增材制造路線圖:走向智能化和工業化（2）(2)
時間：2022-04-15 11:19 來源：江蘇激光聯盟 作者：admin 閱讀：次
6. 活體結構
器官是復雜的結構，細胞和細胞外基質相互作用以發展和發揮作用。由于具有形成復雜結構和材料組合(包括細胞和生物材料)的卓越能力，AM技術在模仿復雜的器官系統方面具有巨大的潛力。早期的研究使用3D打印的假體和不涉及細胞的生物可降解支架，越來越多的研究使用活細胞來3D打印結構，以實現生物功能。獲得的活體結構可植入人體修復/替換缺陷組織/器官，可作為比二維細胞培養模型更準確再現生理條件的體外生物模型。
材料和加工方面的技術進步極大地增強了我們以更精確和高效的方式模仿器官和豐富功能的能力。在材料方面，基于納米材料的導電生物材料和聚合物已被開發用于AM，它們賦予具有類似于大腦和心臟的電活動的活體結構。對物理、化學或生物刺激產生反應的生物材料也被打印出來，以形成細胞的動態微環境。在處理方面，嵌入式打印技術直接將柔軟的細胞外基質和細胞沉積在支撐緩沖液中，這使得柔軟的細胞外基質和細胞的多規模構建能夠形成復雜的器官模型，如心臟(圖10(a))。
基于光聚合的AM技術也得到了增強，使用了適當的光吸收劑，以實現水凝膠的高分辨率投影立體光刻（圖10（b）），并通過動態照明充滿旋轉細胞的光敏水凝膠庫來實現快速體積打印（圖10（c））。為了實現精確的單細胞打印，研發了一種將3D打印機和小型化微流體分選機結合在一起的制造平臺，可從細胞混合物中沉積感興趣的單個細胞。作為先進的生物模型，3D打印活體結構被用于諸如芯片上器官設備等產品中，已證明有潛力改變生物醫學研究和制藥行業。3D打印的類肝器官模型在肝臟特異性轉錄因子表達方面優于2D和3D體積模型。同樣，3d打印的多細胞膀胱腫瘤模型支持了腫瘤進展的重要分子基礎的識別。
圖10 活體結構的AM技術的代表性進展:(a)懸浮浴中基于擠壓的3D生物打印允許制造人類心臟模型;(b)高分辨率立體平版印刷具有血管化肺泡模型拓撲的光可聚合水凝膠;(c)細胞負載水凝膠的體積3D生物打印允許快速制造活組織構建物。
在未來，活體結構的AM可以顯著改善生物醫學應用，并可能創新高水平生物智能產品(圖11)。例如，AM技術可能進一步整合細胞與驅動和傳感材料，形成活體機器，在人體內部移動和工作，用于細胞治療和藥物輸送等應用。隨著巨大的前景，3d打印的生活結構在邁向智能化和商業化時需要應對多方面的挑戰。
(1）技術挑戰:3d打印的活體結構在建筑和功能復雜性方面還沒有完全匹配原生器官。調幅技術在制備復雜的多尺度結構時需要實現更高的空間分辨率和更高的效率，需要更多的功能與調幅技術兼容的生物材料。
（2）跨學科挑戰：3D打印結構中的細胞發育的有效控制為成功應用奠定了基礎。對于植入生物結構的生物智能，需要進一步建立生物結構與人體之間的相互作用和通信。因此，需要機械工程師、生物工程師、生命科學家和臨床醫生之間的密切合作，根據對特定應用的生物醫學見解，設計制造策略。
（3）監管和道德挑戰:3D打印活體結構構成了生物醫學行業中一組新產品，這些產品受到高度監管，涉及道德問題。3D打印生活建筑的商業化需要一套系統的基于科學的法規，專門為這些產品設計，以解決醫療和倫理影響方面的潛在問題。
圖11 AM技術走向生物智能的路線圖(由BioRender.com創建)。
