3d打印技术只是增材制造的一种（洞悉微3D打印-增材制造技术的别有洞天）

一般来说，在制造业中，大多数创新都是围绕生产大型 3D 打印零件的能力而发展的。然而，随着电子、生物技术、汽车和航空航天领域对小型化设备的需求不断增长，人们对微增材制造技术的兴趣与日俱增。那么，小零件的市场有多大呢？本期，结合Nanoscribe的业务发展经理 Jörg Smolenski的分析，3D科学谷与谷友一起来洞悉微增材制造技术的基本原理和不同类型，以及微增材制造技术有助于市场向前发展的主要优势和需要改进的领域。

微3D打印技术

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微小世界的不可替代

微增材制造一词通常与3D微细加工或高精度增材制造互换使用，但实际上，它们并不是确切的同义词。通常，增材制造更多指的是工业制造环境，3D微细加工是描述所有方法的通用术语，例如在 MEMS 制造中非常普遍和广泛使用的光刻方法（这是一个巨大的成熟市场，并且方法非常成熟）。还有许多其他 3D 微加工方法，例如用于微流体的方法、基于电子束光刻的数字方法等等。

为了说明微型增材制造技术的地位，假设在 3D 打印中，首先构建一个零件并通过点阵列进行数字化描述，其中一个点（即体素）代表一个最小打印单元。体素尺寸范围从纳米级到宏观级。因此，微型 3D 打印过程需要使用微米或亚微米级体素，这对于微型产品的制造至关重要。因此，微型 3D 打印一词是指制造超高精度、微小的零件，这些零件的形状是使用微注塑工艺和其他类型的传统制造工艺无法实现的。

根据3D科学谷，在3D打印技术的发展中有两个不同方向的聚焦点，其中一个聚焦点是大幅面3D打印技术。另一个聚焦点是微观方面的，即能够制造精密、微细器件的3D打印技术。微纳3D打印能制造复杂、精细的器件，这是3D打印技术优势的体现，或将颠覆精密器件制造业。

微小的力量正在改变世界！3D科学谷曾分享过微米级3D打印公司Cytosurge的核心技术来源于苏黎世ETH Zurich理工大学，基于其专利的FluidFM技术开发，制造和销售创新型高精度纳米技术金属3D打印机，该技术代表流体力显微镜技术，并拥有许多在生命科学和生物物理学中的应用。

国内，西湖未来智造的微米级精度的三维精密制造技术，通过将金属、陶瓷、磁性材料、聚合物等集成处理应用，弥补电子、光学领域精密加工中百纳米至百微米的市场空白。

当零件以个位数微米测量到 5 微米的层厚和 2 微米的分辨率时，进入到处理微型 3D 打印过程。有趣的是，一些微增材制造工艺可以制造以纳米 (nm) 为单位测量的部件，比一微米小 1,000 倍。为了更好地可视化这种级别的微制造是什么样的，举例来说人们通常会记住，人类头发的平均宽度为 75 微米，而人类 DNA 链的直径为 2.5 纳米。

在小型化中，对外形尺寸的控制至关重要，微3D打印可以实现“下一个级别”的小型化。具体来说：电子、光学、半导体、医疗设备、医疗工具、微注塑、微流体、传感器这些应用是微3D打印发挥独特价值的领域。

譬如，高精度3D生物打印能够为组织工程、用于细胞研究的定制支架，并适用于许多其他需要精度、速度、材料多样性和无菌性的创新生物医学的微环境。3D微细加工可以使生命科学研究更接近再生医学的概念，以治疗该领域的疾病。例如，波士顿大学的科学家通过双光子聚合 (2PP) 制造的微流控芯片平台开发了一种柔软且具有机械活性的细胞培养平台，用于在可定制的3D微环境中研究心肌组织。这种细胞培养平台允许心脏组织在3D环境中生长，并且可以在芯片垂直壁上的细胞附着位点观察其自组装。集成的电子传感器测量培养的心脏细胞收缩产生的力。此外，研究人员在芯片中集成了一个机械执行器，借助这种致动器，科学家们研究了恒定和动态机械应变对心脏组织的影响。可以期待微3D打印在组织工程、细胞生物学和再生医学中的许多其他令人兴奋的应用。

