狂发Science,市值上千亿!这个技术真的能改变世界吗?
ivvi 纳米人 2021-04-05
2012年,英国《经济学人》宣称:3D打印技术将引发全球第三次工业革命。


2013年,麦肯锡公司将3D打印列为12项颠覆性技术之一,并预测到2025年,3D打印技术将影响全球超过2千亿美元的新经济。

技术决定未来

技术是硬道理!3D打印技术的快速发展,从本质上都是技术驱动的。

从最早的SL立体光刻技术,到FDM熔融沉积成型技术,到SLS选择性激光烧结技术,再到最新的TPP双光子光聚合技术和CAL计算机轴向光刻技术等等等等,新技术如雨后春笋,层出不穷,使得打印成本在不断下降,打印速度在不断加快,打印精度持续提高,打印材料不断丰富,包括各种液体、高分子、陶瓷、水泥、金属、碳纤维等等。

Science:真正意义上的3D打印!【点击阅读详细技术解读】
三维成型,不需要逐层打印,直接一次性打印3D物体,实现了真正意义上的3D打印。可创建比传统3D打印机更平滑,更灵活和更复杂的对象,原料几乎100%可重复使用。

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参考文献:
https://science.sciencemag.org/content/363/6431/1075

Nature:3D打印技术分辨率提高10倍!【点击阅读详细技术解读】
为了实现更快、更高分辨率的3D打印,德国科学家发明一种全新的Xolography技术,不需要将打印材料逐层打印,工艺流程更加简单,打印速度更快,固化速度达到55 mm3/s,分辨率达到 25 μm。此外,VAM还可以生产更高质量的零件,不需要像其他3D打印技术那样先打印支撑结构,然后将其去除。

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参考文献:
https://science.sciencemag.org/content/366/6463/360

Science:3D打印速度提升上百倍!
立体凹版3D打印技术使用一个移动的液体界面)来减少界面和打印对象之间的粘附力,从而实现连续的快速打印过程,而不考虑聚合物前驱体,连续的垂直打印速率超过每小时430mm,适用于硬塑料、陶瓷前体和弹性体,堪称3D打印技术的革命性突破!

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参考文献:
https://science.sciencemag.org/content/366/6463/360

Science:3D打印速度提高1000倍!
超快激光打印技术,在保持亚微米分辨率的同时,还可以大幅度提高打印速度,使得打印产量提高了三个数量级,并扩展了设计空间,能够在8分钟内打印出传统TPL方法几个小时才能完成的结构。

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参考文献:
https://science.sciencemag.org/content/366/6461/105

Science封面:3D打印会呼吸的人造器官!
投影立体光刻(projection stereolithography)3D打印技术,在几分钟就可在透明光聚合水凝胶中制备处具有三维内部功能结构的血管系统,为生物器官的3D打印技术兼顾多种不同的管道系统,提供了革命性的方案。

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参考文献:
https://science.sciencemag.xilesou.top/content/364/6439/458

Science:3D打印心脏
基于水凝胶材料,针对胶原蛋白进行3D生物打印,在不同尺度上直接打印出具有精确组成和微观结构的心脏组织成分,从毛细血管到整个器官,都得以实现人工重构。

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参考文献:
https://science.sciencemag.org/content/365/6452/482

Nature:3D打印世界上最轻的材料!【点击阅读详细技术解读】
发展了一种3D打印SiO2气凝胶宏观物体的新方法,为SiO2气凝胶的规模化应用打开了一扇大门。

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参考文献:
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2594-0

Nature:3D打印高强度铝合金!
一种基于纳米成核剂实现3D打印铝合金的普适性金属3D打印技术,适合一系列合金材料和3D打印设备,具有良好的普适性。为不可焊接的超级镍合金或镍基间金属提供了3D打印的可能。

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参考文献:
https://www.nature.com/articles/nature23894

Nature:3D打印透明石英玻璃!
一种3D打印透明熔融石英玻璃的新技术,扩宽了3D打印对原材料的选择,使得在工业和科研领域应用宏观和复杂微观结构透明熔融石英玻璃成为现实!