研究人員在工作中報告了4D打印纖維增強復合材料的自變形結構具有高剛度和高承載能力。這是通過使用含有高含量溶劑、光固化聚合物樹脂、短玻璃纖維和氣相二氧化硅的雙層復合材料的多材料DIW來實現的。不同纖維含量的油墨分別裝入不同的注射器，如下圖A所示。在油墨擠壓過程中，短玻璃纖維被剪切排列。印刷材料在擠壓后立即部分光固化，以鎖定印刷幾何圖形。材料中的溶劑通過加熱蒸發(圖B)，在溶劑蒸發過程中，沿著和穿過打印路徑(或纖維方向)引入各向異性的體積收縮。不同纖維加載或取向的印刷結構在溶劑去除后會出現應變失配，導致結構變形。經過加熱變形后，光固化后模量可提高到4.8 GPa(圖B)，具有較高的承載能力。然后利用復合材料理論研究了各向異性體積收縮和模量隨溶劑含量、纖維含量和纖維取向的變化。這些功能被納入有限元分析(FEA)模擬，以指導形狀變形結構的設計。我們證明了可變形雙層膜可用于將打印的二維結構轉化為具有大變形性能和高承載能力的復雜三維結構。
高剛度、高承載能力結構的多材料DIW打印原理圖。(A)在不同短玻璃纖維負載的油墨DIW印刷過程中，纖維在擠壓過程中對齊。(B)印刷后，油墨被部分光固化。然后，溶劑被加熱蒸發，引起形狀變化。后光固化進一步用于顯著增加結構的剛度。
在該實驗中，研究人員進一步論證了變形三浦ori結構的承載能力。該圖案由對稱金字塔頂點構成，該頂點由四條相交的折痕線組成。它可以通過四度頂點從一個完整的平板上折疊起來。在這里制造了一個高負載可承受的三浦ori重新配置從一個平板。打印的是原始的平板(56 × 45 × 0.9 mm)，它由一個S0面板區域和由S0和S6雙層制成的折痕組成(下圖A)。折痕對稱排列，蒸發后成功折疊成三浦ori結構(圖B)，這與模擬結果(圖C)一致。由于完全固化的印刷材料的高硬度和三浦ori結構，折疊后的折紙可以承受重量(6.8公斤)約為自身重量(1.9克)的3580倍(圖D)。研究人員相信，這種具有高承載能力的可重構技術可以應用于工程方面的大型結構。
三浦折紙結構的驅動具有高承載能力。(A, B)三浦折紙的驅動。(C)模擬重構結構。(D)三浦ori結構(1.9 g)可以承載相當于自身重量約3580倍的重量(6.8 kg)。比例尺:10mm。
7. 極端尺度和極端環境
AM具有豐富的科學技術內涵，涉及機械、材料、計算、自動化控制等先進技術。由于其設計自由、快速原型、最小化浪費和制造具有獨特性能的復雜結構的能力，它在航空航天、生物醫學、汽車、核能和建筑行業帶來了革命性的應用。AM作為一項關鍵的產業發展技術，將極大地推動和引領智能制造的升級和發展。
AM的發展主要集中在兩個極端尺度:一是微/納米尺度，即實現微米和納米尺度的精細3D打印;另一種是宏觀尺度，實現大尺寸、高速3D打印，如圖12所示。以雙光子聚合為代表的微納尺度3D打印克服了光照的光學限制，能夠在亞波長空間分辨率下打印納米結構，打印精度小于100 nm。這種高精度、復雜的納米結構極大地拓寬了其在超材料和光電子領域的應用。另一方面，大型混凝土結構現場打印需要結合機械工程、混凝土技術、數據管理和施工管理。這是第一個由多個移動機器人同時打印大型混凝土結構的實物演示，將擴大建筑和建筑行業的設計和打印規模。航空航天領域，在打印C919飛機主擋風玻璃窗框、中心法蘭等大型復雜鈦結構件后，制造出世界上第一個10米級的重型運載火箭高強度鋁合金連接環。
這些突破克服了大尺寸結構在印刷過程中的變形和應力控制，為航天工程的快速發展提供了技術支持。美國Relativity Space公司的目標是制造一種幾乎完全3D打印的火箭，帶有冷卻通道，將1250公斤的火箭送入近地軌道。這些由機器人手臂建造的大型金屬印刷項目，由于零件減少了100倍，生產時間縮短了10倍，沒有固定的收費和簡單的供應鏈，正在顛覆60年的航空業。
圖12 3D打印的應用:極端尺度和極端環境:(a)雙光聚合3D打印工藝和二氧化硅打印點陣晶體示意圖;(b)中國和美國印制的超大型金屬部件;(c) 3D打印雙金屬室的熱火測試;(d)世界上第一個在空間中使用連續碳纖維增強聚合物復合材料的3D打印。
AM在實際應用中經常受到以下幾個方面的挑戰:
