全球3D打印材料产业最新进展

材料领域的研究一直是各行各业最为关注的话题之一，在新兴的3D打印行业也不例外。材料，作为产品组成的基础，在现代制造产业中占据着极其重要的地位。而随着材料的逐渐使用，也必将会暴露出很多问题。因此，对于材料领域的研究就显得尤为重要。今天，我们就一起来分享近期国际3D打印材料产业的最新情况！

　　LLNL科学家发现3D打印的泡沫材料性能更出色

　　近日，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的材料科学家们发现，3D打印的泡沫比标准蜂窝材料在耐久性和长期机械性能方面表现得更好。泡沫，也被称为多孔材料，是在隔热、减震缓冲，以及轻质结构和气浮部件等应用中用得很多的一类重要材料。这种材料在各种行业里几乎都用得到。传统上，有很多工艺都可以制造泡沫，但是制造出来的泡沫结构上具有高度的非均匀性，其在大小、形状、厚度、连通性和孔隙单元的拓扑结构等方面离散程度很高。为了改进这种材料的性能，LLNL增材制造实验室的科学家们最近展示了使用一种名为直接墨水写入（direct-ink-write）的技术3D打印出具有均匀的泡沫结构的可行性。

　　然而，由于3D打印技术往往需要用到聚合物的某些属性，因此在将其商业化之前，对于这种打印材料的长期机械稳定性的了解就变得重要了，尤其是那种需要提供缓冲的应用，在这些应用里泡沫材料往往需要长期承受机械应力。为了解决稳定性问题，LLNL的研究团队对传统的随机泡沫和3D打印的泡沫材料样品进行了加速老化实验，在试验中，这两种样品都要在恒定压缩应力的条件下经受一系列的高温。与此同时，科学家们会在为期一年甚至更长的时间里对每个样本的应力条件、力学响应和永久结构变形进行监测。这是一种被称为时间-温度-叠加的实验方法，主要用于构建此类属性在指定环境条件下，在几十年时间里进行演变的量化模型。据了解，最终，这项研究令人信服地证明，3D打印的泡沫材料老化缓慢，即与传统泡沫材料相比，能够更好地保持其机械和结构的特点。有趣的是，泡沫材料中的天然橡胶（即弹性体）却表现出完全相反的特点，即在3D打印的泡沫中老化得反而更快。

　　为了更进一步了解为什么3D打印的蜂窝材料会显示出优越的长期稳定性，研究团队使用X射线计算机断层扫描技术对每个样品的3D微观结构进行成像，并对每个微观结构进行了应力分布的有限元分析。他们发现在随机泡沫内局部应力的变化幅度要大得多，其最大应力值要明显高于更加均匀的3D打印泡沫。这项研究已经被发表在了4月27日出版的《Scientific Reports》杂志上。

　　泰国暹罗水泥集团开发出可3D打印水泥

　　虽然3D打印房屋仍然听起来像是科幻小说中的一些事情，但该技术目前进展顺利。在它变得司空见惯之前，自然会有一些障碍需要克服，但大多数的工作已经就绪。许多公司已经开发出能够作为3D打印机的大型机器人，并不断开发新的混凝土和水泥配方。此时主要障碍似乎是工序的费用，不过随着技术变得越来越普遍以及多功能机器人进行3D打印，这是必然下降的。然而，这些都是相对较小的技术障碍，似乎不会放缓工艺的进程。一直以来，真正的障碍是材料。混凝土和水泥这些材料需要非常适合于3D打印机器人的大规模修建工作，它们需要能够快速干燥，以支撑起自己并结合在一起。泰国水泥生产商暹罗水泥集团（SCG）已经开发出了一种令人吃惊的新水泥，它将粉体材料和纤维用一种特殊的组合方式来混合，使其可以迅速被打印成非传统的形状。它能够快速结合因而可以打印成令人惊奇的曲线和弯折，并且在干燥过程中可以保持独立而不需要支撑材料。SCG用他们的新方式3D打印六梁结构，本质上是模仿骨的解剖结构。它们的外面很坚硬，而在内部是部分中空和海绵状的，其结果比传统的混凝土更具弹性。在泰国建筑师Pitupong Chaowakul的设计下，这些柱子被用来创建一个漂亮的亭结构。它被称为“二十一世纪的洞穴Y-Box 亭”，这是东南亚的首个3D打印建筑。这个名字是一个双关语，基于建筑师们经常提出的关于住房的问题，“为什么它必须是一个盒子？”。