Quantum X 的集成双光子灰度光刻 (2GL®) 及其基础体素调谐技术能够制造具有亚微米形状精度和小于 5 纳米 (Ra) 表面粗糙度的 2.5D 微结构。

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一般来说，我们认为 10 微米及以下是微增材制造。当然，如果所有这些都在 1-3 微米范围内，那么这就是 micro-AM最准确的定义了。

就像有几种类型的 AM 工艺一样，也有各种类型的 micro-AM 工艺，包括：熔丝沉积 (FFD)、直接墨水书写 (DIW)、直接能量沉积 (DED)、层压物体制造 (LOM)、电流体动力氧化还原打印 (EHDP)、粉末床熔融 (PBF)、基于光聚合的 3D 打印 (P3DP) 和激光化学气相沉积 (LCVD)。

微3D打印技术

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基于树脂的微型 3D 打印工艺由于其在分辨率、质量、再现性和速度方面的优势，目前是市场上最受认可的工艺。此外，DED 和 EHDP 可以实现更高的分辨率。然而，与这些工艺相关的昂贵成本和低制造率限制了它们的应用。然而，由于分辨率有限，它们在实现小型高精度零件或结构方面仍然存在局限性。

与这些方法相比，Nanoscribe的2PP能够制造低至100纳米的最小特征尺寸。根据研究，新型光学方法的发展导致了微增材制造工艺的进步，特别是基于光聚合的3D打印工艺。据专家介绍，使用波长较短的光源（例如 UV 光束）和具有较高 NA（数值孔径）的物镜可以实现更高的分辨率——这通常是 micro-AM 中最突出的挑战之一。

与基于热处理和层压的其他方法相比，光学方法使相邻体素的连接更牢固。光固化等后处理步骤也有助于提高 3D 打印部件的质量。最后，报告称，由于加工区域和照明系统之间的非接触方式，加工原料的激光光斑或光学图案有助于提高稳定性和可重复性。

话虽如此，最广为人知的微增材制造工艺包括 DLP、微立体光刻 (μSLA)、投影微立体光刻 (PμSL)、双光子聚合（2PP 或 TPP）、基于光刻的金属制造 (LMM)、电化学沉积和微尺度选择性激光烧结 (μSLS)。

直接光投射 (DLP) 技术

DLP 技术通过将 DLP 与自适应光学器件的使用相结合，能够实现可重复的微米级分辨率。与通常被称为非常相似的 SLA 的主要区别之一是 SLA 需要使用激光来跟踪一层，而 DLP 使用投影光源一次固化整个层。

微立体光刻 (μSLA)

同样基于光诱导层堆叠制造，微立体光刻 (MPuSLA) 用于通过将光敏聚合物树脂暴露于紫外激光来构建物理组件。

投影微立体光刻 (PμSL)

PμSL 是一种基于区域投影触发光聚合的高分辨率（高达 0.6 μm）3D 打印技术，能够制造覆盖多个尺度和多种材料的复杂 3D 架构。基于此过程的机器通常被认为结合了 DLP 和 SLA 技术的优点。由于其可负担性、准确性、速度以及加工聚合物、生物材料和陶瓷的能力，该工艺迅速发展。

基于光刻的金属制造

在光敏树脂中均匀分散后，金属粉末随后通过用蓝光曝光选择性聚合。3D打印的生坯部件随后在炉中进行烧结获得致密的零件。

双光子聚合（2PP 或 TPP）

这个过程通常被认为是微型 3D 打印机中精度最高的。2PP 是一种直接激光写入方法，无需昂贵的掩膜生成和多次光刻的使用即可工作3D 和 2.5D 微结构的步骤。可以说2PP 在无掩模光刻和高精度增材制造之间发挥了全部潜力。

