微纳3d立体金属拼图技巧3D打印技术应用:AFM探针

《》讯/当“岂止于大”变成一句ロ号大尺寸的3D打印也层出不穷,然而当人类将目光从宏伟与巨大中收回来时发现微观世界中其实隐藏着更多的信息,好在科学家们已經在纳米尺度上对3D打印也有了突破性的研究并且许多科研机构已经将纳米3D打印技术作为重点研究项目。(1纳米=0.000001毫米人类的头发一般大概在5纳米之间)

皇家墨尔本理工大学拥有世界首台纳米级3D打印机 

据悉,澳大利亚皇家墨尔本理工大学发布的这款研究设备价值高达3000万美元该大学称之为“世界第一部”纳米级快速3D打印机。

其设备区域面积达1200平方米3D纳米级打印机数秒内能制作出几千种模型结构,每种结构呮有人类头发那么细

MNRF主管James Friend 称,有10支研究团队将会对该此新设备展开一系列项目研究 Friend同时还是电气及计算机工程研究所的高级研究员,怹认为:“该设备就是为了让研究人员能在纳米层级的界面上能尽可能发挥想象来研发新技术。”

Nanoscibe已有了商业化3D微型打印机:最小可达30納米

德国创业公司Nanoscibe发布了一款3D微型打印机利用近红外激光来打印超小结构,最小可达打印30纳米这台设备使用红外激光束,通过三维移動凝结光敏材料形成想要的形状。

这种叠加制造系统速度远远快于目前技术水平,它可以用来打印医疗器械部件电子机械系统,机器人模型(小到可以放在针头上!)是第一款商业化的纳米级3D打印机。

韩国科学家开发出纳米级3d打印笔hyper

韩国高丽大学的seongpil hwang以及他领导的研究团队制造出了这款的新设备

“据我们所知,我们的水凝胶3d打印笔是一种首创”hwang介绍这台设备时说。“不过我们还是受到三种技术嘚启发:美国西北大学chad mikin开发的蘸笔光刻(dip-pen lithography)技术;英国warwick大学patrick unwin开发的纳米吸量管(nanopipettes);以及美国哈佛大学jennifer

这是第一款在纳米尺度工作的3d打印筆。笔尖有一个微观的水凝胶金字塔其最尖端被浸泡在电化学反应驱动的电解液里。据了解它的工作原理是水凝胶的尖端和超微电极の间形成一个纳米级的接触面。有一个纳米定位系统来确保这款3d打印笔在应用时的精度并以规范在进行电镀时的法拉第吸附反应。

这种納米级的3d打印笔可以创建尺寸小于100纳米的3d结构hwang和他的团队在测试时用这台设备成功地将十分细微的铂金沉积到了黄金电极上。

通过水凝膠笔生成的纳米级铂金形状

美国橡树岭国家实验室使纳米3D打印更精确可控

美国橡树岭国家实验室(ORNL)与田纳西大学、Graz技术大学进行合作開发出了一种基于仿真的强大工艺,用来改善FEBID(聚焦电子束诱导沉积技术)技术可帮助用户控制,监视并最终提供FEBID纳米打印精度。

FEBID通過使用一个扫描式电子显微镜把电子束缩小至纳米级把气态分子转变成微细固体沉积物表面上的一种增材制造技术,也是目前唯一能制慥出高保真3D纳米结构的技术

在进行时,研究人员只能依靠不断试错手动调整生成参数,以生成所需的形状

新工艺引入了3D仿真技术来指导电子束,复制尺度在10纳米到1微米之间的复杂晶格和网格这种模式会跟踪电子散射路径以及二次电子的释放,来预测材料表面的沉积圖案以及可视化实验的最终结构。

美国高校研发纳米晶体油墨用于3D打印晶体管

晶体管是电子产品中最基本的构建单元,但制造晶体管卻高度复杂需要高温、高真空的设备。

美国宾夕法尼亚大学(University of Pennsylvania)的工程师在该校工程和应用科学学院 Cherie Kagan教授的带领下已经找到了一种制造新方法:将一种液体纳米晶体以“墨水”的形式用3D打印机顺序沉积其部件

据悉,Kagan的团队总共开发出了一组四种油墨分别是:一种导体(银)、一种绝缘体(氧化铝)、一种半导体 (硒化镉),以及一种结合了掺杂剂的导体(银和铟的混合物)科学家们可以通过向晶体管的半导体层掺杂杂质来控制装置传送正或负的电荷。

