出品：科普中國

作者：石暢（物理化學(xué)博士）

監(jiān)制：中國科普博覽

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在科技飛速發(fā)展的今天，3D打印技術(shù)如同一股強勁的東風(fēng)，吹遍了各行各業(yè)。從復(fù)雜精密的機械零件到栩栩如生的模型，從夢幻般的建筑原型到個性化的生活用品，3D打印技術(shù)以其無限的創(chuàng)造力和靈活性，將人們的想象照進現(xiàn)實，為我們的生活帶來了便捷與驚喜。

3D打印生產(chǎn)模型

（圖片來源：veer圖庫）

你了解3D打印技術(shù)嗎？

3D打印技術(shù)，又名增材制造技術(shù)，是一種通過逐層堆疊材料來構(gòu)建三維實體的創(chuàng)新生產(chǎn)方式。3D打印技術(shù)的原理與我們用磚頭蓋房子類似，可以簡單概括為“分層制造，逐層疊加”。

3D打印的整個流程并不復(fù)雜，首先通過計算機輔助設(shè)計軟件創(chuàng)建或獲取數(shù)字模型，然后將該模型切割成一系列非常薄的橫截面層（即切片），每層厚度通常在數(shù)十到數(shù)百微米之間。接著，3D打印機根據(jù)這些切片信息，通過特定的技術(shù)和材料，一層一層地構(gòu)建出最終的物體。

3D打印的工藝包括熔融沉積成型（FDM）、光固化3D打印（SLA、DLP、LCD）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）、選擇性激光熔化（SLM）、立體噴墨打印（3DP）、疊層實體制造（LOM）。

正在工作的3D打印機

（圖片來源：veer圖庫）

熔融沉積成型技術(shù)是將絲狀的熱塑性材料通過噴頭加熱熔化，逐層沉積在平臺上，最終凝固成三維的物體。該技術(shù)常用的原材料有熱塑性材料，如ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）、PLA（聚乳酸）等。該技術(shù)對設(shè)備要求較低，操作簡便，適合個人和小型工作室使用。近期玩具市場火爆的“蘿卜刀”“伸縮劍”等就是通過這種方式做出來的。

光固化3D打印的原理是利用特定波段和形狀的光照射光敏樹脂，通過光敏樹脂的逐層固化，生成所需形狀的物體。該技術(shù)成型精度高，表面光滑，適合制作精細(xì)模型和小型零件。

選擇性激光燒結(jié)是利用激光束掃描粉末材料，使其熔化并粘結(jié)在一起，逐層累積成三維物體。該技術(shù)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(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能零件。

選擇性激光熔化與選擇性激光燒結(jié)類似，但激光能量更高，能夠完全熔化金屬粉末，實現(xiàn)金屬零件的快速成型。該技術(shù)常用金屬粉末（如鈦合金、不銹鋼等）為原材料，可打印高強度、高精度的金屬零件，廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域。

立體噴墨打印是以粉末狀材料（金屬或非金屬）和粘合劑為原材料，利用粘結(jié)的機理，逐層打印各部件。該打印技術(shù)成型的樣品與實際產(chǎn)品具有相同的顏色，是目前較為成熟的彩色3D打印技術(shù)。

疊層實體制造以薄片材料（如紙片、塑料薄膜等）和熱熔膠為原材料，通過激光切割和熱粘合的方式逐層累積成所需物體。該技術(shù)成型速度快，材料成本低，適合制作大型結(jié)構(gòu)和外殼。

盡管3D打印技術(shù)已經(jīng)比較成熟，產(chǎn)品的還原度較高，但是受打印原材料的限制，3D打印產(chǎn)品具有較高的脆性，受外力容易發(fā)生斷裂。該類產(chǎn)品在高機械性能需求的場景中應(yīng)用時，顯得有些“力不從心”。那么，應(yīng)該如何改善3D打印產(chǎn)品的玻璃心，具有“好看皮囊”的同時兼具柔韌性呢？

2024年7月3日，中國科學(xué)家在《Nature》期刊上發(fā)表了一項關(guān)于3D打印彈性體的研究成果，利用該技術(shù)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(dá)到94.6 MPa，相當(dāng)于1平方毫米就可以承受接近于10公斤的重力，展現(xiàn)出超高的強度和韌性。