　　Y-box亭被展示在从4月26日到5月1日的“architect16″Muang Thong Thani展览”。它被称为一个洞穴因为柱子被设计成石笋的现代化演绎，而不是简单的石灰石的堆积，它们是结构支撑梁。他们独特的几何形状被设计出来不仅是为了美观，而且还要坚固耐用。如果建筑师能够放飞思维脱离盒子结构和传统的直立柱墙，不仅这一特别的具有创造性的水泥方案使得这些建筑成为可能，最终建设进程也有望加快。

　　Chaowakul花费了约三个月来完成Y-box柱子的设计，之后使用意大利的大型3D打印机来制作又花费了一个月。所使用的特殊的先进水泥浆体是相当坚固的，可以承受非常高的压缩率。Y-box表面上是一个避雨的场所，实际上在设计时没有考虑具体的功能，但柱子可以很容易地用于房子或建筑结构的支撑。这一制作柱子的技术可以完全改变设计师所设计的建筑的方式，并且可以改变我们所知道的关于设计房屋的一切。虽然不能很快使你摆脱锤子和钉子，但它仍然是早期的3D打印结构。这个过程需要合理化和简化，而且在大规模使用时仍然非常昂贵。单单这些柱子就花费了SCG约100万泰铢（28500美元）来制造，这还是在没有算上设计和安装费用的情况下。Y-box亭也只是一个六柱结构，显然不是一个完整的家。但是，如果给予时间和一些投资来精炼这一技术，终有一天我们将不再生活在那些盒子里。

　　科学家正研发可优化3D打印骨骼的材料配方

　　要制造一个好的框架来填补人体缺失的骨骼，用30%的粉状天然骨加上一些特殊的人造塑料，再用一台3D打印机打印出所需的形状即可。这就是约翰·霍普金斯大学的研究人员4月18日在线发表在《ACS Biomaterials Science & Engineering》杂志上的一篇论文的结论。约翰·霍普金斯大学的科学家们说，每年都会有大约20万人因为出生缺陷、创伤或手术原因需要更换头部或者脸部的骨骼。迄今为止，对于这些患者最好的治疗方案是从病人不承担身体重量的腓骨上取下一段骨头，然后把它切成所需的形状并植入正确的位置。但是该校医学院生物医学工程系副教授Warren Grayson博士认为，这种方法不仅会造成腿部创伤，而且由于腓骨相对比较直，难以跟脸部的曲线拟合得特别好。

　　为了解决这一问题，研究人员们转向了3D打印技术。众所周知，这一技术非常擅长用塑料制造出极其精确的结构——包括准确的解剖结构。不过“放在塑料支架上的细胞需要一些引导因子才能够转变为骨细胞”。为此，Grayson和他的团队希望通过实验找到一种复合材料来3D打印骨骼支架，这种材料要能够将塑料的强度和可打印性与天然骨里存在的生物“信息”结合起来。科学家们一开始就选择了聚己内酯（PCL），这是一种可降解聚酯，经常用于制造那些已经获得FDA批准可以用于临床的聚亚安酯。“PCL会在80到100摄氏度的时候融化，这个融点低于大多数塑料，所以对于那些通常会在较高温度下损坏的生物材料来说，这是一个很好的混合对象。”Grayson团队里的研究生Ethan Nyberg说。