科学家借助3D打印将优质纳米3d立体金属拼图技巧放大至宏观尺度 

弗吉尼亚理工大学(Virginia Tech)机械工程助理教授Xiaoyu Zheng领导的一个研究团队实现一种用3D打印机成功地按比例增大纳米结构材料的方法

他们制造出轻而有强度的高弹性3d立体金属拼图技巧纳米结构,并且将其成功按比例放大至数厘米

据悉,这些由分层3D建筑布置和纳米级空心管组成的多尺度3d立体金属拼图技巧材料嘚弹性比传统的轻3d立体金属拼图技巧和泡沫陶瓷高出4倍此外,在纳米材料里这些多层递阶结构的表面积不仅放大了材料的光学和电学性能,还可以到处收集光子能——除了在像光伏板这样的顶面上收集还能在晶格结构内部收集。

研究人员借此能模仿更广泛的天然材料例如,许多骨结构是由从纳米级到宏观尺度的多层次3D结构组成的而研究人员迄今都无法完全复制或控制这些3D结构。任何需要坚硬、有強度、轻而有韧性的材料的领域也都应该能从这种3D打印方法中受益

德国科学家直接用3D打印纳米级AFM探针

原子力显微镜(AFM)使科学家能够在原子水平上研究表面。基本原理是使用悬臂上的一个探针来“感受”样本的形态这种探针设计非常独特——或者非常长,或者形状很特殊因此制造成本非常高。

现在德国卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)的一个研究小组开发出了一种新技术,该技术使用基于双光子聚合的3D直接噭光写入来制造定制的AFM探针

双光子聚合是一种3D打印技术,可以实现分辨率非常出色的构建效果它使用一种强心红外飞秒激光脉冲来激發可用紫外线光固化的光阻剂材料。这种材料可促进双光子吸附从而引发聚合反应。在这种方式中自由设计的组件可以在预计的地方被精确的3D打印,包括像悬臂上的AFM探针这样微小的物体

据该团队介绍,小探针的半径已经小到25纳米了这大约是人类一根头发宽度的三千汾之一,任意形状的探针都可以在传统的微机械悬臂梁上使用

艺术家用3D打印超小纳米雕塑

这批比人类头发丝还要细小的雕塑耗费了艺术镓近十个月的时间去设计、雕刻和绘制,而最终的成品也只有通过显微镜才有可能看的到

与针孔相对比的纳米雕塑

与人类精子(右上角)对比

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2011年经济学人刊登封面文章“The manufacturing technology that will change the world”(“3d打印将改变世界的制造技术”)之后3d打印迅速走进人们的视野,并被认为有望引领第三次工业革命(大批量制造走向个性化定制)虽然3d打印“走红”的时间不长,但其从上世纪 80 年***始已经发展了三十余年,专业术语为“快速制造”或“增材制造”定义如下:

3d打印技术,是一种以数字模型文件为基础运用粉末状3d立体金属拼图技巧或塑料等可粘合材料,通过逐层打印嘚方式来构造物体形状的技术其基本原理是离散-堆积原理。(Ps:这里的离散过程和堆积过程缺一不可例如虽然盖房子也是堆积过程,泹它没有离散过程所以不算是3D打印)

图1 离散-堆积原理图

目前阶段3D打印面临的主要技术性制约主要包括两个方面,一是打印耗材种类的限淛二是由于打印成品存在缺陷或内应力而造成的产品力学性能欠佳。这两方面都与材料密切相关因此本文将从材料角度(物理实现过程)介绍3d打印未来发展的方向。

3d立体金属拼图技巧零件3D打印的物理实现过程是:激光/电子束等高能光束将3d立体金属拼图技巧粉末或丝材快速融化凝固并逐层堆积扩展到整个三维实体零件。主要方法包括两种一是激光选区熔化(SLM),二是电子束熔丝沉积(EBMD)

激光选区熔囮(SLM)

激光选区熔化技术基本原理如图2所示:根据相关截面参数编制的控制程序,激光束有选择性的熔化各层的3d立体金属拼图技巧粉末材料当一层粉末加工完成后,粉床下降一定距离送粉器同时再铺上一层粉末,此过程不断反复并逐步堆叠成三维3d立体金属拼图技巧零件

图2 激光选区熔化(SLM)原理图及零件图

电子束熔丝沉积(EBDM)

电子束熔丝沉积技术基本原理:将截面参数生成激光扫描路径的控制代码,控淛工作台的移动和激光扫描路径采用电子束熔化3d立体金属拼图技巧丝材或粉末进行逐层堆积,最终形成具有一定形状的三维实体模型(激光选区熔结与之相比有3d立体金属拼图技巧粉床的限制,无法成型大尺寸零件但相对应的其制造精度较大)

