全球3D打印材料產業最新進展

材料領域的研究一直是各行各業最為關注的話題之一，在新興的3D打印行業也不例外。材料，作為產品組成的基礎，在現代制造產業中占據著極其重要的地位。而隨著材料的逐漸使用，也必將會暴露出很多問題。因此，對于材料領域的研究就顯得尤為重要。今天，我們就一起來分享近期國際3D打印材料產業的最新情況！

　　LLNL科學家發現3D打印的泡沫材料性能更出色

　　近日，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的材料科學家們發現，3D打印的泡沫比標準蜂窩材料在耐久性和長期機械性能方面表現得更好。泡沫，也被稱為多孔材料，是在隔熱、減震緩沖，以及輕質結構和氣浮部件等應用中用得很多的一類重要材料。這種材料在各種行業里幾乎都用得到。傳統上，有很多工藝都可以制造泡沫，但是制造出來的泡沫結構上具有高度的非均勻性，其在大小、形狀、厚度、連通性和孔隙單元的拓撲結構等方面離散程度很高。為了改進這種材料的性能，LLNL增材制造實驗室的科學家們最近展示了使用一種名為直接墨水寫入（direct-ink-write）的技術3D打印出具有均勻的泡沫結構的可行性。

　　然而，由于3D打印技術往往需要用到聚合物的某些屬性，因此在將其商業化之前，對于這種打印材料的長期機械穩定性的了解就變得重要了，尤其是那種需要提供緩沖的應用，在這些應用里泡沫材料往往需要長期承受機械應力。為了解決穩定性問題，LLNL的研究團隊對傳統的隨機泡沫和3D打印的泡沫材料樣品進行了加速老化實驗，在試驗中，這兩種樣品都要在恒定壓縮應力的條件下經受一系列的高溫。與此同時，科學家們會在為期一年甚至更長的時間里對每個樣本的應力條件、力學響應和永久結構變形進行監測。這是一種被稱為時間-溫度-疊加的實驗方法，主要用于構建此類屬性在指定環境條件下，在幾十年時間里進行演變的量化模型。據了解，最終，這項研究令人信服地證明，3D打印的泡沫材料老化緩慢，即與傳統泡沫材料相比，能夠更好地保持其機械和結構的特點。有趣的是，泡沫材料中的天然橡膠（即彈性體）卻表現出完全相反的特點，即在3D打印的泡沫中老化得反而更快。

　　為了更進一步了解為什么3D打印的蜂窩材料會顯示出優越的長期穩定性，研究團隊使用X射線計算機斷層掃描技術對每個樣品的3D微觀結構進行成像，并對每個微觀結構進行了應力分布的有限元分析。他們發現在隨機泡沫內局部應力的變化幅度要大得多，其最大應力值要明顯高于更加均勻的3D打印泡沫。這項研究已經被發表在了4月27日出版的《Scientific Reports》雜志上。

　　泰國暹羅水泥集團開發出可3D打印水泥

　　雖然3D打印房屋仍然聽起來像是科幻小說中的一些事情，但該技術目前進展順利。在它變得司空見慣之前，自然會有一些障礙需要克服，但大多數的工作已經就緒。許多公司已經開發出能夠作為3D打印機的大型機器人，并不斷開發新的混凝土和水泥配方。此時主要障礙似乎是工序的費用，不過隨著技術變得越來越普遍以及多功能機器人進行3D打印，這是必然下降的。然而，這些都是相對較小的技術障礙，似乎不會放緩工藝的進程。一直以來，真正的障礙是材料。混凝土和水泥這些材料需要非常適合于3D打印機器人的大規模修建工作，它們需要能夠快速干燥，以支撐起自己并結合在一起。泰國水泥生產商暹羅水泥集團（SCG）已經開發出了一種令人吃驚的新水泥，它將粉體材料和纖維用一種特殊的組合方式來混合，使其可以迅速被打印成非傳統的形狀。它能夠快速結合因而可以打印成令人驚奇的曲線和彎折，并且在干燥過程中可以保持獨立而不需要支撐材料。SCG用他們的新方式3D打印六梁結構，本質上是模仿骨的解剖結構。它們的外面很堅硬，而在內部是部分中空和海綿狀的，其結果比傳統的混凝土更具彈性。在泰國建筑師Pitupong Chaowakul的設計下，這些柱子被用來創建一個漂亮的亭結構。它被稱為“二十一世紀的洞穴Y-Box 亭”，這是東南亞的首個3D打印建筑。這個名字是一個雙關語，基于建筑師們經常提出的關于住房的問題，“為什么它必須是一個盒子？”。

