基于3D打印的异质零件的应用

杨继全，施建平，翟飞琦，李 娜，张 华

(南京师范大学电气与自动化工程学院，江苏 南京 210023)

根据3D打印领域的Gartner技术成熟度曲线可知，与异质零件有关的多种技术，如生物医学工程中的3D打印、航空国防应用中的3D打印、可穿戴设备3D打印、4D打印等基本处于曲线中的起步上升阶段，大部分技术的发展尚处于萌芽期，到达技术成熟基本都需要10年以上的研究发展时间。但异质零件在多个领域中的应用已越来越多[1-11]。

1 在生物医学工程中的应用

1.1 医疗工程模型

在辅助医疗诊断方面，随着数字化医疗技术的快速发展，医疗人员可以方便准确地获取生物体各组织的三维立体数据，应用多材料3D打印技术，可快速构建出各病变组织的异质零件三维模型[12]。依据该异质零件三维模型可更加精确地诊断患者病情，模拟手术，制定相关的手术方案。相关学者利用多材料3D打印技术提高了肝肿瘤手术切除的安全性，并极大提高了手术的效率，如图1所示。

图1 肝肿瘤术前评估

1.2 生物组织器官

据统计，在美国每1.5 h就有1例病人因为等不到合适的器官移植而死亡，每年有超过800万例组织修复相关的手术。生物3D打印技术的目标就是解决组织、器官短缺的问题。

人体是由多种细胞和基质材料按特定方式有机组合而成的，具有高度的复杂性。组成人体的细胞有250种以上，仅一个肾脏就包含20多种细胞。软骨组织是相对较简单的组织，细胞种类较少且没有血管、神经。1994年，科学家认为组织工程技术是可以解决器官再造问题的技术，当时首选的目标就是制造皮肤或软骨组织，但是至今没有获得真正意义上的成功，而生物3D打印技术可能是解决方法之一[13-17]。

人类可移植器官的制造是生物3D打印技术的一大梦想，制造可移植器官的目的是使其具有人体组织生物印迹和许多复杂的功能性，如制造功能性血管系统等。面临的挑战包括如何测试器官的身体整合效能(避免排斥问题)、如何测试和证明器官长期的生存能力和相关的副作用。哈佛大学Wyss研究所的Lewis研究团队研发了一种新的3D打印方法，可以打印出布满血管、由多种细胞和细胞间质组成的组织。该研究团队开发了3种不同的“生物墨水”：固定细胞的细胞间质“墨水”、细胞间质和特定细胞混合成的“墨水”，以及为了生成血管而特制的“墨水”，这种墨水有一种特殊的性质，在低温的条件下会自动融化。将3种“墨水”在特定的程序下打印完毕之后，将打印生成的人工组织置于低温条件下，此时那些为血管预留的位置就会逐渐融化开来，剩下的就是布满各种管道的组织。此时，在管道中注入血管内皮细胞，这些细胞就会附着在管道内壁，重新发育成成熟的血管。至此，一个模拟人体组织的人工组织便形成了，如图2所示。Lewis研究团队的终极理想是打印出可以用于人体移植的器官，但是在当今的条件下，这显然还有很长的路要走。但这并不妨碍Lewis研究团队将其研究成果用于药物的研发。

图2 3D生物打印机及其打印的人工组织

如果可以方便地打印出人体器官，那么需要进行器官移植的病人就不需要等待了，为此国内外学者在这方面进行了积极的探索。Jin Woo Jung等利用多材料3D打印技术开发了一套生物3D打印系统，并进行了耳朵、肾脏、牙齿组织的建模成形分析研究。美国Lawrence Livermore实验室的研究人员使用多材料3D打印技术打印出血管系统模型，可以帮助医疗人员在体外更加有效地复制人体生理机能，复杂的组织系统也被很好地再现出来。北京口腔医院依据获取的三维医学模型打印以人牙髓细胞与海藻酸钠共混物为材料的三维结构体，经验证，人牙髓细胞在三维结构体中仍能生长增殖。杭州电子科技大学以人卵巢癌细胞、海藻酸钠等混合物3D打印体外卵巢癌三维结构体，准确地模拟了体内肿瘤生长机制，为肿瘤研究和抗癌药物筛选提供了新的技术可能。Zhang等应用生物打印技术对几种具有代表性的组织器官进行了打印研究，包括血管、心脏、肝脏以及软骨等，如图3所示。

