增材制造路线图:走向智能化和工业化（2）

本文探讨了AM技术研发中可能面临的挑战，为未来产业创新创业搭建关键技术平台。本文为第二部分。

5. 智能结构

在过去的几十年里，我们见证了对智能、集成和多功能结构的日益增长的需求，这些结构需要复杂的内部配置。因此，制造难度一直是智能零部件产业化过程中最大的障碍之一。AM已经成为一种强大的技术，战略性地集成了传感、驱动、计算和通信功能。其中一个例子是最近在3D打印纤维增强复合材料方面的创新，它使得分层和中空结构的集成制造具有轻量化、高强度和低成本的优点。

如一项实验中，可打印磷酸钙（PCaP）基油墨由颗粒和液相组成，由内部制备（下图）。对于1g可打印相，将660 mg研磨的α-磷酸三钙微粒（α-TCP，平均尺寸3.83μm，Cambioceramics，荷兰莱顿）与40 mg纳米羟基磷灰石（纳米HA，粒径<200 nm，Ca5（OH）（PO4）3，Sigma-Aldrich）混合。液相由40%w/v水凝胶前体溶液组成，包括未改性的泊洛沙姆（Pluronic®F-127，Sigma-Aldrich）或定制合成的可水解、可交联泊洛沙姆，其末端羟基通过接枝己内酯低聚物和甲基丙烯酰基（P-CL-MA，CL为1个重复单元）进行改性。

未改性（不可交联）和改性（可交联）泊洛沙姆分别溶解在PBS和添加25 mM过硫酸铵（APS，Sigma-Aldrich）的PBS中。在混合之前，将颗粒和液相在4°C下储存30分钟，以防止泊洛沙姆组分的热凝胶化。随后，将不可交联（NC）或可交联（C）泊洛沙姆添加到颗粒中，并通过在4°C下搅拌3分钟手动混合，以确保颗粒的均匀分布。随后，将制备的非交联PCaP油墨（NC-PCaP）和交联PCaP油墨（C-PCaP）装入配药筒中，用固定帽封闭，并在4°C下储存，直至使用。

材料成分示意图，表示PCaP膏体的成分。

基于AM技术，可以构建和制作具有特殊机械性能、光学性能、声学性能或热性能的超材料。图8(a)显示了一个负泊松比的人工皮肤，可以大大提高损伤区域的恢复速度，并减少疼痛。此外，AM具有良好的材料相容性，促进了形状记忆聚合物、液晶弹性体、水凝胶等传统制造技术难以原型化的先进材料的工业化。3D打印结构传送或处理信息也被报道为新型电子。例如，金属基油墨的直接墨写和表面贴装电子元件的拾取放置已经结合在软电子器件的制造平台上(图8(b))。通过操纵电荷，提出了一种新颖的方法，将包括金属和半导体在内的功能材料置于任意3D布局中，以创建混合电子设备(图8(c))。此外，AM技术已赋予结构的传感能力，通常基于电子元件。例如，可以在多材料AM程序中制造一种具有嵌入式压阻应变传感器的组织培养装置来监测心脏组织的收缩。除了上述性能不变的结构外，4D打印工艺还可以实现对环境刺激做出动态响应的智能器件，包括可重构、可编程形状(图8(d))、刚度、光学性能等。相关的应用包括自部署装置、药物递送、体敏致动器等。

图8 具有多种功能的智能结构:(a)具有热收缩性能的人工皮肤;(b)金属墨水直接墨写与电子元件拾取相结合的AM平台;(c)导电和功能材料的电荷编程AM;(d) 形状可变换结构的4D打印。

尽管建造智能结构的AM技术发展迅速，但仍有一些挑战需要克服，如图9所示。

(1) 除了3D和4D打印，AM系统现在正致力于融合不同的物理领域，并基于有效结合的传感和驱动能力，为复杂的多尺度结构提供动态响应的n维(nD)打印。

(2) AM兼容材料库应扩展到包括更多独特的功能，并迫切需要智能AM工艺和设备来精确制造这些材料的多材料结构。开发高精度喷嘴和提高不同材料间的界面兼容性是研究的重点。