根据3D科学谷的市场了解，目前2PP 推进了晶圆级平面基板上零件的微制造，例如，在光纤、光子芯片和内部密封的微流体通道应用领域。

2PP需要专用的光敏树脂，以便于处理、实现最佳分辨率和形状精度，并为不同的应用量身定制。目前，基于双光子聚合的高精度 3D 打印非常适合应用设计的快速原型制作，以用于生物医学设备、微光学、微机电系统 (MEMS)、微流体设备、光子封装（例如 PIC）、表面工程项目等。晶圆处理能力使3D微型零件的批量处理和小批量生产比以往任何时候都更容易。

电化学沉积

电化学沉积是一种罕见的不需要任何后处理的微型 3D 打印技术。该过程使用一个称为离子尖端的小打印喷嘴，并将其浸入支持电解质浴中。调节的气压推动含有金属离子的液体通过离子尖端内的微通道。在微通道的末端，含有离子的液体被释放到打印表面上。然后将溶解的金属离子电沉积成固体金属原子。后者随后成长为更大的构建块（体素），直到零件形成。

微尺度选择性激光烧结 (μSLS)

这种基于粉末床融合的增材制造也称为微米级选择性激光烧结 (SLS)，包括在基材上涂上一层金属纳米颗粒墨水，然后将其干燥以生成均匀的纳米颗粒层。此后，激光将纳米颗粒烧结成所需的图案。然后重复该过程，直到创建零件。

令人着迷的小零件

随着新处理技术的进步，例如双光子灰度光刻 (2GL ®) 以及市场上出现的更高功率激光与改进的硬件（例如载物台和扫描仪）的结合，微增材制造的现状发生了变化。相比之下，其他更为传统的增材制造技术，如 DLP、SLA 和投影微立体光刻 (PμSL) 只能制造更大的结构，然而，当涉及到高分辨率（<1 微米）3D微加工时，它们会遇到几何限制。由于紫外光的固有直接照明，分辨率和设计几何形状受到限制。

根据3D科学谷的市场观察，借助最近推出的 Quantum X align，Nanoscribe为光子封装提供了一种新颖的工业解决方案。通过组件级而不是芯片级的模式场匹配来减少耦合损耗。具有纳米精度自动对准的高精度 3D打印推动了直接在光子芯片和光纤芯上制造微光学元件，并直接在适当位置打印自由曲面微光学元件或衍射光学元件 (DOE)，从而促进光子平台上的优化光学耦合。

Nanoscribe 专有的双光子灰度光刻 (2GL ®) 显着加快了用于光学应用的 2.5D 结构的高精度微加工，例如具有最高形状精度和光学级表面（Ra ≤ 5 纳米）。为了进一步扩大生产规模，Nanoscribe 已经与 EV Group 和 kdg opticomp公司一起试行了两种可靠且经过验证的复制策略。

与任何 3D 打印过程一样，微型3D打印允许其用户从设计自由中受益。光子集成、光学计算和数据通信领域的一个挑战是推进光子组件的对齐和封装。专门的基于硬件和软件的3D打印解决方案可以实现高效的微光耦合。

与通过传统制造工艺制造的相同零件相比，制造一个小零件的速度是令人着迷的。随着小型化微型产品的进步，微3D打印适用于所有处理小型和精密零件的行业。传统上制造小零件的成本一直很高，而微增材制造现在正在提供更便宜且易于使用的解决方案。

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

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激光增材制造技术从原理上突破了传统构件的结构设计和制造模式，能够实现复杂形状金刚石工具精密成形。然而，在激光增材制造过程中，金刚石极易受到激光直接辐照和熔池瞬时高温的影响而造成热损伤。因此，金刚石的热损伤控制是激光增材制造能否广泛应用于金刚石超硬复合材料制备的先决条件和关键因素。

中南大学粉末冶金国家重点实验室、河南黄河旋风股份有限公司等单位的学者对于激光粉末床熔融增材制造金属基金刚石复合材料中的金刚石磨粒热演化和石墨化进行了研究。相关成果发表在国际著名期刊Virtual and Physical Prototyping上。