　　Y-box亭被展示在從4月26日到5月1日的“architect16″Muang Thong Thani展覽”。它被稱為一個洞穴因為柱子被設計成石筍的現代化演繹，而不是簡單的石灰石的堆積，它們是結構支撐梁。他們獨特的幾何形狀被設計出來不僅是為了美觀，而且還要堅固耐用。如果建筑師能夠放飛思維脫離盒子結構和傳統的直立柱墻，不僅這一特別的具有創造性的水泥方案使得這些建筑成為可能，最終建設進程也有望加快。

　　Chaowakul花費了約三個月來完成Y-box柱子的設計，之后使用意大利的大型3D打印機來制作又花費了一個月。所使用的特殊的先進水泥漿體是相當堅固的，可以承受非常高的壓縮率。Y-box表面上是一個避雨的場所，實際上在設計時沒有考慮具體的功能，但柱子可以很容易地用于房子或建筑結構的支撐。這一制作柱子的技術可以完全改變設計師所設計的建筑的方式，并且可以改變我們所知道的關于設計房屋的一切。雖然不能很快使你擺脫錘子和釘子，但它仍然是早期的3D打印結構。這個過程需要合理化和簡化，而且在大規模使用時仍然非常昂貴。單單這些柱子就花費了SCG約100萬泰銖（28500美元）來制造，這還是在沒有算上設計和安裝費用的情況下。Y-box亭也只是一個六柱結構，顯然不是一個完整的家。但是，如果給予時間和一些投資來精煉這一技術，終有一天我們將不再生活在那些盒子里。

　　科學家正研發可優化3D打印骨骼的材料配方

　　要制造一個好的框架來填補人體缺失的骨骼，用30%的粉狀天然骨加上一些特殊的人造塑料，再用一臺3D打印機打印出所需的形狀即可。這就是約翰·霍普金斯大學的研究人員4月18日在線發表在《ACS Biomaterials Science & Engineering》雜志上的一篇論文的結論。約翰·霍普金斯大學的科學家們說，每年都會有大約20萬人因為出生缺陷、創傷或手術原因需要更換頭部或者臉部的骨骼。迄今為止，對于這些患者最好的治療方案是從病人不承擔身體重量的腓骨上取下一段骨頭，然后把它切成所需的形狀并植入正確的位置。但是該校醫學院生物醫學工程系副教授Warren Grayson博士認為，這種方法不僅會造成腿部創傷，而且由于腓骨相對比較直，難以跟臉部的曲線擬合得特別好。

　　為了解決這一問題，研究人員們轉向了3D打印技術。眾所周知，這一技術非常擅長用塑料制造出極其精確的結構——包括準確的解剖結構。不過“放在塑料支架上的細胞需要一些引導因子才能夠轉變為骨細胞”。為此，Grayson和他的團隊希望通過實驗找到一種復合材料來3D打印骨骼支架，這種材料要能夠將塑料的強度和可打印性與天然骨里存在的生物“信息”結合起來。科學家們一開始就選擇了聚己內酯（PCL），這是一種可降解聚酯，經常用于制造那些已經獲得FDA批準可以用于臨床的聚亞安酯。“PCL會在80到100攝氏度的時候融化，這個融點低于大多數塑料，所以對于那些通常會在較高溫度下損壞的生物材料來說，這是一個很好的混合對象。”Grayson團隊里的研究生Ethan Nyberg說。