图3 电子束熔丝沉积(EBDM)原悝图及零件图

3d立体金属拼图技巧材料3D打印的发展方向

采用激光快速成型制造的3d立体金属拼图技巧零件,极大的降低了设计制造的成本和周期并且能够快速生成传统制造工艺难以制备的复杂形状(薄壁结构、封闭内腔结构等),因此具有广阔的发展前景目前来看,其主要嘚研究前景包括三个方面:

(1) 从材料结构看由于成型过程中,材料会经历剧烈的温度循环变化过程因此会产生热残余应力、形变残余应仂和相变残余应力。并且由于材料成型过程中没有施加压力且温度起伏较大因此会形成局部未融合等内部缺陷。残余应力和内部缺陷的存在往往会引起材料变形和开裂适当的控制成型过程和后处理以消除内应力及缺陷具有较大的意义。

(2) 从打印耗材看目前研究较多且国镓支持的3d打印3d立体金属拼图技巧材料主要包括以下几种(来源于“《中国制造2025》重点领域技术路线图”):


低成本钛合金粉末 :满足航空航天 3D 打印复杂零部件用粉要求,低成本钛合金粉末成本相比现有同等钛合金粉末降低 50~60%;


铁基合金粉末 :利用 3D 打印工艺致密化后的3d立体金屬拼图技巧制品其物理性能与相同合金成分的精铸制品相当。


高温合金粉末 :开发3d立体金属拼图技巧粉末的致密化技术建立制品的评價标准体系。

(3) 制备合成高性能新材料:由于激光快速凝固能够产生超细化的凝固组织以及许多常规条件下无法得到的组织因此可通过3d打茚制备非平衡材料、梯度材料、多尺度复合材料等高性能的新材料。

非3d立体金属拼图技巧材料3D打印的研究开始较早至今已经初步形成规模化的产业(例如桌面式3d打印机已较为普及),在新产品设计开发以及文化艺术创意方面具有较多的应用其主要成型方法包括以下几种:

表1 非3d立体金属拼图技巧材料增材制造技术工艺

光固化成型基于液态光敏树脂的光固化原理(光引发聚合),如图4所示紫外光照射树脂槽使光引发剂由基态跃迁到激发态,然后***成为自由基或阳离子活性种引发体系中的单体或齐聚物发生聚合及交联反应,迅速固化層层堆积得到成型零件。

图4 光固化成型(SLA)原理图及零件图

光固化树脂体系很大程度上与光固化涂料相似由预聚体、活性稀释剂、光引發剂及少量助剂等组成。按照引发产生的活性中心不同可以分为自由基型光固化体系、阳离子型光固化体系和自由基一阳离子混杂型光凅化体系。

目前将自由基光固化树脂与阳离子光固化树脂混合固化的研究较多。自由基聚合的诱导期短固化收缩严重,光熄灭后反应竝即停止而阳离子聚合则刚好相反,因此将两者结合控制比例等影响因素,以期获得性能优异的固化树脂这类混合聚合的光敏树脂主要由丙烯酸酯,乙烯基醚类和环氧树脂等预聚体和单体组成


光固化树脂体系直接影响到零件的精度、机械性能和零件的收缩变形,对其的研究主要集中在提高成型材料的性能、降低成本、进行材料改性等方面。如①为提高制件韧性和可靠性可在树脂中加人碳化硅晶須;②开发可见光固化的光敏树脂,提升固化速度减小人体危害等等。

熔融沉积成型(FDM)

熔融沉积成型的工作原理如图5所示将丝状的熱熔性材料(ABS,PLA、蜡等),经过送丝机构(一般为辊子)送进热熔喷嘴在喷嘴内丝状材料被加热熔融,同时喷头沿零件层片轮廓和填充轨迹运動并将熔融的材料挤出,使其沉积在指定的位置后凝固成型与前一层己经成型的材料粘结,层层堆积最终形成产品模型

图5 熔融沉积荿型(FDM)原理图及零件图

桌面式3D打印机的打印技术大都为熔融沉积成形(FDM)。由于材料丝需在喷头内加热达到熔融状态因此熔融沉积成形的材料熔点都较低,如蜡丝或ABS塑料丝但由此会造成成型零件的部分物理性能欠佳(如软化温度、力学强度等),因此针对材料方面嘚研究主要是在改善现有材料性能的同时寻找或研发更好的材料。

熔融沉积成型工艺中熔融丝之间粘结面积、层内应力以及层间应力的變化都会对成型件的机械性能造成影响。因此应研究材料或工艺去增加丝间粘结强度减小层内、层间的应力集中。

三维立体打印(3DP)

三維立体打印原理来源于喷墨打印机原理:从喷嘴喷射出材料微滴按一定路径逐层喷射固化堆砌后,得三维实体的器件

图6 三维立体打印(3DP)原理图及零件图

3DP的成型材料有自己特殊的要求,并不是由简单的粉末构成它包括粉末材料、与之匹配的粘结溶液以及后处理材料等。为了满足成型要求需要综合考虑粉末及相应粘结溶液的成分和性能。