本期谷.专栏，将分享这一研究的研究背景、研究亮点、研究结果，以及这项研究对于我国复杂形状金刚石工具制造与高端金刚石超硬制品制造领域的意义。

相关研究论文链接：

https://doi.org/10.1080/17452759.2022.2121224

该论文共同第一作者为马青原、彭英博，第一完成单位为中南大学，通讯作者为中南大学张伟副研究员。

研究背景

超硬工具制品在硬、脆等难加工材料的精密、高效、节能制造等方面具有不可替代的作用。金刚石作为最硬的材料，其工具制品（包括钻具、刀具和磨具），占超硬工具的总量80%以上。我国合成金刚石颗粒总产量占世界的95%以上，原料品质已达到国际先进水平。然而，我国高端金刚石工具制品仍然不能完全满足高精密、长寿命等加工要求。

当前金刚石复合材料领域的主要技术瓶颈在于：工具制品结构-功能一体化设计与制造技术亟待提升，现有结构形状较简单、加工效率低，缺少如多孔体、内流道等复杂形状结构，金刚石磨粒有序排布、材料成分梯度分布等特殊微结构，以提升容屑、冷却、缓解应力的功能。结构-功能一体化是提高金刚石工具加工性能的重大发展方向。增材制造技术从原理上突破了传统构件的结构设计和制造模式，能够实现复杂形状金刚石工具精密成形。加强高性能金刚石工具制品增材制造技术的研发，推动金刚石行业技术升级和结构调整，是支撑国家发展战略顺利实施的重大任务。

激光增材制造技术是增材制造技术中最具代表性的一类，在增材制造技术领域扮演着重要的角色。近年来，国内外学者及研究机构围绕金属基金刚石复合材料激光增材制造方向开展了较为丰富的探索性研究工作，并取得了一系列成果。

目前的研究热点主要围绕内结构成形、工艺参数优化、界面组织结构演化以及基础力学性能评价等方面展开。然而，在激光增材制造过程中，金刚石极易受到激光直接辐照和熔池瞬时高温的影响而造成热损伤。因此，金刚石的热损伤控制是激光增材制造能否广泛应用于金刚石超硬复合材料制备的先决条件和关键因素。有部分研究表明，激光增材制造会导致金刚石出现热损伤，主要形式为金刚石磨粒表面的石墨化转变。过度的石墨化转变将严重影响金刚石颗粒强度及复合材料的综合力学性能。但是截止目前，金刚石磨粒在激光增材制造中的热演化过程，以及诱导金刚石表面石墨化转变的主要原因与机理却鲜有报道。

基于以上背景，中南大学粉末冶金国家重点实验室、河南黄河旋风股份有限公司等单位的学者，围绕高能激光束和高温熔池两个影响打印过程中金刚石石墨化行为的关键因素，选取典型的金刚石工具用金属结合剂CuSn10粉末，采用粉末床熔融（Powder bed fusion- laser beam，PBF-LB）技术制备了CuSn10-金刚石复合材料。该研究团队利用ANSYS有限元模拟软件，首次重现了PBF-LB过程金刚石磨粒的热演化过程，并结合实验验证了该过程中石墨化转变的温度阈值，建了“PBF-LB工艺-磨粒温度-石墨化程度-力学性能”的定量关系模型，该研究为金属基金刚石复合材料的激光增材制造工艺设计与结构-性能相关性预测提供了一个很好的策略和路径。

研究亮点

该研究团队所开展的工作包括以下几个研究亮点：

• 以单颗金刚石磨粒为研究对象，通过有限元模拟分析构建了金刚石磨粒的温度场模型，反映了金刚石磨粒在PBF-LB中的热演化过程。
• 阐明了PBF-LB过程金刚石的热损伤机制，金刚石发生石墨化转变并非是由激光的直接辐照造成的，而是由高温熔池的热影响导致。
• 建立了“PBF-LB工艺-金刚石磨粒温度-石墨化程度-摩擦磨损性能”的定量关系。

