在科技飛速發展的今天，3D打印技術如同強勁東風一般吹遍了各行各業。從復雜精密的機械零件到栩栩如生的產品模型，從夢幻般的建築原型到個人化的生活用品，3D打印技術以其無盡的創造力和足夠的靈活度，將想象照進現實，便捷人們生活的同時也給我們帶來了驚喜。
3D打印技術的工作原理
3D打印技術又名增材制造技術，透過逐層堆疊材料構建三維實體，是一種創新的生產方式。
其原理與蓋磚房類似，可以簡單概括為「分層制造，逐層疊加」。
3D打印流程並不復雜，首先透過電腦輔助設計軟體建立或獲取數位模型，然後將該模型切割成一系列非常薄的橫截面層（即切片），每層切片厚度通常在數十微米到數百微米之間。接著，3D印表機根據這些切片資訊，透過特定技術和材料，一層一層構建出最終物體。
3D打印工藝包括熔融沈積成型（FDM）、光固化3D打印（SLA、DLP、LCD）、選擇性雷射燒結（SLS）、選擇性雷射熔化（SLM）、立體噴墨打印（3DP）、疊層實體制造（LOM）。
正在工作的3D印表機。圖片來源：圖蟲創意
熔融沈積成型技術（FDM）是將絲狀的熱塑性材料透過噴頭加熱熔化，逐層沈積在平台上，最終凝固成三維物體。 該技術常用熱塑性材料作原材料，如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ ABS ）、聚乳酸（ PLA）等，對裝置要求較低，操作簡便，適合個人和小型工作室使用。近期火爆玩具市場的「蘿蔔刀」「伸縮劍」等，就是透過這種方式做出來的。
光固化3D打印（SLA、DLP、LCD）利用特定波段和形狀的光照射光敏樹脂，光敏樹脂透過逐層固化，生成所需形狀的物體。 該技術成型精度高，表面光滑，適合制作精細模型和小型零件。
選擇性雷射燒結（SLS）利用雷射束掃描粉末材料，使其熔化並粘結在一起，逐層累積成三維物體。 該技術以粉末為原材料（如尼龍、金屬粉末、陶瓷粉末等），成型精度高，適合制造復雜結構的功能零件。
選擇性雷射熔化 （SLM）雷射能量更高， 與選擇性雷射燒結（SLS）類似，能夠完全熔化金屬粉末，實作金屬零件的快速成型。該技術常用金屬粉末（如鈦合金、不銹鋼等）作原材料，可打印高強度、高精度的金屬零件，廣泛套用於航空航天、醫療等領域。
立體噴墨打印（3DP）以粉末狀材料（金屬或非金屬）和粘合劑為原材料， 利用粘結機理，逐層打印各部件。該打印技術的成型樣品與實際產品具有相同顏色，是目前較為成熟的彩色3D打印技術。
疊層實體制造（LOM）以薄片材料（如紙片、塑膠薄膜等）和熱熔膠為原材料，透過雷射切割和熱粘合方式，逐層累積成所需物體。 該技術成型速度快，材料成本低，適合制作大型結構和外殼。
盡管3D打印技術產品還原度較高，但受打印原材料的限制，3D打印產品具有較高脆性，受外力影響容易發生斷裂。該類產品在套用於高機械效能需求場景中時，會顯得有些「力不從心」。那麽，如何改善3D打印產品的「玻璃心」，讓其具有好看「皮囊」的同時兼具不易斷裂的「柔韌性」呢？
2024年7月3日，中國科學家在【自然】（Nature）雜誌上發表了一項關於3D打印彈性體的研究成果，利用該技術制備的橡皮筋能夠被拉伸到自身長度的9倍，最大拉伸強度可達到94.6MPa，相當於1平方公釐可以承受接近10千克的重力，展現出超高的強度和韌性。
研究成果發表於【自然】（Nature ）雜誌。圖片來源：【自然】（ Nature ）雜誌
成型速度與成品韌性的「和解」
在光固化3D打印（SLA、DLP、LCD）過程中，提高生產效率需要較快的成型速度，這就導致了材料在固化過程中交聯密度的上升和材料韌性的降低。