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参考文献:
http://www.nature.com/nature/journal/v544/n7650/full/nature22061.html

Nature: 3D打印抗损伤结构化材料
利用晶体材料中发现的硬化机制,通过模仿晶体材料的微尺度结构,利用3D打印技术来开发强度大且耐损伤的结构化材料。

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参考文献:
https://www.nature.com/articles/s41586-018-0850-3

Nature:3D打印超强钛合金材料!
通过简单的工艺,实现3D打印具有精细钛晶粒微观结构的钛铜合金。相比常规合金,具有更优异的力学性能。

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参考文献:
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1783-1

Nature:3D打印液晶高分子!
以液晶高分子为原料,通过3D打印技术,可以获得兼具高韧性、高刚度和高强度的可回收轻质聚合物,解决了常规高分子3D打印力学性能较差的问题。

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参考文献:
https://www.nature.com/articles/s41586-018-0474-7


如何在干燥气氛中进行3D打印

3D打印彻底改变了电子,光学,能源,机器人,生物工程和传感的制造工艺。小尺寸的3D打印技术能够充分利用微结构和纳米结构的特性。但是,现有的金属3D纳米打印技术均需要聚合物-金属混合物,金属盐或流变油墨,从而限制了材料的选择和所得结构的纯度。在先前的研究中,气溶胶光刻技术已被用于在预先图案化的衬底上组装高纯度的三维金属纳米结构阵列,但所制备的几何形状有限。

新突破:带电气溶胶喷射
近日,韩国首尔国立大学的Mansoo Choi教授和浦项科技大学的Junsuk Rho教授等发展了一种可以使用各种材料直接3D打印金属纳米结构阵列的技术,该阵列具有灵活的几何形状和小至数百纳米的特征尺寸。结合其他3D打印方法,研究者希望该3D纳米打印技术能够在纳米制造方面取得实质性进展,加大3D打印技术在更广泛领域的应用潜力。

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核心亮点
1、发展了使用带电的气溶胶作为构建基块的3D打印技术。
2、这种完全干燥的技术,不需要使用聚合物或油墨
3、可以制备各种类型的纳米材料包括螺旋、悬垂的纳米柱、环结构和字母等。4、该技术有两种打印模式:尖端3D增长和表面书写。通过结合两种模式,成功地制造出具有磁共振的垂直SRR结构。
5、开发了与实验数据一致的物理模型,并结合其他3D打印方法,以期该技术能够在纳米制造方面取得实质性进展。

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图1三维纳米喷嘴的原理图和表征

整个3D印刷过程在干燥的气氛中进行,不再需要聚合物或墨水。取而代之的是,将离子和带电的气溶胶颗粒引导到一个电介质掩模上,在偏置的硅基板上的悬浮着一系列孔洞。

离子在每个孔周围聚集,生成静电透镜,随后将带电的气溶胶颗粒聚焦成纳米级喷射流。这些射流由会含孔掩模下形成的聚电场线引导,其作用类似于常规3D打印机的喷嘴,可将气溶胶颗粒3D打印到硅基板上。

通过在打印过程中移动基材,成功地打印了各种3D结构,包括螺旋、悬垂的纳米柱、环和字母。除此之外,研究者也打印了一组垂直裂环谐振器结构,展示了该技术的普适性。

这项研究进一步发展了3D打印技术,极大地丰富了3D打印物体的几何形状,为3D打印技术千亿产业链,注入了新的活力!

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图2表面书写模式打印的3D等离子体超材料的光学表征

未来可期

任何技术的发展,都是建立在前人的肩膀上。被惊为天人的3D打印技术,也并非天外来物。

早在19世纪,3D打印技术就开始萌芽。直到1986年,美国人Charles W. Hull开创了世界第一家3D打印公司:3D Systems(采用SL立体光刻技术);1989年,美国人Scott Crump成立Stratasys公司(采用FDM熔融沉积成型技术)。随后,3D打印技术风生水起,如火如荼!

3D打印实际上是利用光固化和层叠等技术的最新快速成型装置。它与普通打印工作原理基本相同,打印机内装有液体或粉末等“打印材料”,通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来,最终把计算机上的蓝图变成实物。

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全球首驾3D打印飞机

从生活用品到火箭和飞船零配件,从汽车到别墅,甚至是心脏等医学器官,3D打印似乎无所不能。

根据《2019年全球及中国3D打印行业数据》调研报告指出,2019年全球3D打印产业规模达119.56亿美元,增长率为29.9%。照此估算,2021年,全球3D打印市场将超过千亿元人民币。

3D打印,未来可期!


3D打印技术交流QQ群:247384403

参考文献:
Jung, W., Jung, YH., Pikhitsa, P.V. et al. Three-dimensional nanoprinting via charged aerosol jets. Nature 2021, 592, 54–59.
DOI:10.1038/s41586-021-03353-1
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03353-1



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