图3 3D打印的人造血管系统模型

1.3 生物3D药品

3D打印药物是指采用3D打印技术而不是使用传统的固体剂量配方和生产方法进行药品的制备。该技术通过创建个体化剂量及改变药物表面特性和形状，赋予药物特殊的释放特性。同时，它也打开了将多种药物融合成一颗多药性药物的门。3D打印药物实际上是一种制剂加工技术，将液体制剂的灵活性与片状制剂的准确性结合形成3D打印药片，这样制成的药片能够更容易地吞咽和溶解。

总部位于宾夕法尼亚的Aprecia制药公司采用3D打印技术开发3D打印药物，该技术采用水溶性液体把多层粉状物黏合在一起形成三维结构的药物[18]。Aprecia制药公司为此开发了ZipDose技术平台，不再使用传统的压片技术而是采用一层一层的打印来制备药物。图4所示为采用该技术平台3D打印的癫痫病治疗药物Spritam。

图4 3D打印的癫痫病治疗药物Spritam

多材料打印药物在一定的介质作用下可发生自变形，可以在抗癌药物研发的过程中，针对性地将不同的癌症细胞设置为触发多材料打印细胞形变的介质源。当这个多材料打印细胞在人体内遇到癌症细胞的时候，就会自动触发形变功能，直接将癌症细胞吞噬或释放所携带药物将其消灭，并在任务结束后通过自我“分解”随人体代谢排出体外。作为癌症治疗的一个重要研究方向，多材料打印抗癌药物甚至可以将癌症治疗的工作做到防患于未然。

1.4 医疗器械打印

现代医疗在通过放射线治疗杀死癌细胞的过程中，也杀死了很多对人体有用的健康细胞。在这个治疗过程中，如果能对癌细胞进入隔离，进行更精准的放射区域定位，从而有效地杀死癌细胞而不对健康细胞造成损伤，那对于提升癌症治疗的成功率将是非常有帮助的。

多材料打印的放射性治疗辅助护具等医疗器械将在这个方面发挥积极的作用。这些多材料打印的医疗器械可以以微小的体积进入人体，根据人体不同部位的生存环境而产生形变，有效地隔离癌细胞并对健康区域进行保护，让癌症治疗变得“无害”。尤其对于一些重要器官或脆弱区域，如鼻子、眼睛、耳朵等部位的肿瘤治疗，这些多材料打印的医疗器械将显得更为重要。

1.5 在生物领域中的应用

1.5.1在生物领域中的正面影响

多材料打印技术制造出的智能结构，可以发生由一维结构或二维结构向三维结构的变化，或者由一种三维结构变成另一种三维结构。这种结构的可变化性也给多材料打印技术的应用带来了无限的可能性，而生物医疗领域最有可能成为该项技术的主要应用领域。将多材料打印的产品应用于生物医学领域，尤其是普及至人体内应用，无疑是人类健康医疗发展的福音。伴随着纳米技术与数字化制造在第四维空间研发的深入，多材料打印的产品将可以进入非常微小的空间“工作”。

麻省理工学院数学家丹雷维夫曾表示，多材料打印有利于新型医疗植入物的发明。比如心脏支架，如果采用多材料打印技术制造，将不再需要给病人做开胸手术，可通过血液循环系统注射携带设计方案的智能材料，其到达心脏指定部位后自行组装成支架。

