蒸發(fā),，引起形狀變化,。后光固化進一步用于顯著增加結構的剛度。

在該實驗中,，研究人員進一步論證了變形三浦ori結構的承載能力。該圖案由對稱金字塔頂點構成,，該頂點由四條相交的折痕線組成,。它可以通過四度頂點從一個完整的平板上折疊起來。在這里制造了一個高負載可承受的三浦ori重新配置從一個平板,。打印的是原始的平板(56 × 45 × 0.9 mm),，它由一個S0面板區(qū)域和由S0和S6雙層制成的折痕組成(下圖A)。折痕對稱排列,，蒸發(fā)后成功折疊成三浦ori結構(圖B),，這與模擬結果(圖C)一致。由于完全固化的印刷材料的高硬度和三浦ori結構，折疊后的折紙可以承受重量(6.8公斤)約為自身重量(1.9克)的3580倍(圖D),。研究人員相信,，這種具有高承載能力的可重構技術可以應用于工程方面的大型結構。

三浦折紙結構的驅動具有高承載能力,。(A, B)三浦折紙的驅動,。(C)模擬重構結構。(D)三浦ori結構(1.9 g)可以承載相當于自身重量約3580倍的重量(6.8 kg),。比例尺:10mm,。

7. 極端尺度和極端環(huán)境

AM具有豐富的科學技術內涵，涉及機械,、材料,、計算、自動化控制等先進技術,。由于其設計自由,、快速原型、最小化浪費和制造具有獨特性能的復雜結構的能力,，它在航空航天,、生物醫(yī)學、汽車,、核能和建筑行業(yè)帶來了革命性的應用,。AM作為一項關鍵的產業(yè)發(fā)展技術，將極大地推動和引領智能制造的升級和發(fā)展,。

AM的發(fā)展主要集中在兩個極端尺度:一是微/納米尺度,，即實現(xiàn)微米和納米尺度的精細3D打印;另一種是宏觀尺度，實現(xiàn)大尺寸,、高速3D打印,，如圖12所示。以雙光子聚合為代表的微納尺度3D打印克服了光照的光學限制,，能夠在亞波長空間分辨率下打印納米結構,，打印精度小于100 nm。這種高精度,、復雜的納米結構極大地拓寬了其在超材料和光電子領域的應用,。另一方面，大型混凝土結構現(xiàn)場打印需要結合機械工程,、混凝土技術,、數(shù)據(jù)管理和施工管理。這是第一個由多個移動機器人同時打印大型混凝土結構的實物演示,，將擴大建筑和建筑行業(yè)的設計和打印規(guī)模,。航空航天領域,，在打印C919飛機主擋風玻璃窗框、中心法蘭等大型復雜鈦結構件后,，制造出世界上第一個10米級的重型運載火箭高強度鋁合金連接環(huán),。

這些突破克服了大尺寸結構在印刷過程中的變形和應力控制，為航天工程的快速發(fā)展提供了技術支持,。美國Relativity Space公司的目標是制造一種幾乎完全3D打印的火箭,，帶有冷卻通道，將1250公斤的火箭送入近地軌道,。這些由機器人手臂建造的大型金屬印刷項目,，由于零件減少了100倍，生產時間縮短了10倍,，沒有固定的收費和簡單的供應鏈,，正在顛覆60年的航空業(yè)。

圖12 3D打印的應用:極端尺度和極端環(huán)境:(a)雙光聚合3D打印工藝和二氧化硅打印點陣晶體示意圖;(b)中國和美國印制的超大型金屬部件;(c) 3D打印雙金屬室的熱火測試;(d)世界上第一個在空間中使用連續(xù)碳纖維增強聚合物復合材料的3D打印,。