图文导读

图1 金刚石颗粒的温度场分布状态

图2 不同工艺下金刚石颗粒的最高温度-时间变化曲线

图3 不同温度下金刚石颗粒微观结构：无石墨化、轻微石墨化和严重石墨化区域分别对应紫色区域1、绿色区域2和红色区域3

图4 不同温度下复合材料界面元素扩散特征：(a)1242.1℃；(b)1539.4℃；(c)1891.1℃

图5 PBF-LB制备CuSn10-金刚石复合材料示意图：(a)混合粉末床；(b)激光直接辐照金刚石；(c)高温熔池接触金刚石

研究结论

在金刚石超硬复合材料的激光增材制造中，金刚石和粉末材料参数以及激光工艺参数是影响其成形质量的主要因素。金刚石具有优良的导热性能，它会改变合金熔体的局部导热能力和温度分布，从而影响熔池形态、金刚石附近的微观组织和成形质量。此外，由于金刚石高温热稳定性较差，当与高温熔池接触时，容易发生氧化、石墨化、化学侵蚀等热损伤。因此，建立一个定量关系来准确评价金刚石磨料的热损伤行为及其相关的微观组织-性能特征，为工艺参数与成形之间的关系提供基础支撑，是极其重要的。

研究发现：(1)熔池移动进程中金刚石磨粒温度呈现两个峰值，分别对应金刚石磨粒与熔池部分接触和完全浸入熔池时刻。此外，不能简单地基于激光能量密度来评价金刚石状态，激光能量密度与熔池（金刚石磨粒）温度并非呈线性关系。(2)PBF-LB激光能量输入远小于金刚石石墨化的理论烧蚀阈值，因此金刚石石墨化不是激光直接照射引起的，而是高温熔池的热效应所致。CuSn10 -金刚石复合材料在PBF-LB过程中石墨化的临界温度为1491.6℃。(3)复合材料的磨损性能随石墨化程度的增加而降低，摩擦系数由0.62增加到0.75，磨损深度由97.16μm增加到118.29μm。磨损机理随石墨化程度的增加呈现磨粒磨损→粘着磨损/磨粒磨损→三体磨损/粘着磨损的显著变化。

展望与未来

增材制造技术从原理上突破了传统构件的结构设计和制造模式，能够实现复杂形状金刚石工具制品精密成形。通过增材制造技术的不断创新，实现复杂形状金刚石制品的制备和高性能化，有效解决复杂结构金刚石超硬材料制品效率低、精度差、服役寿命短、加工难度大的难题，大幅提升金刚石复合材料工具制造对重大加工需求的灵活设计、快速反应和生产能力，降低研发成本，缩短制造流程和周期，提高产品服役性能，从而加快改变我国高端金刚石超硬制品长期依赖进口的被动局面，提升我国高性能金刚石制品的研发能力，支撑高端制造业和相关产业的发展，解决国民经济和国防建设的重要需求。

上述研究得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金区域创新发展联合基金项目、湖南省自然科学基金的支持。据悉，论文作者团队主要来自中南大学刘咏教授课题组和黄河旋风股份有限公司研发中心。近年来，合作双方致力于超硬复合材料领域高熵合金粘结相材料及异质界面结构设计与强韧化调控、新型增材制造及涂层技术的研发，在国内外权威期刊已发表多项成果【DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2019.105109】、【DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.157023】、【DOI: 10.1016/j.matdes.2022.110522】。

l 谷专栏 l

The following article is from 复合材料力学 Author 柠檬树

地球上有许多生物系统经历了数千年的进化来完善其结构，每个系统都极大地利用了不同的环境。此外，生物结构通常可以演变成某些与功能相关的模型。然而，自然模型中复杂的微结构构造超出了传统制造方法的制造能力。这种限制阻碍了对仿生设计的进一步研究和应用探索。增材制造 (AM) 或 3D打印工艺的出现提升了设计自由度，同时具有材料浪费最小化、可大规模定制、几何结构复杂、快速原型制作以及制造复杂微/细观结构的能力，彻底改变了现代制造模式。

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仿生结构的范围涉及植物、动物和昆虫, 其复杂结构可以通过 3D 打印技术予以实现 (图 1）。例如，龙虾爪中的Bouligand结构会通过增加裂纹扩展的难度来有效提高材料的韧性和抗冲击性。轻木结构中的排列纤维可提高强度，进而提高抗风能力。天然珍珠层中的实体结构通过裂纹偏转和能量耗散提高了抗冲击性。