研究成果發(fā)表于《Nature》雜志

（圖片來源：《自然》雜志）

這根橡皮筋為何如此特殊呢？

在光固化3D打印過程中，為了提高生產(chǎn)效率，往往需要較快的成型速度，這就導(dǎo)致材料在固化過程中交聯(lián)密度的上升和材料韌性的降低。常規(guī)增加材料韌性的方法會增加材料的黏度，降低流動性，導(dǎo)致成型速度的下降。3D打印的成型速度和成品韌性之間相互矛盾的關(guān)系一直以來困擾著整個行業(yè)。

但是這兩個矛盾點卻在中國科學(xué)家手里得到了“和解”。研究者通過對光固化3D打印原材料光敏樹脂的分析和打印過程的拆解，提出了打印和后處理分階段進行的策略。研究者設(shè)計了一種二甲基丙烯酸酯的DLP（數(shù)字化光處理）前驅(qū)體，該前驅(qū)體的主鏈上含有動態(tài)受阻脲鍵和兩個羧基。在打印成型階段，這幾個關(guān)鍵組分處于“休眠”的狀態(tài)，在成型后處理階段發(fā)揮了增韌的作用。

a.3D打印的物體及其在后處理過程中的尺寸變化；b.3D打印氣球的抗穿刺性能；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℃后處理階段，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(cè)鏈羧基生成酰胺鍵，另一方面與羧酸吸附的水反應(yīng)生成脲鍵。分子內(nèi)部發(fā)生的化學(xué)鍵變化將材料中單一的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)連接成類似于“手拉手”的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并且?guī)砹烁嗟臍滏I，使得材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到強化。正是由于材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，使得3D打印的成品在受到外力產(chǎn)生形變時具備更大的緩沖空間，類似于車輛碰撞時的吸能效果，提高了產(chǎn)品的抗沖擊和抗斷裂能力，具有更高的韌性。

實驗結(jié)果表明，利用DLP前驅(qū)體經(jīng)3D打印制備的厚度僅有0.8mm的薄膜表現(xiàn)出極強的抗針刺的性能，能夠在74.4 N的作用力下不發(fā)生破裂。即使在高壓充氣的條件下，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(dá)70克的銅球。展示了3D打印產(chǎn)品超高的韌性和結(jié)構(gòu)強度。

3D打印彈性體有哪些應(yīng)用？

在運動裝備領(lǐng)域，3D打印彈性體為運動員提供了更加個性化、高性能的裝備。例如，定制化鞋墊和防護裝備利用彈性體的減震和支撐特性，能夠優(yōu)化運動員的運動表現(xiàn)并提升穿著體驗。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中受到的沖擊，保護其關(guān)節(jié)和肌肉免受損傷。

3D打印的鞋墊

（圖片來源：veer圖庫）

在汽車與航空航天領(lǐng)域，3D打印彈性體被用于輕量化減震部件和密封圈等關(guān)鍵組件。這些部件通過復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計，既減輕了重量又保持了高性能。

汽車零部件

（圖片來源：veer圖庫）

在電子產(chǎn)品領(lǐng)域，智能音箱、智能手環(huán)、手機保護套等產(chǎn)品都可以采用彈性體材料進行打印。這些產(chǎn)品不僅具有優(yōu)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(chǎn)品外觀和性能的多方面需求。

智能手環(huán)

（圖片來源：veer圖庫）

在工業(yè)制造領(lǐng)域，3D打印彈性體技術(shù)被用于制造各種工業(yè)模具和傳動帶等部件。這些部件需要承受較大的機械應(yīng)力和振動，而彈性體材料以其優(yōu)異的彈性和抗疲勞性能成為理想的選擇。通過3D打印技術(shù)制造這些部件，不僅提高了生產(chǎn)效率，還降低了制造成本。

傳送帶

（圖片來源：veer圖庫）

結(jié)語

3D打印技術(shù)在我們的生活中占據(jù)著越來越重要的地位，3D打印彈性體技術(shù)的問世進一步豐富了3D打印產(chǎn)品的使用場景?？萍嫉倪M步賦予了生活無限的可能性，我們也期待更多科技的發(fā)展和技術(shù)的革新，使我們的生活更加豐富多彩。

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(xué)軍,唐思熠,肇恒躍,等. 3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)[J].材料工程, 2016.

4.黃健，姜山.3D打印技術(shù)將掀起“第三次工業(yè)革命”？[J].新材料產(chǎn)業(yè)， 2013.

來源: 中國科普博覽

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