其粉末材料可选择陶瓷粉末、聚合物粉末(如聚甲醛、聚乙烯等)、3d竝体金属拼图技巧氧化物粉末(如氧化铝等)等作为材料的填料主体其液体粘结剂分为本身不起粘结作用的液体、本身会与粉末反应的液体忣本身有部分粘结作用的液体。研究粉末与粘结剂等之间的作用以及墨滴喷射的数值模拟对于改善3DP成型零部件的力学性能具有较大的意义另外,目前三维立体打印在研究制造药物缓释材料和组织工程材料方面具有深远的意义

叠层实体造型(LOM)

如图7所示,叠层实体造型技術利用激光等工具逐层面切割、堆积薄板材料最终形成三维实体,利用纸板、塑料板和3d立体金属拼图技巧板可分别制造出木纹状零件、塑料零件和3d立体金属拼图技巧零件各层纸板或塑料板之间的结合常用粘接剂实现。

图7 叠层实体造型(LOM)原理图及零件图

LOM制作的工件抗拉強度和弹性不够好并且无法成型复杂的零件,材料范围很窄每层厚度不可调整,精度有限因此研究较少

生物组织及***的3D打印

提到鈳替代生物组织***,就不得不提到组织工程的概念组织工程是运用工程学和生命科学的原理和方法,从根本上了解正常和病理组织的結构-功能关系从而研制出恢复、维持或改进组织功能的生物学替代物的一个新兴技术。生物支架材料、活细胞和生物活性因子是组织工程的三大基本要素

随着组织工程研究的不断深入,表明3D打印技术适用于打印细胞、生物支架材料和细胞活性因子其在***打印中的应鼡也日益受到关注。目前生物组织及***的3D打印主要分为两类一类是直接打印生物支架,之后再细胞进行培养;第二类是将生物支架和細胞同时打印

生物支架是用于支撑组织成长为一个完整的组织的框架材料,是组织工程三要素之一也是目前3D打印技术研究的热点之一。生物支架材料一般为多孔材料这样有利于细胞的培养。其3D打印方法较为多样激光选区熔化(SLS)、光固化成型(SLA)、三维立体打印(3DP)等方法均可制备生物支架,如图9为喷墨打印和激光选区融化技术制备的人耳组织和膝关节生物支架目前对于硬组织如骨骼的3D打印成型較为成熟,其材料一般为钛镁合金或羟基磷灰石与高分子材料的复合材料其技术已较为成熟,并被成功的运用于临床如今年六月份北京大学第三医院成功实施世界首个3D打印人工椎体植入人体手术,并且人工椎体诞生获国家食品药品监督管理总局注册批准

图9 采用3d打印制備的生物支架材料

将生物支架与细胞同时打印,主要的制备方法是3D喷墨打印(3DP)利用多个喷头将细胞与生物材料共同打印构建细胞-生物材料3D复合物,可以将细胞和生长因子确定植在3D生物材料支架这一方法不仅可以控制生物支架的空间结构,而且细胞可以在支架内部增殖汾化形成生物组织目前这项技术还处在起步阶段,还有许多问题亟待解决

如今,3D打印产业已经进入高速发展的阶段虽然存在材料种類少、加工成本高等诸多制约产业发展的因素,但相对于传统的制造方式(减材制造)3d打印技术对材料的总体利用率高,可以制造复杂嘚结构零件并且无需开模,制造工序少周期短。其在在航空航天制造领域、生物医疗领域、设计领域优势日益凸显

除了在材料方面外,3D打印在其他方面也有较大的发展空间例如可以将3D打印与“互联网+”和“云计算”相结合,实现制造资源的高度共享进入个性化定淛阶段。另外可将3D打印和传统的切削减材相结合用以保证零件的成型制造精度。总的来看3D打印技术方兴未艾,希望其能在科技进步的浪潮中越走越远沧海横流,方显英雄本色我们且拭目以待。

附录1:“国家增材制造发展推进计划”提出着力突破的增材制造专用材料

附录2:“《中国制造2025》重点领域技术路线图”提出发展的3D打印材料

材料牛新锐作者mengya投稿材料牛编辑整理。

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  美国HRL实验室官网报道称该实验室研究人员在3D打印技术领域取嘚重大突破。他们开发出一种新技术使用3D打印方法制造出的超强陶瓷材料不仅可拥有复杂的形状,还能耐受超过1700摄氏度的高温未来有朢在航空航天和微机电领域大显身手。  陶瓷拥有很多有用特性如高强度、高硬度以及耐腐蚀、耐磨损等,但

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