　　尽管PCL的强度很高，但是研究团队从以往的研究中了解到，它并不能很好地支持新骨的形成，所以科学家们将它与骨粉混合在一起。这种骨粉是将牛膝盖骨内部的多孔骨骼剥离细胞之后粉碎制成的。Grayson称他们对该复合材料进行的第一个测试是可打印性。其中5份骨粉含量为30%和70%的混合物表现出色。而当骨粉的比例达到85%时，由于PCL“胶水”太少而不能保持清晰的晶格形状，因此在随后的实验中被淘汰。另外，为了研究该支架是否能够刺激骨骼形成，研究人员通过吸脂术为支架添加人类脂肪源性干细胞，并将支架浸在缺乏亲骨成分的营养培养基中。三周之后，在含有70%粉骨的支架上的细胞的基因活性比纯PCL支架上生长的细胞高出几百倍，而在含有30%的骨粉的支架上的细胞的基因活性也很高，但没有前者那么令人印象深刻升幅。随后，科学家们将关键成分β-甘油磷酸加到细胞的培养基中，使它们的酶可以沉积骨骼的主要矿物质——钙。结果发现，与在纯PCL支架上的细胞相比，在30%骨粉支架上的细胞每个多产生大约30%的钙，而那些在70%支架上的细胞可以产生超过两倍的钙。最后，研究团队将其支架在小鼠身上进行实验，这个实验小鼠的头骨被研究人员弄出了一个很大的洞，如果没有干预的话，这头骨的创面太大不可能自行愈合。在随后12周的实验里，研究人员将装满干细胞的支架植入小鼠的伤口，让新骨在洞里生长。CT扫描显示与纯PCL支架相比，那些含有30%或70%的骨粉的支架骨骼生长量至少增加了50%。虽然“脱细胞”的牛骨已经被FDA批准可用于临床使用，研究人员们说，在今后的研究中，他们希望能测试人类骨粉，因为后者的临床应用更为广泛。

　　研究人员使用钛钽合金改进3D打印植入物的应力吸收

　　由于其出色的物理性能和抗感染性，钛合金是制造诸如膝关节/髋关节植入物这样的骨科装置的首要选择。日前，来自新加坡科技研究局（A*STAR）的一个研究团队发现使用具有有趣属性的钛、钽粉末可以3D打印出具有更好的应力吸收能力的定制植入物。到目前为止，研究人员们主要使用选择性激光熔融（SLM）技术和钛铝基粉末来3D打印生物原型。SLM技术通常使用高功率激光器来根据计算机设计模型逐层构建3D对象。但是由于铝这种元素对人体神经有着长期不良影响，导致科学家们希望能够找到其它材料来取代它。为此来自A*STAR下属新加坡制造技术研究所（SIMTech）的Florencia Edith Wiria和南洋理工大学新加坡3D打印中心的Wai Yee Yeong发起了一个合作研究项目，希望通过开发一种创新的金属共混物来使用SLM技术3D打印出更好的钛合金生物医疗产品。理论上说，钛、钽元素组成的合金是绝对没有问题的，因为这两种金属都拥有生物相容性，而且其机械属性要由于纯钛。但是钽金属的熔点非常高（超过3000摄氏度），这就意味着将钛金属变成可用于SLM技术的球形金属粉末在经济上基本不可行。而市场上常见的钽粉通常是通过气体雾化形成的长条形粗糙微粒。为了克服这一问题，研究团队将这种粗糙的钽金属粉与另外一种市场上现成的微球形钛金属粉末混合在一起。在将这两种材料混合半天之后，他们观察到这种混合物可以铺设得更加均匀，更便于SLM技术使用。显微镜实验揭示在混合之后钛金属的球形形状仍然保留，这是该混合物可成功用于3D打印的关键。

　　通过将一种棋盘式的激光扫描模式上下交替熔融金属或者从一边到另一边的移动来减少热应力，研究人员成功地使用SLM技术制造出了钛钽合金的3D形状。出人意料的是，通过X射线和其它成像技术探测表明，钽金属的加入，再加上快速凝固，促进和稳定了高强度的层状钛晶粒的形成。研究人员预计，这种钛钽合金将能够减轻“应力遮挡”效应，所谓的“应力遮挡”效应是指植入物的硬度过高导致其邻近的骨骼得不到足够的力学刺激而导致骨质疏松的现象。“这些合金是专门被设计用于骨骼科应用的，甚至有可能在变形后，显示出某种形状记忆能力。”Yeong说。这项研究成果已经被发表在了2016年3月5日出版的《Alloys and Compounds》杂志上，论文题目是《带50%重量比钽金属的钛合金的选择性激光熔融：微结构和机械属性（Selective laser melting of titanium alloy with 50 wt% tantalum： Microstructure and mechanical properties）》。