常規方法之下，材料韌性增加的同時，材料黏度也會增加，這會導致流動性降低，成型速度下降。3D打印的成型速度和成品韌性之間的矛盾，一直以來都困擾著整個行業。
中國科學家讓這兩個矛盾點得到了「和解」。研究者透過對光固化3D打印原材料光敏樹脂的分析和打印過程的拆解，提出了進行分階段打印和後處理的策略。研究者設計了一種二甲基丙烯酸酯的DLP（數位化光處理）前驅體，該前驅體的主鏈上含有動態受阻脲鍵和兩個羧基。在打印成型階段，這幾個關鍵組分處於「休眠」狀態，在成型後處理階段發揮了增韌的作用。
a.3D打印的物體及其在後處理過程中的尺寸變化；b.3D打印氣球的抗穿刺效能；c.機械穿刺力的建模；d-e.3D打印氣動夾具提重物測試。圖片來源：參考文獻[1]
在90℃後處理階段，3D打印成品中的受阻脲鍵解離生成了異氰酸酯基團，該基團一方面與側鏈羧基生成醯胺鍵，另一方面與羧酸吸附的水反應生成脲鍵。分子內部發生的化學鍵變化將材料中單一的網路結構連線成類似於「手拉手」的互穿網路結構，帶來了更多的氫鍵，材料內部結構得到強化。正是由於材料內部結構的變化，3D打印成品在受到外力發生形變時，具備了更大的緩沖空間，類似於車輛碰撞時的吸能效果，提高了產品的抗沖擊和抗斷裂能力，具有更高的韌性。
實驗結果表明，利用DLP前驅體進行3D打印制備的厚度，僅有0.8公釐的薄膜表現出極強的抗針刺效能，使其能夠在74.4牛頓的作用力下不發生破裂。即使在高壓充氣條件下，3D打印的氣動夾具仍然能夠在不破裂的情況下抓起表面有鋒利刺、重達70克的銅球，這展示了3D打印產品超高的韌性和結構強度。
3D打印彈性體的廣泛套用
在運動裝備領域，3D打印彈性體為運動員提供個人化、高效能裝備。例如，客製化鞋墊和防護裝備利用彈性體的減震和支撐特性，能夠最佳化運動員運動表現並提升穿著體驗。特別是在極限運動和高沖擊運動中，3D打印的彈性體材料可以顯著減少運動員在運動過程中受到的沖擊，保護其關節和肌肉免受損傷。
在汽車與航空航天領域，3D打印彈性體被用於輕量化減震部件和密封圈等關鍵元件。這些部件透過復雜的結構設計，既能減輕重量又能保持高效能。
在電子產品領域，智慧音箱、智慧型手環、手機保護套等產品都可以采用彈性體材料進行打印。這些產品不僅具有優良的柔軟度和彈性，還具備較高的耐磨性和耐用性，能夠滿足消費者對產品外觀和效能的多方面需求。
在工業制造領域，3D打印彈性體技術被用於制造各種工業模具和傳動帶等部件。這些部件需要承受較大的機械應力和振動，而彈性體材料以其優異的彈性和抗疲勞效能成為理想的選擇。透過3D打印技術制造這些部件，不僅能提高生產效率，還能降低制造成本。
3D打印彈性體技術的問世，進一步擴充套件了3D打印產品的使用場景，給我們的生活帶來了更加豐富多彩的可能性。
參考文獻
[1] Fang, Z., Mu, H., Sun, Z. et al. 3D printable elastomers with exceptional strength and toughness[J]. Nature,2024.
[2] Walker, D. A., Hedrick, J. L. & Mirkin, C. A. Rapid, large-volume, thermally controlled 3D printing using a mobile liquid interface[J]. Science,2019.
[3] 張學軍,唐思熠,肇恒躍等.3D打印技術研究現狀和關鍵技術[J].材料工程,2016.
[4] 黃健,姜山.3D打印技術將掀起「第三次工業革命」？[J].新材料產業,2013.
策劃制作
出品丨科普中國
作者丨石暢 物理化學博士
監制丨中國科普博覽
責編丨董娜娜
審校丨徐來 林林
