Nature子刊：大尺度3D打印-增材制造研究进展
时间:2023-12-01 09:14 来源:今日新材料 作者:admin 点击:次
3D打印（增材制造）可用于自动化制造建筑元件，以用于摩天大楼、飞机、火箭和太空基地等大型结构，无需人工干预。然而，大尺度3D打印的广泛应用，首先必须克服材料、工艺、打印机和软件控制方面的诸多挑战。 在全球材料和能源消耗中，大型结构（如建筑物）占有很高的比例，并且有待提升其传统制造工艺。3D打印（或称增材制造）是一项可持续的颠覆性技术，正在彻底改变建筑和航空等诸多行业。3D打印包括创建数字设计（环保且易于转换为3D对象并进行迭代），然后进行快速和智能的增材工艺（不需要模具并利用多个自由度）。该工艺过程，通过优化设计，以最大限度地节省了材料，并免除了模板和/或模具需求，以减少了资源浪费。然而，传统3D打印技术，大多局限于微米级到米级的制造，并且面临着一些尚未解决的问题，例如无法实现多功能打印，这阻碍了大型复杂结构（如建筑物、飞机和火箭）的自动化制造。 自2010年以来，大尺度3D打印 (LS3DP) 已成为克服这些限制的解决方案。大尺度3D打印LS3DP已经成功应用于一些标志性建筑项目，如上海普陀桥（中国第一座3D打印聚合物桥梁，总打印长度为15.3米）3；成都大桥（目前世界上最长的3D打印聚合物桥梁，全长66.8米，打印长度21.6米）；SCG S&T大楼（中国第一个3D打印的可居住和可交付的两层建筑，高6米）4；中国商飞C919飞机（3D打印翼肋3米）；以及人族1号火箭（33.5米高，85%的机身都是打印的）。 然而，大尺度3D打印LS3DP的采用，仍然受到一定程度的限制，因其庞大尺度带来了新的挑战，特别是在精度和效率之间的必要折衷。较厚层打印，以最小化打印时间的必要性，对打印结构的形状、精度、质量和性能产生不利影响。因此，大尺度3D打印LS3DP，将极大地受益于材料、工艺、打印机和软件控制，以促进大尺度3D打印的广泛采用。 01、开发合适的材料和工艺 目前使用的材料，无论是在传统的3D打印还是在大尺度3D打印LS3DP中，都是来源于传统制造材料。例如，3D打印建筑通常使用水泥基材料、聚合物、金属材料和木质材料。3D打印飞机和火箭部件，包括金属材料或合金、聚合物、陶瓷和复合材料。然而，为了实现不同尺度和功能，必须通过使用新的添加剂、修正现有材料或自动化制备生产线，以扩大可打印材料的范围5，以使其适用于大尺度3D打印LS3DP。此外，必须开发新材料制备工艺，将不可打印材料转化为可打印材料，例如以增材制造作为数字材料合成方法。简单地说，这一策略包括直接使用3D打印设备制造合成材料。该路线包括，从微观尺度精确设计待合成材料的化学成分和物理性质，创建待合成材料的高精度微观和宏观三维模型，并将其转换为可打印的程序。这种方法有望创造出功能梯度材料、智能材料、工程活性材料甚至超材料，这无疑超越传统制造或自然界材料。 此外，由于3D打印是一种逐层添加工艺，在大尺度打印结构中，不能忽视传统3D打印中的几个典型问题（如打印层之间的弱结合、材料缺陷1和各种各向异性2）。因此，需要制定减轻这些限制的策略。实例包括具有不同拉伸强度材料的同时打印、打印和结构增强的同步、通过打印路径设计的结构增强，以及通过物理化学处理的材料改性。 还需要开发更先进的工艺，如大尺度4D打印（LS4DP），其中，第四维指的是依赖于时间的转换。大尺度4D打印，可用于开发可控的多功能结构，使用具有感知、进化、学习、适应、组装、保留记忆和愈合能力的材料。大尺度4D打印LS4DP需要可控和可编程的响应和/或智能材料，其响应外部刺激（或触发打印结构中的移位的编程控制），并且可以使用机械模型进行研究，以准确地预测和控制所需的变化。大尺度4D打印LS4DP还必须克服打印结构尺寸固有的新挑战，例如在多次循环变化后，无法有效恢复到原始状态。尽管如此，大尺度4D打印技术，为高性能结构工程提供了潜在的应用，其中形状、性能和功能是自调节的。 02、创建集成和多功能结构 大多数小尺度和常规尺度3D打印，仅限于单一材料、单一工艺的打印，这使得制造具有多种特性和功能的产品变得困难。例如，可以打印大型飞机的机身和建筑物的墙壁，但不能同时打印飞机的功能部件和必要的电子元件，也不能将管道和电缆集成到建筑物的墙壁中。