(3)由于未来的工作环境可能包括外层空间、深海、火山等，3D打印结构应该在极端条件下具有鲁棒性和多物理领域的适应性。因此，在结构设计之初，应考虑不同的工作条件。通过解决这些困难，AM正朝着集现场诊断、柔性控制、全生命周期设计和自动原型设计于一体的智能系统发展。

图9 AM技术在开发智能结构方面遇到的挑战

6. 活体结构

器官是复杂的结构，细胞和细胞外基质相互作用以发展和发挥作用。由于具有形成复杂结构和材料组合(包括细胞和生物材料)的卓越能力，AM技术在模仿复杂的器官系统方面具有巨大的潜力。早期的研究使用3D打印的假体和不涉及细胞的生物可降解支架，越来越多的研究使用活细胞来3D打印结构，以实现生物功能。获得的活体结构可植入人体修复/替换缺陷组织/器官，可作为比二维细胞培养模型更准确再现生理条件的体外生物模型。

材料和加工方面的技术进步极大地增强了我们以更精确和高效的方式模仿器官和丰富功能的能力。在材料方面，基于纳米材料的导电生物材料和聚合物已被开发用于AM，它们赋予具有类似于大脑和心脏的电活动的活体结构。对物理、化学或生物刺激产生反应的生物材料也被打印出来，以形成细胞的动态微环境。在处理方面，嵌入式打印技术直接将柔软的细胞外基质和细胞沉积在支撑缓冲液中，这使得柔软的细胞外基质和细胞的多规模构建能够形成复杂的器官模型，如心脏(图10(a))。

基于光聚合的AM技术也得到了增强，使用了适当的光吸收剂，以实现水凝胶的高分辨率投影立体光刻（图10（b）），并通过动态照明充满旋转细胞的光敏水凝胶库来实现快速体积打印（图10（c））。为了实现精确的单细胞打印，研发了一种将3D打印机和小型化微流体分选机结合在一起的制造平台，可从细胞混合物中沉积感兴趣的单个细胞。作为先进的生物模型，3D打印活体结构被用于诸如芯片上器官设备等产品中，已证明有潜力改变生物医学研究和制药行业。3D打印的类肝器官模型在肝脏特异性转录因子表达方面优于2D和3D体积模型。同样，3d打印的多细胞膀胱肿瘤模型支持了肿瘤进展的重要分子基础的识别。

图10 活体结构的AM技术的代表性进展:(a)悬浮浴中基于挤压的3D生物打印允许制造人类心脏模型;(b)高分辨率立体平版印刷具有血管化肺泡模型拓扑的光可聚合水凝胶;(c)细胞负载水凝胶的体积3D生物打印允许快速制造活组织构建物。

在未来，活体结构的AM可以显著改善生物医学应用，并可能创新高水平生物智能产品(图11)。例如，AM技术可能进一步整合细胞与驱动和传感材料，形成活体机器，在人体内部移动和工作，用于细胞治疗和药物输送等应用。随着巨大的前景，3d打印的生活结构在迈向智能化和商业化时需要应对多方面的挑战。

(1）技术挑战:3d打印的活体结构在建筑和功能复杂性方面还没有完全匹配原生器官。调幅技术在制备复杂的多尺度结构时需要实现更高的空间分辨率和更高的效率，需要更多的功能与调幅技术兼容的生物材料。

（2）跨学科挑战：3D打印结构中的细胞发育的有效控制为成功应用奠定了基础。对于植入生物结构的生物智能，需要进一步建立生物结构与人体之间的相互作用和通信。因此，需要机械工程师、生物工程师、生命科学家和临床医生之间的密切合作，根据对特定应用的生物医学见解，设计制造策略。

（3）监管和道德挑战:3D打印活体结构构成了生物医学行业中一组新产品，这些产品受到高度监管，涉及道德问题。3D打印生活建筑的商业化需要一套系统的基于科学的法规，专门为这些产品设计，以解决医疗和伦理影响方面的潜在问题。