多材料打印在生物医疗领域，尤其是癌症治疗方面将会有进一步的应用与发展。牛津大学圣安东尼学院荣誉学者纳伊夫·鲁赞曾在美国“外交”双月刊网站发文称，借助多材料打印的原理，研究人员还能够利用DNA链制造出对抗癌症的纳米机器人。有外媒报道，美国国防部将拨付资金，支持美国西北大学生物纳米科技研究所进行多材料打印机的研究与开发，该设备将能够实现纳米尺度下的操作，使得医药领域的多材料打印成为可能。

1.5.2在生物领域中的负面影响

将多材料打印物体应用于生物医学领域，尤其是普及至人体内应用，无疑是人类健康医疗发展的福音。但是，生物制造毕竟还远未成熟，其技术风险、市场风险，甚至涉及的社会安全、伦理安全等问题均不可小觑。

研究人员借助多材料打印的原理，利用DNA链制造出了对抗癌症的纳米机器人。由于能够轻易获得必要的工具，一些人可以利用此类技术来制造新的生物武器。人体内的多材料打印细胞或纳米机器人，如果监控不到位的话，很容易演变成被不法分子利用的生物武器原型。而可编辑材料所具有的自变形特性，让其相较于3D打印而言，被不法分子利用的风险性也很大。比如对于枪支等违禁物品来说，3D打印出来的直接是具体实物，相对容易被发现和控制；而多材料打印物在打印之初，有可能是任何形态的，只有在一定的环境和介质作用下，才会“变形”为预先设定的真实形态。这类具有不可控制性、不可预见性的生物打印技术的应用将会给社会监管、人类安全等带来严重的挑战。

2 在国防工程领域中的应用

多材料3D打印在国防工程领域的应用是提升国家综合创新实力的重要途径之一。单材料3D打印已不能满足全球市场对工业零件柔性和高效性的要求，多材料3D打印技术成为国防工程领域应用的热点并受到广泛关注，发展十分迅速。

2.1 在航空航天装备制造中的应用

多材料3D打印零件能够适应航空航天领域对于飞行器零部件设备的轻量化、功能性和高强度的要求。航空航天设备零部件大多数为单件定制部件，多材料3D打印技术减少了零部件装配存在的安全隐患问题，实现了多材料零件结构功能一体化设计与制造[19-21]。多材料3D打印技术应用于航空航天领域，能够简化装配流程，增加系统安全性和可靠性。

以连续纤维或长纤维增强的高性能热塑性复合材料(采用PEEK、PES、PPS等高性能热塑性基体材料)，既具有热固性复合材料那样良好的综合力学性能，又在材料韧度、耐腐蚀性、耐磨性及耐温性方面有明显的优势，而在工艺上还具有良好的二次或多次成形和易于回收的特性，有利于资源充分利用和减小环境压力，具有良好的发展和应用前景。空中客车公司在这方面处于领先位置，已从次承力结构件向主承力结构件发展，如空客A-380就采用了玻璃纤维增强的PPS热塑性复合材料制造机翼前沿。

2.2 在武器装备制造中的应用

传统的武器装备制造流程为制造→部署→使用→报废，而多材料的武器装备制造流程为半成品制造→部署→现场塑造→使用→回收→再部署。多材料打印生产的武器装备可根据环境和攻击目标来优化武器攻击性能，从而提高作战效能。值得一提的是，多材料打印技术可使智能材料感知外光的变化，自动实现与周围环境融为一体，从而改善伪装效果。美国陆军部已投入大量资金开发“自适应伪装作战服”。该作战服的研究和开发如果成功，则具有以下3个方面的典型特色：1)隐身功能，该服装能在不同的环境下自由变换色彩，实现士兵的自适应隐身；2)适穿功能，根据温度的变化自动调节服装厚度和透气性，实现士兵的自适应舒适性；3)防弹功能，根据所受外力自动调节服装外围硬度，平时穿着柔软如织，遇子弹袭击坚硬如钢，实现士兵的自适应保护。