图 1.示意图显示了仿生结构。(A)龙虾爪的布氏结构 ( Yang et al., 2017 )；(B)轻木中的排列纤维；(C)天然珍珠层中的实体结构（Tran 等人，2017 年）。

武汉大学人民医院骨科、圣地亚哥州立大学机械工程系、南加州大学维特比工程学院莫克家族化学工程与材料科学系和凯克医学院罗斯基眼科研究所等单位的研究团队，对于具有增强性能，尤其是机械性能提升的仿生3D打印材料的最新进展进行了研究，相关成果以标题为“Rapid Recent Advancements in Biomimetic 3D Printing Materials With Enhanced Mechanical Properties” 发表在材料前沿期刊《Frontiers in Materials》。本期谷.专栏将结合这篇论文, 洞悉单一材料、多材料3D打印仿生结构的发展。

论文链接：

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

单一材料

业界对使用单一材料的仿生结构3D打印技术进行了广泛的研究。材料可以是不同类型的聚合物、金属、陶瓷等。使用 3D 打印的仿生结构在增强单一材料的机械性能方面发挥着重要作用。

1. 蜂窝结构

六角蜂窝的仿生结构已应用于多个工程相关领域。使用聚乳酸 (PLA) 作为单一原材料，通过熔融沉积成型 (FDM) 制造厚蜂窝结构，该工艺通过使用加热的打印喷嘴直接挤出材料来完成（图 2A）。

使用与蜂窝类似的方法，制造并在压缩下测试标称直径为 12.7 毫米和标称长度为 25.4 毫米的散装圆柱体（100% 填充）。测量的块状材料的弹性模量和屈服应力分别为 1.962 ± 0.069 GPa 和 56.204 ± 1.213 MPa。与细胞壁的轴向刚度相比，细胞壁的抗弯刚度急剧上升，直到达到临界值。结果可用于预测和优化各种蜂窝的机械性能，如图 （2B）。

该研究表明，单位体积的弹性模量、抗压强度和能量吸收从低密度 L-EH 样品的 71.77、2.16 MPa、341 KJ/m³增加到 高密度的 L-FH-1 样品的496.97、5.96 MPa 、 2132 KJ/m³ ( Yan et al., 2020 )。

图 2. 3D 打印仿生增强结构。(A) 3D 打印厚蜂窝的机械性能 ( Hedayati et al., 2016 )；(B)蜂窝状结构和不同层厚的面内压缩应力-应变曲线( Yan et al., 2020 )；(C)使用刚性聚合物的石鳖鳞片启发式柔性装甲（Connors 等人，2019 年）；(D)具有通过选择性激光熔化 (SLM) 制造的甲虫启发金属晶格结构 ( Du et al., 2020 )。

2. 壳启发的结构

Martini等人从鱼鳞中获得灵感来制造灵活的盔甲。他们使用3D打印方法在聚氨酯膜上构建不同的丙烯腈丁二烯苯乙烯 (ABS) 结构。他们构建了仿鱼鳞结构，结果表明，简化的弹性体结构的平均穿刺阻力最大（13N），但其弯曲柔度较低。与孤立的鳞片相比，仿生鳞片阵列的抗穿刺性提高了 16 倍。但弯曲顺应性下降了 20 倍。这一结果表明，3D 打印仿生结构的尺度相互作用（如天然鱼鳞）显著增加了抗穿刺性并降低了弯曲顺应性。

通过使用弹性模量为 2GPa 的 3D 打印聚合物材料，研究了受到石鳖鳞片启发的柔性装甲，以准确模拟自然结构。3D 打印结构显示出良好的柔韧性和保护性，可以很好地附着在人体上，并展示了作为军事或运动盔甲的潜在应用（图 2C）。对于使用金属的仿生结构的 3D 打印，使用了AlSi 10 Mg 粉末材料，以通过选择性激光熔化 (SLM) 技术模拟甲虫壳结构 。研究了不同激光功率对显微组织和力学性能的影响。最高F最大值(2.95 kN) 与最大位移值 (1.18 mm) 在样品中达到 375 W。随着激光功率进一步增加到 450 W，累积位移急剧下降。3D打印结构（低密度为270 kg/m 3）显示出12 MPa的高抗压强度，远高于铝合金，可与钛合金媲美（图2D）。