(1）極端環境，如極端溫度和壓力、強輻射和微重力。2020年，NASA完成了液體火箭發動機3D打印雙金屬燃燒室的重要材料表征和測試以及熱火測試，證明了雙金屬燃燒室在嚴酷的溫度和壓力下的多功能和生存能力。自2014年國際空間站(ISS)配備3D打印設備后，研究人員也于2020年成功完成了微重力空間的首次3D打印測試。這是世界上首次對連續碳纖維增強聚合物復合材料進行在軌3D打印測試，使研究人員能夠研究材料的成型過程，更好地揭示了微重力對材料及其結構機制的影響。3D打印不僅可以為國際空間站現有的研究基礎設施做出貢獻，還可以使長時間的太空飛行、太空探索和殖民更加方便和可持續。極端的環境條件，如微/零重力、宇宙輻射、晝夜溫差大等，都會對月球或火星風化層的原位打印產生重大影響。
（2）3D打印在月球和火星上棲息地的另一個挑戰是開發相關的空間機器人和自動化技術。為了適應這樣的極端環境，需要開發優良的輻射和熱阻電子器件和結構材料，多傳感器集成和數據融合可能是未來無人系統探索的關鍵技術。為了實現對制造過程的自適應控制和監控，空間調幅需要在控制系統中采用獨特的“觀測器定向決策行動”周期。
（3）為了加快3D打印的數字化，智能AM領域最令人興奮的前沿之一是數字雙胞胎的概念。通過在實時對象上整合智能傳感、大數據統計和分析以及機器學習能力，數字雙胞胎在以下方面展示了巨大的潛力:(i) 3D打印新產品的高效設計，(ii)針對極端使用場景和環境的增材制造生產計劃，(iii) 3D打印操作數據的捕獲、分析和操作，并最終獲得高質量。
8. 未來的角度
面向未來，AM技術將進一步向智能化和產業化方向發展。AM是一個涉及多因素、多層次、多尺度、耦合材料、結構、各種物理化學領域的極其復雜的系統。有必要結合大數據和人工智能對這一極其復雜的系統進行研究，突破AM多功能集成優化設計的原理和方法。通過開發形狀主動可控的智能調幅技術，為未來調幅技術在材料、工藝、結構設計、產品質量、服務效率等方面的飛躍改進奠定了充分的科學技術基礎。具有自采集、自建模、自診斷、自學習和自決策能力的智能調幅設備是未來調幅技術大規模應用的重要基礎。開展AM技術與材料、軟件、人工智能、生命、醫學等學科交叉研究，實現重大原創性技術創新。AM的應用應擴展到新能源、航空航天、健康、建筑、文化創意等領域，如導航、核電等。
未來，AM技術將向材料、結構、功能一體化的四維智能結構、生命體、構件制造方向發展，為可控形狀、可控性能提供新的技術方法，為產業創新創業提供技術平臺。AM的開發應遵循“以應用開發為導向，以技術創新為動力，以產業發展為目標”的原則。建立合理的AM行業標準體系，結合云制造、大數據、物聯網等新興技術和智能制造系統，促進AM工藝和設備的全面創新和應用，這對實現制造技術的跨越式發展具有重要意義。
來源：Roadmap for Additive Manufacturing: Toward Intellectualization andIndustrialization，Chinese Journal of Mechanical Engineering: Additive ManufacturingFrontiers，doi.org/10.1016/j.cjmeam.2022.100014
參考文獻：Chinese Mechanical Engineering Society Technology roadmap of Chinesemechanical engineering，China Science and Technology Press, Beijing (2021)
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