2.3 在大型军用装备构件制造中的应用

大型军用装备构件制造的成本控制一直是个难题，然而利用多材料打印技术可以大为改善，人们可以控制智能材料的关键部位或敏感部位，把大型构件设计成折叠状，然后利用3D打印机得到半成品，通过特殊的参数刺激控制来实现大型军用装备构件的自动展开[22-23]。例如，将多材料打印技术应用于军用人造卫星，通过该技术的自动展开和组装功能快速成形帆板和天线等大型构件(图5)，将大大减少机械部件的数量并减小它们的质量，降低发射军用卫星所需成本。据有关报道，美国利用3D打印技术制造军工部件已获成功，但是仍需花费大量的人力资源才能把这些部件组装成完整的军事用品。利用多材料打印技术制造出的部件，则无须人工组装，它们会自动组装成为一个成品。试想若战机的各个部件用多材料打印技术制造，则其无惧敌人炮火攻击，损坏的部件会快速被生长出的新部件所取代，完好如初；将多材料打印技术应用于防御工事外部罩壳的制造，制造的外部罩壳受到炮火袭击后如有“裂痕”，则外部罩壳可以自行弥合裂痕，让防御工事坚固如初。

图5 利用多材料打印的自动展开和组装功能快速成形帆板

2.4 在微型军用机器人制造中的应用

微型机器人将在未来战场上执行大量侦察和打击任务，它的优势在于“微”，但目前的微型机器人仍是由大量的齿轮、轴承等机械部件组成的，这些部件的存在限制了其体积、质量和能耗进一步微型化。多材料打印技术将为微型机器人的制造、运动与变形提供新的技术路线，敏感材料的精确设计和控制有望取代齿轮等传统机械部件的设计和控制，实现微型军用机器人的进一步微型化和灵活运动，从而显著减小机器人的体积、质量和能耗需求。

2.5 在军事后勤保障中的应用

多材料打印技术可将更多武器装备制造成折叠状态，方便远程机动。同时采用多材料打印出的半成品将有更强的可塑造能力和环境适应能力，也有望减少装备器材的种类和库存数量，提高后勤效率，发挥更强的作战效能。比如利用多材料打印技术开发的万能背包，这个背包平时与普通背包无异，但在海水中可立即变成救生艇，高空坠落时可变成降落伞，夜晚宿营时可变成舒适帐篷。

3 在工业制造领域中的应用

3.1 在硬质合金工具制造方面的应用

作为制造业的重要工具，硬质合金刀具对耐磨性能和耐缺损性能要求很高，传统的金属陶瓷超硬合金材料在工具的韧度方面有所不足，而异质材料零件则允许韧度较大的材料如ZrO2作为工具的内核材料，硬度较高的材料如TiC、TiN、Al2O3作为工具的表面材料，通过连续的梯度过渡形成梯度异质材料结构以同时具有两种材料的特性。

3.2 在压电器件制造方面的应用

压电材料在医疗、传感、测量等领域都有着广泛的应用，异质压电材料通常由压电陶瓷和聚合物组成，能够同时利用这两种材料的有利属性，兼具良好的加工性能以及柔韧性，易与空气、水和生物组织实现声阻抗匹配，并且实现轻量化，如由PZT(锆钛酸铅)和聚丙烯制备而成的梯度异质材料压电驱动器。

3.3 在高温环境部件制造方面的应用

在航天、核工程、过程装备等领域，梯度异质材料零件常常用于极端的高温工作环境，如由耐高温的陶瓷材料和韧度大的金属材料组成的梯度材料，材料体积分数逐层变化引起的裂纹桥联现象以及热膨胀率的逐层变化改变了残余应力和裂纹生长模式，这种梯度材料部件有很好的热应力松弛性能和抗断裂性能。

3.4 在光学器件制造方面的应用

如超高压水银灯使用金属铜或金属钼与石英(SiO2)制备的梯度异质材料插入钨丝作为电极，梯度异质材料的低热膨胀系数提供了极好的密封可靠性，可提高灯的电极间的贴装精度并有效控制残余应力。这种灯能够承受持续不断的热循环而不发生破裂或爆炸，并具有极高的亮度。