多材料

目前3D打印可以构建多材料或复合系统。在受自然结构启发的单个组件中，硬度、耐腐蚀性和环境适应性等特性可以在最需要的区域进行优化。这些新技术可以生产出性能优异的多功能组件，这是传统单材料3D打印无法实现的。

1.Bouligand结构材料

Bouligand 型结构是一种特定的分层排列结构，可以在保持少量质量的同时实现出色的机械性能。研究发现制造这种结构的一个挑战是在制造过程中难以对齐基体中的增强相。应对这一挑战的一个解决方案是应用额外的场来通辅助3D 打印实现形状变化的各向异性。为了使用 3D 打印重新创建这种独特的加固结构，需要应用几个额外的外部场。结果显示机械性能得到改善，10 度时的最大极限强度为 57 MPa，15 度时的韧性为 1.4 N/mm 2（图 3A）。

图 3.示意图说明了 Bouligand 微结构的 3D 打印研究，(A)为拉伸试验设计的平行扫描路径 ( Zimmermann et al., 2013 ; Sun et al., 2020 ); (B)与铸造控制盘的 MOR 相比，具有不同俯仰角和填充百分比的 Bouligand 架构的断裂模量 (MOR) 与相对密度的关系 ( Moini et al., 2018 )；(C)螺旋结构示意图 ( Zaheri et al., 2018 )；(D)具有 Bouligand 型 MWCNT-S 的仿生结构的电辅助 3D 打印（Yang 等人，2017 年）；(五)Bouligand 结构的磁性 3D 打印以及不同比例或嵌入微结构的组件的冲击强度比较 ( Ren et al., 2018 )。

例如，通过施加外部电场来控制树脂基质中碳纳米管 (CNT) 的排列，以制造 Bouligand 型排列的表面功能化 MWCNT-S（图3D）。将磁场应用于仿生结构材料的 3D 打印制造过程，以实现仿螳螂虾的“人字形”螺旋结构和巨骨舌鱼的 Bouligand 结构（图 3E）。虽然金属涂层和聚合物的界面结合特性较差，但可以通过使用硅烷偶联处理来改善。

2.挤压轻木结构

轻木的结构是自然界的多孔材料之一，具有出色的强度重量比和刚度重量比，以及出色的能量吸收。康普顿等人制备了通过 3D打印生产的轻木仿生结构（图 4A）。Malek等人制造了一种受轻木启发的轻质蜂窝结构，该结构具有纤维增强复合材料细胞壁并产生优异的机械性能（图 4B）。打印材料的纵向杨氏模量可达57 GPa（超过木质细胞壁材料的纵向模量）。另一种仿生纤维素材料是类真菌粘合剂材料（FLAM）。受真菌卵菌壁的启发，Sanandiya 等人发明了一种使用甲壳素作为基质、纤维素纤维和木地板作为增强材料来制造复合材料的新方法。这种方法创建的 FLAM 具有坚固、轻便和节省成本的优点（图 4C）。除了场辅助 3D 打印来制造超材料，Jordan 等人发明了一种旋转 3D 打印方法，该方法允许在树脂基体中对短纤维进行空间控制排列，同时调整打印速度和喷嘴旋转速度来生产短碳纤维-环氧树脂复合材料（图 4D）。与不旋转打印的样品相比，通过旋转可以生产具有更高负载、更高断裂前刚度和更好能量吸收效率的材料。

图 4.示意图说明了轻木中排列的纤维结构。(A)具有对齐的SiC /C 纤维的 3D 打印三角形蜂窝复合材料的光学图像（康普顿和刘易斯，2014 年）；(B)模拟受轻木启发的多孔复合材料的多尺度方法示意图。不同的颜色代表在细胞结构水平上具有不同纤维取向的八层（Malek et al., 2017）；(C)类真菌材料的超分子组织 ( Sanandiya et al., 2018 )；(D)示意图显示了通过旋转喷嘴旋转 3D 打印以获得螺旋图案时的纤维取向（Raney 等人，2018 年）。