因此，理想情况下，大尺度3D打印LS3DP应该是多尺度（涵盖宏观、介观、微米和纳米尺度）、多材料（集成刚性到柔性材料）和多工艺（结合多种工艺，如传统3D打印或减式制造或在它们之间切换），以实现完全集成和自主制造。这项大尺度3D打印技术的潜在应用，涉及太空中的自维护车辆和人工生态系统，以及气候适应性、低能耗、低碳和完全互动的智能建筑。 03、克服尺寸限制 对于打印具有不同尺度、形状和功能的大型结构来说，开发与各种工艺和材料兼容的打印设备，是至关重要的。基于大尺度3D打印LS3DP打印机的构造有两种方法。第一种是预制3D打印，即将大型结构分割成适当大小的组件，然后将这些组件打印出来，再与可靠的连接器组装在一起。第二种是整体3D打印，将大型结构分成适当厚度的层，然后逐层打印大型结构。然而，对于适用于任何一种方法的大尺度3D打印LS3DP打印机，必须是灵活的，并且具有可扩展的打印范围。 因此，需要开发新型打印机，如模块化导轨自适应放大3D打印机、具有打印和同步支持的3D打印机，以实现悬挂式水平结构、移动3D打印机或工厂以及3D打印移动机器人团队，以实现水平方向的无限打印。在垂直方向上，开发自攀爬3D打印机、可附着在打印结构上的攀爬3D打印机、可穿越打印层的爬行3D打印机器人以及仿生3D打印机器人6，可以帮助实现无界打印unbounded printing。 04、提高打印精度和效率 为了高效、准确地控制打印，保证打印过程的安全性，确保最终打印结构满足预期目标和功能，必须开发定量的打印控制方程和关系，使预期目标与打印工艺、材料和打印机相匹配。在该过程中，还需要结合材料适印性数据库来控制打印。最后，大尺度3D打印LS3DP需要仅在结构或功能需要的地方打印材料7，在正确的位置打印正确类型的材料（具有最佳比例），并打印独特功能的独特结构1，从而主动确保打印结构的高性能和多功能性。 05、适应极端环境的大尺度3D打印 自动化大尺度3D打印LS3DP还可满足极端环境中的迫切需求，这些极端环境对人类操作员来说是高风险的，例如地下或灾后现场、废弃的核设施或水下。此外，大尺度3D打印LS3DP非常适合用于空间探索的空间基地建设8，这些基地需要远程、无人和现场建设。然而，在实现这些应用之前，仍然需要克服各种挑战。值得注意的是，为了在原地建造建筑物，有必要开发自动化设备，以概述工程调查，收集必要的自然资源，并准备和打印材料。对于后者，一种解决方案是使用可远程控制的轻型3D打印机器人。 06、可持续性考虑 还必须考虑材料在整个生命周期中的可持续使用，包括材料设计、原材料生产和提取、可打印材料的制备、运输和输送、产品打印和制造、产品使用、维护和维修、回收和再利用。除了开发新材料外，将生活和生产中产生的大量废物（工业、建筑、家庭和农业固体废物）转化为可打印材料，将是可持续地最大限度利用资源的一种方式。计算优化的数字设计（例如，导致从微观到宏观结构尺度的拓扑优化）和高度优化的结构，也可用于减少材料的使用和最大化材料资源的节省7。在微观和宏观尺度上，同时进行设计和打印，可以产生高效、多功能的结构9，与传统方法获得的结构相比，这些结构在节能和减少二氧化碳排放7等方面，表现出更好的性能10。此类高效结构包括拓扑结构、蜂窝结构和仿生结构，这些结构更加环保、轻质和高性能（由于结合了各种特性，如高强度重量比、高耐热性和高可靠性1）。 07、展望未来 在材料、工艺、打印机和软件控制方面的不断进步，大尺度3D打印LS3DP，有望突破传统3D打印遇到的尺寸限制，实现任意形状大型结构体的全自动化、无人化建造（图1）。这种大尺度3D打印方法，还可以通过同时打印内部多功能组件和电线，以实现集成制造。这样的系统，将更安全、更高效、更智能和更环保，为打印结构提供以前无法实现的功能和性能，并大大减少全球资源的消耗。可以设想，将大尺度3D打印和人工智能相结合，将促进分散式制造decentralized manufacturing。下一代大尺度3D打印LS3DP，将通过云控制的可靠和容错3D打印数字孪生，提供远程协作管理和打印。通过这个全球云平台，消费者不仅可以与3D打印服务商进行沟通，还可以设计和构建定制产品，处理3D打印模型，将处理后的文件传输到云终端，设置参数并远程控制打印。 