　　盡管PCL的強度很高，但是研究團隊從以往的研究中了解到，它并不能很好地支持新骨的形成，所以科學家們將它與骨粉混合在一起。這種骨粉是將牛膝蓋骨內部的多孔骨骼剝離細胞之后粉碎制成的。Grayson稱他們對該復合材料進行的第一個測試是可打印性。其中5份骨粉含量為30%和70%的混合物表現出色。而當骨粉的比例達到85%時，由于PCL“膠水”太少而不能保持清晰的晶格形狀，因此在隨后的實驗中被淘汰。另外，為了研究該支架是否能夠刺激骨骼形成，研究人員通過吸脂術為支架添加人類脂肪源性干細胞，并將支架浸在缺乏親骨成分的營養培養基中。三周之后，在含有70%粉骨的支架上的細胞的基因活性比純PCL支架上生長的細胞高出幾百倍，而在含有30%的骨粉的支架上的細胞的基因活性也很高，但沒有前者那么令人印象深刻升幅。隨后，科學家們將關鍵成分β-甘油磷酸加到細胞的培養基中，使它們的酶可以沉積骨骼的主要礦物質——鈣。結果發現，與在純PCL支架上的細胞相比，在30%骨粉支架上的細胞每個多產生大約30%的鈣，而那些在70%支架上的細胞可以產生超過兩倍的鈣。最后，研究團隊將其支架在小鼠身上進行實驗，這個實驗小鼠的頭骨被研究人員弄出了一個很大的洞，如果沒有干預的話，這頭骨的創面太大不可能自行愈合。在隨后12周的實驗里，研究人員將裝滿干細胞的支架植入小鼠的傷口，讓新骨在洞里生長。CT掃描顯示與純PCL支架相比，那些含有30%或70%的骨粉的支架骨骼生長量至少增加了50%。雖然“脫細胞”的牛骨已經被FDA批準可用于臨床使用，研究人員們說，在今后的研究中，他們希望能測試人類骨粉，因為后者的臨床應用更為廣泛。

　　研究人員使用鈦鉭合金改進3D打印植入物的應力吸收

　　由于其出色的物理性能和抗感染性，鈦合金是制造諸如膝關節/髖關節植入物這樣的骨科裝置的首要選擇。日前，來自新加坡科技研究局（A*STAR）的一個研究團隊發現使用具有有趣屬性的鈦、鉭粉末可以3D打印出具有更好的應力吸收能力的定制植入物。到目前為止，研究人員們主要使用選擇性激光熔融（SLM）技術和鈦鋁基粉末來3D打印生物原型。SLM技術通常使用高功率激光器來根據計算機設計模型逐層構建3D對象。但是由于鋁這種元素對人體神經有著長期不良影響，導致科學家們希望能夠找到其它材料來取代它。為此來自A*STAR下屬新加坡制造技術研究所（SIMTech）的Florencia Edith Wiria和南洋理工大學新加坡3D打印中心的Wai Yee Yeong發起了一個合作研究項目，希望通過開發一種創新的金屬共混物來使用SLM技術3D打印出更好的鈦合金生物醫療產品。理論上說，鈦、鉭元素組成的合金是絕對沒有問題的，因為這兩種金屬都擁有生物相容性，而且其機械屬性要由于純鈦。但是鉭金屬的熔點非常高（超過3000攝氏度），這就意味著將鈦金屬變成可用于SLM技術的球形金屬粉末在經濟上基本不可行。而市場上常見的鉭粉通常是通過氣體霧化形成的長條形粗糙微粒。為了克服這一問題，研究團隊將這種粗糙的鉭金屬粉與另外一種市場上現成的微球形鈦金屬粉末混合在一起。在將這兩種材料混合半天之后，他們觀察到這種混合物可以鋪設得更加均勻，更便于SLM技術使用。顯微鏡實驗揭示在混合之后鈦金屬的球形形狀仍然保留，這是該混合物可成功用于3D打印的關鍵。

　　通過將一種棋盤式的激光掃描模式上下交替熔融金屬或者從一邊到另一邊的移動來減少熱應力，研究人員成功地使用SLM技術制造出了鈦鉭合金的3D形狀。出人意料的是，通過X射線和其它成像技術探測表明，鉭金屬的加入，再加上快速凝固，促進和穩定了高強度的層狀鈦晶粒的形成。研究人員預計，這種鈦鉭合金將能夠減輕“應力遮擋”效應，所謂的“應力遮擋”效應是指植入物的硬度過高導致其鄰近的骨骼得不到足夠的力學刺激而導致骨質疏松的現象。“這些合金是專門被設計用于骨骼科應用的，甚至有可能在變形后，顯示出某種形狀記憶能力。”Yeong說。這項研究成果已經被發表在了2016年3月5日出版的《Alloys and Compounds》雜志上，論文題目是《帶50%重量比鉭金屬的鈦合金的選擇性激光熔融：微結構和機械屬性（Selective laser melting of titanium alloy with 50 wt% tantalum： Microstructure and mechanical properties）》。