3.5 在汽车制造领域的应用

汽车制造中的汽车样件快速开发、汽车复杂模具制造、汽车零件轻量化制造等均广泛采用3D打印技术。其中，在高性能复合材料零件的设计与制造方面，多材料3D打印技术可以将多个零部件、多种材料等集成为整体工件，大幅简化装配工作，并明显提升了产品性能。越来越多的汽车制造商采用弧焊增材制造、等离子3D打印、激光熔覆等与多材料3D打印技术相关的技术，改进或提高了工业零件模具设计方案评审、制造工艺装配与检验、功能样件制造与性能测试等各方面的性能和效率[24-26]。

由沙特基础工业公司(SABIC)研发的世界首款使用3D打印技术制造的概念车，车身采用创新材料和加工技术。车身的组装由汽车设计公司LOCAL MOTORS完成，该3D打印汽车运用了SABIC的LNPTM、STAT-KONTM碳纤维增强复合材料。这些材料拥有出色的强度质量比和高刚度，可最大限度地降低3D打印过程中的扭曲变形，增强设计美感，强化运行性能。

总体来说，多材料3D打印在工业制造领域中的应用越来越广阔，市场份额巨大，发展前景被广泛看好。

4 在功能性零件制造中的应用

4.1 4D打印零件

应用多材料3D打印技术可以进行特殊功能性零件(如形状记忆材料零件)的制造，该技术也可以被认为是4D打印，因为这种结构被设计为在第四个维度——时间上变化。所谓的4D打印，比3D打印多了一个“D”也就是时间维度，人们可以通过软件设定模型和时间，变形材料会在设定的时间内变形为所需的形状。准确地说，4D打印是一种能够自动变形的材料，直接将设计内置到物料当中，不需要连接任何复杂的机电设备，就能按照产品设计自动折叠或展开成相应的形状[27]。

4D打印技术的概念是在2013年由麻省理工学院的Tibbits在TED会议上提出的，他将一段绳状物放入水中后，该物体能自动折成MIT字样的立体结构，由此开启了4D打印技术的研究热潮。4D打印技术是指由3D技术打印出来的结构能够在外界激励下发生形状或者结构的改变，直接将材料与结构的变形设计内置到物料当中，简化了从设计理念到实物的造物过程，让物体能自动组装成形，实现了产品设计、制造和装配的一体化融合。

3D打印技术是建模在先，打印产品在后，而4D打印则是把产品设计嵌入可以变形的智能材料中，无须人为干预，通过某些特定条件激活，进行自组装，得到产品。4D打印的创新点在于“变”，它是一个动态的过程，它不但能够创造出有智慧、有适应能力的新事物，而且可以彻底改变传统的工业打印。4D打印技术是对3D打印技术的改进和完善，在科学技术高速发展的今天，完全有理由相信，在不远的将来，4D打印技术应用于生产实际必将成为一种可能，且存在巨大的应用前景。

MIT研究团队使用微型光固化技术打印各种结构，包括线圈、鲜花和微型埃菲尔铁塔等[28]。研究发现这些结构可以拉伸至其原有长度的3倍而不会断裂，但当它们被暴露在温度为40～180 ℃的环境下时，只需几秒钟就会恢复到最初的形状(图6)。

图6 随温度变化的多材料3D打印零件

4.2 智能化装备

可穿戴式装备的3D打印是可定制、独特和时尚的，使用3D打印方法可进行原型设计和制作。

应用多材料3D打印技术，通过多种导电材料和非导电材料的不同比例打印，可以方便实现电路板等智能化装备零件的3D打印。目前以色列Nano Dimension公司已经成功开发出商业化的电路板3D打印设备，该设备可进行线迹宽度为80 μm的多层电路板的打印。基于开源项目的Rabbit Proto也是一款能够进行电路板制作的3D打印设备。Steve Ready通过自己团队开发的多材料3D打印设备成功打印出集成无线压力和温度传感器的运动鞋垫(图7)。