图1: 大尺度3D打印的概述和未来。大尺度3D打印 large-scale 4D printing（LS3DP）的广泛采用，取决于工艺、材料、打印机和软件控制方面的创新。大尺度3D打印LS3DP有潜力用于大型复杂结构的自动化制造，如建筑物、火箭甚至太空基地。 参考文献 1. Gu, D. et al. Material-structure-performance integrated laser-metal additive manufacturing. Science 372, eabg1487 (2021). 2. Ngo, T. D. et al. Additive manufacturing (3D printing): a review of materials, methods, applications and challenges. Compos. B Eng. 143, 172–196 (2018). 3. Zuo, Z. et al. Experimental research on transition from scale 3D printing to full-size printing in construction. Constr. Build. Mater. 208, 350–360 (2019). 4. Chen, S. & Zuo, Z. Shanghai Construction Group builds China’s first on-site 3D printed habitable and deliverable two-story building, which is a national key R&D program demonstration project. Shanghai Construction Group https://mp.weixin.qq.com/s/7jGrrEZMYm0dD0k3iuoCRA (2022). 5. Schaedler, T. A. & Carter, W. B. Architected cellular materials. Annu. Rev. Mater. Res. 46,187–210 (2016). 6. Zhang, K. et al. Aerial additive manufacturing with multiple autonomous robots. Nature 609, 709–717 (2022). 7. De Schutter, G. et al. Vision of 3D printing with concrete — technical, economic and environmental potentials. Cem. Concr. Res. 112, 25–36 (2018). 8. Cesaretti, G. et al. Building components for an outpost on the Lunar soil by means of a novel 3D printing technology. Acta Astronaut. 93, 430–450 (2014). 9. Bechthold, M. & Weaver, J. C. Materials science and architecture. Nat. Rev. Mater. 2, 17082 (2017). 10. Vantyghem, G., De Corte, W., Shakour, E. & Amir, O. 3D printing of a post-tensioned concrete girder designed by topology optimization. Automat. Constr. 112, 103084 (2020). 文献链接 Zuo, Z., De Corte, W., Huang, Y. et al. Propelling the widespread adoption of large-scale 3D printing. Nat Rev Mater (2023). https://doi.org/10.1038/s41578-023-00626-1 https://www.nature.com/articles/s41578-023-00626-1 (责任编辑：admin) |