AM在實際應用中經(jīng)常受到以下幾個方面的挑戰(zhàn):
(1）極端環(huán)境,，如極端溫度和壓力、強輻射和微重力,。2020年,，NASA完成了液體火箭發(fā)動機3D打印雙金屬燃燒室的重要材料表征和測試以及熱火測試，證明了雙金屬燃燒室在嚴酷的溫度和壓力下的多功能和生存能力,。自2014年國際空間站(ISS)配備3D打印設備后,，研究人員也于2020年成功完成了微重力空間的首次3D打印測試。這是世界上首次對連續(xù)碳纖維增強聚合物復合材料進行在軌3D打印測試,，使研究人員能夠研究材料的成型過程,，更好地揭示了微重力對材料及其結構機制的影響。3D打印不僅可以為國際空間站現(xiàn)有的研究基礎設施做出貢獻,，還可以使長時間的太空飛行,、太空探索和殖民更加方便和可持續(xù)。極端的環(huán)境條件,，如微/零重力,、宇宙輻射、晝夜溫差大等,，都會對月球或火星風化層的原位打印產生重大影響,。

（2）3D打印在月球和火星上棲息地的另一個挑戰(zhàn)是開發(fā)相關的空間機器人和自動化技術。為了適應這樣的極端環(huán)境,，需要開發(fā)優(yōu)良的輻射和熱阻電子器件和結構材料，多傳感器集成和數(shù)據(jù)融合可能是未來無人系統(tǒng)探索的關鍵技術,。為了實現(xiàn)對制造過程的自適應控制和監(jiān)控,，空間調幅需要在控制系統(tǒng)中采用獨特的“觀測器定向決策行動”周期。

（3）為了加快3D打印的數(shù)字化，智能AM領域最令人興奮的前沿之一是數(shù)字雙胞胎的概念,。通過在實時對象上整合智能傳感,、大數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析以及機器學習能力，數(shù)字雙胞胎在以下方面展示了巨大的潛力:(i) 3D打印新產品的高效設計,，(ii)針對極端使用場景和環(huán)境的增材制造生產計劃,，(iii) 3D打印操作數(shù)據(jù)的捕獲、分析和操作,，并最終獲得高質量,。

8. 未來的角度
面向未來，AM技術將進一步向智能化和產業(yè)化方向發(fā)展,。AM是一個涉及多因素,、多層次、多尺度,、耦合材料,、結構、各種物理化學領域的極其復雜的系統(tǒng),。有必要結合大數(shù)據(jù)和人工智能對這一極其復雜的系統(tǒng)進行研究,，突破AM多功能集成優(yōu)化設計的原理和方法。通過開發(fā)形狀主動可控的智能調幅技術,，為未來調幅技術在材料,、工藝、結構設計,、產品質量,、服務效率等方面的飛躍改進奠定了充分的科學技術基礎。具有自采集,、自建模,、自診斷、自學習和自決策能力的智能調幅設備是未來調幅技術大規(guī)模應用的重要基礎,。開展AM技術與材料,、軟件、人工智能,、生命,、醫(yī)學等學科交叉研究，實現(xiàn)重大原創(chuàng)性技術創(chuàng)新,。AM的應用應擴展到新能源,、航空航天、健康,、建筑,、文化創(chuàng)意等領域,，如導航、核電等,。

未來,，AM技術將向材料、結構,、功能一體化的四維智能結構,、生命體、構件制造方向發(fā)展,，為可控形狀,、可控性能提供新的技術方法，為產業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)提供技術平臺,。AM的開發(fā)應遵循“以應用開發(fā)為導向,，以技術創(chuàng)新為動力，以產業(yè)發(fā)展為目標”的原則,。建立合理的AM行業(yè)標準體系,，結合云制造、大數(shù)據(jù),、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術和智能制造系統(tǒng),，促進AM工藝和設備的全面創(chuàng)新和應用，這對實現(xiàn)制造技術的跨越式發(fā)展具有重要意義,。

來源：Roadmap for Additive Manufacturing: Toward Intellectualization andIndustrialization,，Chinese Journal of Mechanical Engineering: Additive ManufacturingFrontiers，doi.org/10.1016/j.cjmeam.2022.100014
參考文獻：Chinese Mechanical Engineering Society Technology roadmap of Chinesemechanical engineering,，China Science and Technology Press, Beijing (2021)