3.珍珠层结构

珍珠层的结构是自然界中最常见的仿生设计，这种结构可以用作体育用品、航空航天和其他相关领域的轻质、坚固的防护罩。特兰等人还提出了一种制造受珍珠层启发的基于 Voronoi 的复合结构的 3D 打印方法（图 5B），这使得制造各种潜在应用的轻质和坚固结构成为可能。Yang等人提出了一种通过 3D 打印的方式来制造受珍珠层启发的多功能设备的新方法（图 5C）。进一步开发了具有独特性能的多材料珍珠层启发设计，并将它们组装成一层以模仿珍珠层的结构，然后进行 3D 打印以进行冲击测试（图 5D）。

图 5.示意图说明了珍珠层的微观结构。(A)受珍珠层启发的结构的 3D 打印，由有限元 (FE) 模型引导 ( Gu et al., 2016 )；(B)鲍鱼壳的微观结构显示砖和砂浆结构( Tran et al., 2017 )；(C)电辅助3D打印制作的具有各向异性电学特性的珍珠层模型和自感应智能头盔( Yang et al., 2019 )；(D)受海螺壳启发的三层碳酸钙交叉层状结构的 3D 打印 ( Gu et al., 2017 )。

4.变形材料

仿生结构和仿生运动可以很大程度改善人造材料的机械性能。阿尔斯兰等人发现了一种仿生设计，该设计应用了由温敏性差的填料 [聚 (乙二醇) (PEG)] 和温敏性增强聚合物 [聚 (N-异丙基丙烯酰胺) (PNIPAM)] 制成的线性水凝胶致动器（图 6B）。此外，具有各向异性PEG排列的3D结构可以实现大约 210% 的线性驱动，在与PEG增强方向垂直和纵向的方向上具有大约 110% 的应变。从收缩到膨胀状态的主要驱动方向比横向方向（接近 20% 应变）高约六倍，并且可以通过 PEG 模式的对齐来控制运动。

图 6.通过 3D 打印表示变形材料结构的示意图。(A)松果结构示意图及刺激下的变形行为( Ren et al., 2019 )；(B) 3D 打印水凝胶双层结构的程序化运动 ( Arslan et al., 2019 )；(C)两种激活的形状记忆花瓣状结构和可逆致动器的设计原理( Mao et al., 2016 )；(D)从象鼻中汲取灵感的 3D 打印仿生软执行器 ( Schaffner et al., 2018 )。

总结

经过数百万年的进化，天然结构和材料已经进化出优异的机械性能。但这些自然结构往往过于复杂，传统制造技术无法企及。增材制造（3D 打印）在仿生结构的设计和建造中显示出巨大的优势。机械增强结构仿3D打印的进一步发展将取决于材料和结构的发展，以进一步提高拉伸模量、抗冲击性和韧性。此外，还需要开发新的 3D 打印工艺，例如更高的分辨率、多材料能力、更大的打印面积和更低的制造成本。

最近，仿生3D打印的研究已经从单一功能特性的研究转变为多功能特性的研究，因为大多数天然结构都具有多功能特性（例如机械/电/热特性的组合）。由于尺度差异和材料差异，多材料复制受珍珠层启发的结构仍然存在局限性。使用多种聚合物，而天然珍珠层通过结合陶瓷和聚合物可开发出优异的结构。

外部场辅助3D打印技术在构建仿生结构方面表现出出色的能力，但目前打印样品的尺寸仅限于厘米。为车辆、装甲和航空航天工程的实际应用建造大型结构仍然具有挑战性。幸运的是，当今制造和技术环境的快速发展正在推动仿生 3D打印技术的进步。总体而言，了解自然结构的机制可以激发3D打印工艺的发展，这些工艺将在未来的工程应用中发挥重要作用，例如防弹衣、机械臂、药物输送等。

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