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超过40个3D打印学术科研突破大汇总!

2020年12月3日,很快就过年了。今年3D打印依然大火,无论是产业界还是科研界。那么在科学研究上,有哪些突破性进展呢?新的技术突破,往往孕育着新的市场应用机会。南极熊希望下文可以帮助读者从3D打印领域“掘金”。

《自然(nature)》杂志和《科学(science)》杂志是在学术界享有盛誉的国际综合性科学周刊,发布的都是科学世界中的多次重大发现、重要突破和科研成果。而3D打印作为近些年的热门技术,众多研究团队在nature、science发表过非常多的科研成果(貌似从事3D打印技术发表顶级论文,存在很多的机会)。

之前,南极熊整理了在nature、science杂志上发表的部分3D打印技术论文《世界顶级学术杂志nature、science上的3D打印技术(第一部分)》,接下来南极熊继续整理2020年在nature、science杂志以及子刊上发表的关于3D打印技术及其相关应用的论文。

(下文约1.5万字,收集了超过40个3D打印学术科研突破)

nature 子刊:厦门大学利用增材制造制造磁共振探针头

2020年11月29日,中国厦门大学的研究人员利用快速成型制造技术创造了更精确的磁共振系统。他们已将工作成果发表在科学界权威期刊《 nature communications 》杂志上。研究的重点是制造磁共振探针头,这是一种用于医学想象、生物材料检测、空间成像和化学分析的非常难以制造的仪器。探头依靠射频线圈来返回颗粒细节。因此,生产这些线圈的精度会影响可能返回的数据质量。

△利用a熔融沉积建模(FDM)和b立体光刻外观(SLA)技术,根据仿真设计逐层制作一个完整的探针头(c),d液态金属通过注射孔灌注到模型中,形成射频线圈,e射频线圈通过两根铜条与匹配电路连接,形成一个完整的探针。液态金属通道的入口和出口用银浆完全密封。可以制作和利用各种适合MR应用的3D打印探针头,包括f用于MR的U管鞍形探针头(SAP)、U管Alderman-Grant探针头(AGP)、反应监测探针头(RMP)、电化学反应监测探针头(ECP)、梯度探针头(GP),以及g用于MRI的改进型螺线管成像探针头(MSO)、改进型Alderman-Grant成像探针头(MAG)。

厦门大学的科学家们将增材制造与液态金属注射成型结合起来使用。液态金属被用来制造微米级的定制射频线圈。这些线圈与定制的样品室相辅相成。样品室是一个中性空间,其中无线电频率和磁能是一个已知的量,这使得仪器可以测量磁场中的扭曲。定制化的样品室几何形状允许磁共振仪器针对不同的应用进行定制。这些传感器件连接到射频电路接口。仪器组件稳定在一个单件3D打印的聚合物块中。

Nature子刊:3D打印用于神经肌肉接口的柔性电子植入器件

来自德国德累斯顿理工大学的Ivan R. Minev和俄罗斯圣彼得堡国立大学的Pavel Musienko的团队在Nature Biomedical Engineering杂志上发表了题为“Rapid prototyping of soft bioelectronic implants for use as neuromuscular interfaces”的文章,展示了一种利用软复合材料制造生物电极阵列的技术,可以快速成型连接神经肌肉系统的软电极植入物。

研究人员使用具有弹性和生物相容性的材料进行多材料打印,制造电极阵列。通过挤压、喷墨和等离子表面活化来处理不同性质的材料,且电极数量和配置的可迭代设计保证了电极阵列的可定制性。

绝缘基体由具有剪切变稀效应的硅胶挤出而成,控制电极阵列的整体几何形状、组织接触位置和互连路径。基体处理后可通过喷墨打印沉积电气导管。

《Nature》子刊:一种3D打印的高强度、抗缺陷高温合金!

美国加州大学圣巴巴拉分校的Tresa M. Pollock等研究者,报道了一类高强度、抗缺陷的3D打印高温合金,成分主要是含有大约相等的Co和Ni,以及Al、Cr、Ta和W。在打印和后期加工时具有超过1.1 GPa的强度,在室温下拉伸延性大于13%。相关论文以题为“A defect-resistant Co–Ni superalloy for 3D printing”发表在NatureCommunications上。

本文中,研究者提出了一种可以通过选择性激光熔炼(SLM)和电子束熔炼(EBM)两种制造途径加工的CoNi-基高温合金,尽管存在高体积分数的理想“熔化”相γ′,但仍可产生无裂纹的部件。在凝固过程中,较低的溶质偏析降低了裂纹敏感性,而一旦凝固完成,降低的液相γ′-“溶解”温度减轻了开裂。室温拉伸试验表明,与目前正在研究的其他镍基高温合金相比,CoNi-基高温合金具有优良的延性和强度组合。
Nature Communication:剑桥大学3D打印仿生珊瑚结构培养藻类

来自剑桥大学和加州大学圣地亚哥分校的联合研究小组,制造了3D生物打印的模仿珊瑚结构,能够生长微观藻类群落。这项发表在《 Nature Communication》杂志上的研究,旨在提供一种最终减少温室气体排放并改善发展中国家用于生物制品的藻类种植的方法。

Nature子刊:单液滴连续光固化3D打印

中科院化学所的宋延林、吴磊研究了打印过程中三相接触线(TCL)的后退现象,在nature communications上发表了题为"Continuous 3D printing from one single droplet"的研究成果,极大提高了光固化3D打印的材料利用率。

从界面的角度来看,基体的化学成分和表面粗糙度对三相接触线(TCL)的动态有很大的影响。根据对天然莲花和猪笼草表面的观察,表面的空气或液体会大大降低界面在基底上的粘附,从而导致液滴的球形接触或液体接触这些表面时的滑动现象。研究人员受这些现象的启发,展示了一种从单个液滴中制造三维结构的界面操作方法,具有较高的材料利用率。该系统采用低液体树脂附着力和低固化树脂附着力的固化界面,使3D打印过程具有可伸缩的三相接触线。有效地减少了印刷过程中残留树脂的量,树脂利用率显著提高。此外,该工艺也防止了在高打印速度下高紫外线强度所造成的额外固化。

单液滴连续光固化打印主要可以分为四个步骤,(1)在辐照平面上滴一滴液态树脂;(2)成型平面下降,接触液滴;(3)通过将UV图案连续投射到固化界面上并以恒定的速度提升成型面,液体树脂可固化为显示的UV图案;(4)在印刷过程中,树脂液滴的TCL随着液体树脂的消耗而下降。最后,将液滴固化成所需的3D固化结构,且在基板上几乎没有残留物。如Figure1 b-e所示,采用24mm长的固化圆柱形网格结构,树脂利用率为99.6%。由于液体树脂与成型面之间的粘附作用,剩余0.4%的液体树脂留在成型面上。

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