增材制造路線圖:走向智能化和工業化（2）
時間：2022-04-15 11:19 來源：江蘇激光聯盟 作者：admin 閱讀：次
導讀：本文探討了AM技術研發中可能面臨的挑戰，為未來產業創新創業搭建關鍵技術平臺。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化過程中最大的障礙之一。AM已經成為一種強大的技術，戰略性地集成了傳感、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、可交聯泊洛沙姆，其末端羥基通過接枝己內酯低聚物和甲基丙烯酰基（P-CL-MA，CL為1個重復單元）進行改性。
未改性（不可交聯）和改性（可交聯）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（NC）或可交聯（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PCaP油墨（NC-PCaP）和交聯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、水凝膠等傳統制造技術難以原型化的先進材料的工業化。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裝置來監測心臟組織的收縮。除了上述性能不變的結構外，4D打印工藝還可以實現對環境刺激做出動態響應的智能器件，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技術發展迅速，但仍有一些挑戰需要克服，如圖9所示。
(1) 除了3D和4D打印，AM系統現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發展。
圖9 AM技術在開發智能結構方面遇到的挑戰
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化過程中最大的障礙之一。AM已經成為一種強大的技術，戰略性地集成了傳感、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、可交聯泊洛沙姆，其末端羥基通過接枝己內酯低聚物和甲基丙烯酰基（P-CL-MA，CL為1個重復單元）進行改性。
未改性（不可交聯）和改性（可交聯）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（NC）或可交聯（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PCaP油墨（NC-PCaP）和交聯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。
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技術發展迅速，但仍有一些挑戰需要克服，如圖9所示。
(1) 除了3D和4D打印，AM系統現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發展。
圖9 AM技術在開發智能結構方面遇到的挑戰
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