图11 AM技术走向生物智能的路线图(由BioRender.com创建)。

研究人员在工作中报告了4D打印纤维增强复合材料的自变形结构具有高刚度和高承载能力。这是通过使用含有高含量溶剂、光固化聚合物树脂、短玻璃纤维和气相二氧化硅的双层复合材料的多材料DIW来实现的。不同纤维含量的油墨分别装入不同的注射器，如下图A所示。在油墨挤压过程中，短玻璃纤维被剪切排列。印刷材料在挤压后立即部分光固化，以锁定印刷几何图形。材料中的溶剂通过加热蒸发(图B)，在溶剂蒸发过程中，沿着和穿过打印路径(或纤维方向)引入各向异性的体积收缩。不同纤维加载或取向的印刷结构在溶剂去除后会出现应变失配，导致结构变形。经过加热变形后，光固化后模量可提高到4.8 GPa(图B)，具有较高的承载能力。然后利用复合材料理论研究了各向异性体积收缩和模量随溶剂含量、纤维含量和纤维取向的变化。这些功能被纳入有限元分析(FEA)模拟，以指导形状变形结构的设计。我们证明了可变形双层膜可用于将打印的二维结构转化为具有大变形性能和高承载能力的复杂三维结构。

高刚度、高承载能力结构的多材料DIW打印原理图。(A)在不同短玻璃纤维负载的油墨DIW印刷过程中，纤维在挤压过程中对齐。(B)印刷后，油墨被部分光固化。然后，溶剂被加热蒸发，引起形状变化。后光固化进一步用于显著增加结构的刚度。

在该实验中，研究人员进一步论证了变形三浦ori结构的承载能力。该图案由对称金字塔顶点构成，该顶点由四条相交的折痕线组成。它可以通过四度顶点从一个完整的平板上折叠起来。在这里制造了一个高负载可承受的三浦ori重新配置从一个平板。打印的是原始的平板(56 × 45 × 0.9 mm)，它由一个S0面板区域和由S0和S6双层制成的折痕组成(下图A)。折痕对称排列，蒸发后成功折叠成三浦ori结构(图B)，这与模拟结果(图C)一致。由于完全固化的印刷材料的高硬度和三浦ori结构，折叠后的折纸可以承受重量(6.8公斤)约为自身重量(1.9克)的3580倍(图D)。研究人员相信，这种具有高承载能力的可重构技术可以应用于工程方面的大型结构。

三浦折纸结构的驱动具有高承载能力。(A, B)三浦折纸的驱动。(C)模拟重构结构。(D)三浦ori结构(1.9 g)可以承载相当于自身重量约3580倍的重量(6.8 kg)。比例尺:10mm。

7. 极端尺度和极端环境

AM具有丰富的科学技术内涵，涉及机械、材料、计算、自动化控制等先进技术。由于其设计自由、快速原型、最小化浪费和制造具有独特性能的复杂结构的能力，它在航空航天、生物医学、汽车、核能和建筑行业带来了革命性的应用。AM作为一项关键的产业发展技术，将极大地推动和引领智能制造的升级和发展。

AM的发展主要集中在两个极端尺度:一是微/纳米尺度，即实现微米和纳米尺度的精细3D打印;另一种是宏观尺度，实现大尺寸、高速3D打印，如图12所示。以双光子聚合为代表的微纳尺度3D打印克服了光照的光学限制，能够在亚波长空间分辨率下打印纳米结构，打印精度小于100 nm。这种高精度、复杂的纳米结构极大地拓宽了其在超材料和光电子领域的应用。另一方面，大型混凝土结构现场打印需要结合机械工程、混凝土技术、数据管理和施工管理。这是第一个由多个移动机器人同时打印大型混凝土结构的实物演示，将扩大建筑和建筑行业的设计和打印规模。航空航天领域，在打印C919飞机主挡风玻璃窗框、中心法兰等大型复杂钛结构件后，制造出世界上第一个10米级的重型运载火箭高强度铝合金连接环。