图7 3D打印的电路板及功能鞋垫

智能化装备将感知(传感器)、执行(驱动器)和信息处理(控制器)三者集于一体，兼具结构材料和功能材料的双重特性。智能复合材料不仅具备一般复合材料在结构上的优点，还可以在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料的性能，而且还拥有智能化的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化。因此，智能复合材料及其相关研究得到了国内外研究者的密切关注。图8所示的康复辅助外骨骼、可穿戴设备和智能蒙皮，这些在不久的将来都可以利用3D打印技术进行加工成形。

图8 3D打印的智能化装备(主要应用领域)

4.3 超材料3D打印

超材料(metamaterials)是一种人工设计的复合结构、复合材料或新型运动机制，具有很多自然材料不具备的超常物性，如负磁导率、负折射率、逆多普勒效应、逆切连科夫(Cerenkov)辐射、负泊松比、负热膨胀等。超材料的基本物性突破了构成材质的限制，其基本物性源于精巧且致密的设计——微晶单元的特性以及微晶单元的空间分布。

2011年，康奈尔大学乌力·韦斯勒领导的科研团队提出了一种制造三维超材料的新方法，即利用化学方法让嵌段共聚物自组装成纳米结构。近年来，3D打印技术作为一种数字化、直接化的制造技术，从形状来说可以实现“所想即所得”，从材料来说可以实现材料的数字化复合或组合，从尺度来说可实现从纳米级到米级结构的制造，从而为超材料的加工实现提供了一种全新的、灵活的方案。3D打印技术和超材料技术都被看作颠覆性技术，二者的融合创新应用无疑具有不可预估的价值。

超材料的设计需要更深入、更系统的研究，需要从多材料、微晶结构、多尺度等多个维度加强理论和实验研究，继续扩展超材料的家族谱系。在未来，超材料设计将会比以往各个时候更具挑战性。结构与功能特性将越来越紧密地结合在一起。超材料的超常特性源自数字化的结构设计，因此还要研究超材料的数字化设计和仿真平台。

美国佐治亚理工学院的Wang 等研究人员设计了一种拉胀超材料，如图9所示，梁臂部分选用刚性材料，梁臂铰接处选用弹性材料，已在Objet Connex350 3D打印机上制作出实物。

图9 拉胀超材料模型及其3D打印实物

4.4 个性化服饰定制

应用多材料进行3D打印个性化服饰近年得到了很大的应用与发展，例如，Adidas推出了一款新型概念鞋，此概念鞋由两部分组成——海洋塑料制成的上层和鞋底夹层，鞋底夹层以可回收性聚酯和刺网为材料，通过3D打印制成，该材料是海洋塑料碎片的一部分，极大地促进了材料的可持续发展与创新。New Balance公司为运动员Jack Bola设计了一款运动鞋，定制的运动鞋底选择尼龙材料，通过传感器、动作捕捉系统获取数据构建三维模型，采用SLS工艺加工而成，从而提高鞋的合体度，为开拓个性化定制市场提供了新的方向。

3D打印可以满足消费者对舒适性与功能性的不同需求，采用3D打印生产定制服装将会成为服装产业发展的新方向。该种定制化生产方式使用材料较少，节约成本，能够直接将三维设计文件转变为服装实物，省去了传统服装生产工艺中烦琐的工序，从而极大地提高了产品的生产效率，缩短服装生产周期，提高了服装产品的技术含量，并且给面临资源短缺的服装产业带来了新的发展契机。

5 结束语

异质零件在生物3D打印、航空航天器件打印、高性能工业零部件制造等领域的应用已越来越广泛，激光、弧焊、等离子、电子束3D打印已经进入了产业化阶段；在4D打印、超材料打印、智能器件打印等方面的研究也越来越深入。随着异质零件CAD建模技术、异质材料设计及制备技术、异质零件成形技术等关键技术的逐渐成熟，异质零件将会在更多领域有更为新颖及可期的应用。