这些突破克服了大尺寸结构在印刷过程中的变形和应力控制，为航天工程的快速发展提供了技术支持。美国Relativity Space公司的目标是制造一种几乎完全3D打印的火箭，带有冷却通道，将1250公斤的火箭送入近地轨道。这些由机器人手臂建造的大型金属印刷项目，由于零件减少了100倍，生产时间缩短了10倍，没有固定的收费和简单的供应链，正在颠覆60年的航空业。

图12 3D打印的应用:极端尺度和极端环境:(a)双光聚合3D打印工艺和二氧化硅打印点阵晶体示意图;(b)中国和美国印制的超大型金属部件;(c) 3D打印双金属室的热火测试;(d)世界上第一个在空间中使用连续碳纤维增强聚合物复合材料的3D打印。

AM在实际应用中经常受到以下几个方面的挑战:

(1）极端环境，如极端温度和压力、强辐射和微重力。2020年，NASA完成了液体火箭发动机3D打印双金属燃烧室的重要材料表征和测试以及热火测试，证明了双金属燃烧室在严酷的温度和压力下的多功能和生存能力。自2014年国际空间站(ISS)配备3D打印设备后，研究人员也于2020年成功完成了微重力空间的首次3D打印测试。这是世界上首次对连续碳纤维增强聚合物复合材料进行在轨3D打印测试，使研究人员能够研究材料的成型过程，更好地揭示了微重力对材料及其结构机制的影响。3D打印不仅可以为国际空间站现有的研究基础设施做出贡献，还可以使长时间的太空飞行、太空探索和殖民更加方便和可持续。极端的环境条件，如微/零重力、宇宙辐射、昼夜温差大等，都会对月球或火星风化层的原位打印产生重大影响。

（2）3D打印在月球和火星上栖息地的另一个挑战是开发相关的空间机器人和自动化技术。为了适应这样的极端环境，需要开发优良的辐射和热阻电子器件和结构材料，多传感器集成和数据融合可能是未来无人系统探索的关键技术。为了实现对制造过程的自适应控制和监控，空间调幅需要在控制系统中采用独特的“观测器定向决策行动”周期。

（3）为了加快3D打印的数字化，智能AM领域最令人兴奋的前沿之一是数字双胞胎的概念。通过在实时对象上整合智能传感、大数据统计和分析以及机器学习能力，数字双胞胎在以下方面展示了巨大的潜力:(i) 3D打印新产品的高效设计，(ii)针对极端使用场景和环境的增材制造生产计划，(iii) 3D打印操作数据的捕获、分析和操作，并最终获得高质量。

8. 未来的角度

面向未来，AM技术将进一步向智能化和产业化方向发展。AM是一个涉及多因素、多层次、多尺度、耦合材料、结构、各种物理化学领域的极其复杂的系统。有必要结合大数据和人工智能对这一极其复杂的系统进行研究，突破AM多功能集成优化设计的原理和方法。通过开发形状主动可控的智能调幅技术，为未来调幅技术在材料、工艺、结构设计、产品质量、服务效率等方面的飞跃改进奠定了充分的科学技术基础。具有自采集、自建模、自诊断、自学习和自决策能力的智能调幅设备是未来调幅技术大规模应用的重要基础。开展AM技术与材料、软件、人工智能、生命、医学等学科交叉研究，实现重大原创性技术创新。AM的应用应扩展到新能源、航空航天、健康、建筑、文化创意等领域，如导航、核电等。

未来，AM技术将向材料、结构、功能一体化的四维智能结构、生命体、构件制造方向发展，为可控形状、可控性能提供新的技术方法，为产业创新创业提供技术平台。AM的开发应遵循“以应用开发为导向，以技术创新为动力，以产业发展为目标”的原则。建立合理的AM行业标准体系，结合云制造、大数据、物联网等新兴技术和智能制造系统，促进AM工艺和设备的全面创新和应用，这对实现制造技术的跨越式发展具有重要意义。