出品：科普中國
作者：石暢（實體化學博士）
監制：中國科普博覽
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在科技飛速發展的今天，3D列印技術如同一股強勁的東風，吹遍了各行各業。從複雜精密的機械零件到栩栩如生的模型，從夢幻般的建築原型到個性化的生活用品，3D列印技術以其無限的創造力和靈活性，将人們的想象照進現實，為我們的生活帶來了便捷與驚喜。
3D列印生産模型
（圖檔來源：veer圖庫）
你了解3D列印技術嗎？
3D列印技術，又名增材制造技術，是一種通過逐層堆疊材料來建構三維實體的創新生産方式。3D列印技術的原理與我們用磚頭蓋房子類似，可以簡單概括為“分層制造，逐層疊加”。
3D列印的整個流程并不複雜，首先通過計算機輔助設計軟體建立或擷取數字模型，然後将該模型切割成一系列非常薄的橫截面層（即切片），每層厚度通常在數十到數百微米之間。接着，3D列印機根據這些切片資訊，通過特定的技術和材料，一層一層地建構出最終的物體。
3D列印的工藝包括熔融沉積成型（FDM）、光固化3D列印（SLA、DLP、LCD）、選擇性雷射燒結（SLS）、選擇性雷射熔化（SLM）、立體噴墨列印（3DP）、疊層實體制造（LOM）。
正在工作的3D列印機
（圖檔來源：veer圖庫）
熔融沉積成型技術是将絲狀的熱塑性材料通過噴頭加熱熔化，逐層沉積在平台上，最終凝固成三維的物體。該技術常用的原材料有熱塑性材料，如ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）、PLA（聚乳酸）等。該技術對裝置要求較低，操作簡便，适合個人和小型工作室使用。近期玩具市場火爆的“蘿蔔刀”“伸縮劍”等就是通過這種方式做出來的。
光固化3D列印的原理是利用特定波段和形狀的光照射光敏樹脂，通過光敏樹脂的逐層固化，生成所需形狀的物體。該技術成型精度高，表面光滑，适合制作精細模型和小型零件。
選擇性雷射燒結是利用雷射束掃描粉末材料，使其熔化并粘結在一起，逐層累積成三維物體。該技術以粉末為原材料（如尼龍、金屬粉末、陶瓷粉末等），成型精度高，适合制造複雜結構和功能零件。
選擇性雷射熔化與選擇性雷射燒結類似，但雷射能量更高，能夠完全熔化金屬粉末，實作金屬零件的快速成型。該技術常用金屬粉末（如钛合金、不鏽鋼等）為原材料，可列印高強度、高精度的金屬零件，廣泛應用于航空航天、醫療等領域。
立體噴墨列印是以粉末狀材料（金屬或非金屬）和粘合劑為原材料，利用粘結的機理，逐層列印各部件。該列印技術成型的樣品與實際産品具有相同的顔色，是目前較為成熟的彩色3D列印技術。
疊層實體制造以薄片材料（如紙片、塑膠薄膜等）和熱熔膠為原材料，通過雷射切割和熱粘合的方式逐層累積成所需物體。該技術成型速度快，材料成本低，适合制作大型結構和外殼。
盡管3D列印技術已經比較成熟，産品的還原度較高，但是受列印原材料的限制，3D列印産品具有較高的脆性，受外力容易發生斷裂。該類産品在高機械性能需求的場景中應用時，顯得有些“力不從心”。那麼，應該如何改善3D列印産品的玻璃心，具有“好看皮囊”的同時兼具柔韌性呢？
2024年7月3日，中國科學家在《Nature》期刊上發表了一項關于3D列印彈性體的研究成果，利用該技術制備的橡皮筋能夠被拉伸到自身長度的9倍，最大拉伸強度可達到94.6 MPa，相當于1平方毫米就可以承受接近于10公斤的重力，展現出超高的強度和韌性。
研究成果發表于《Nature》雜志
（圖檔來源：《自然》雜志）
這根橡皮筋為何如此特殊呢？
在光固化3D列印過程中，為了提高生産效率，往往需要較快的成型速度，這就導緻材料在固化過程中交聯密度的上升和材料韌性的降低。正常增加材料韌性的方法會增加材料的黏度，降低流動性，導緻成型速度的下降。3D列印的成型速度和成品韌性之間互相沖突的關系一直以來困擾着整個行業。
但是這兩個沖突點卻在中國科學家手裡得到了“和解”。研究者通過對光固化3D列印原材料光敏樹脂的分析和列印過程的拆解，提出了列印和後處理分階段進行的政策。研究者設計了一種二甲基丙烯酸酯的DLP（數字化光處理）前驅體，該前驅體的主鍊上含有動态受阻脲鍵和兩個羧基。在列印成型階段，這幾個關鍵組分處于“休眠”的狀态，在成型後處理階段發揮了增韌的作用。
a.3D列印的物體及其在後處理過程中的尺寸變化；b.3D列印氣球的抗穿刺性能；c.機械穿刺力的模組化；d-e.3D列印氣動夾具提重物測試
（圖檔來源：參考文獻1）
在90℃後處理階段，3D列印成品中的受阻脲鍵解離生成了異氰酸酯基團，該基團一方面與側鍊羧基生成酰胺鍵，另一方面與羧酸吸附的水反應生成脲鍵。分子内部發生的化學鍵變化将材料中單一的網絡結構連接配接成類似于“手拉手”的互穿網絡結構，并且帶來了更多的氫鍵，使得材料内部結構得到強化。正是由于材料内部結構的變化，使得3D列印的成品在受到外力産生形變時具備更大的緩沖空間，類似于車輛碰撞時的吸能效果，提高了産品的抗沖擊和抗斷裂能力，具有更高的韌性。
實驗結果表明，利用DLP前驅體經3D列印制備的厚度僅有0.8mm的薄膜表現出極強的抗針刺的性能，能夠在74.4 N的作用力下不發生破裂。即使在高壓充氣的條件下，3D列印的氣動夾具仍然能夠在不破裂的情況下抓起表面有鋒利刺、重達70克的銅球。展示了3D列印産品超高的韌性和結構強度。
3D列印彈性體有哪些應用？
在運動裝備領域，3D列印彈性體為運動員提供了更加個性化、高性能的裝備。例如，定制化鞋墊和防護裝備利用彈性體的減震和支撐特性，能夠優化運動員的運動表現并提升穿着體驗。特别是在極限運動和高沖擊運動中，3D列印的彈性體材料可以顯著減少運動員在運動中受到的沖擊，保護其關節和肌肉免受損傷。
3D列印的鞋墊
（圖檔來源：veer圖庫）
在汽車與航空航天領域，3D列印彈性體被用于輕量化減震部件和密封圈等關鍵元件。這些部件通過複雜的結構設計，既減輕了重量又保持了高性能。
汽車零部件
（圖檔來源：veer圖庫）
在電子産品領域，智能音箱、智能手環、手機保護套等産品都可以采用彈性體材料進行列印。這些産品不僅具有優良的柔軟度和彈性，還具備較高的耐磨性和耐用性，能夠滿足消費者對産品外觀和性能的多方面需求。
智能手環
（圖檔來源：veer圖庫）
在工業制造領域，3D列印彈性體技術被用于制造各種工業模具和傳動帶等部件。這些部件需要承受較大的機械應力和振動，而彈性體材料以其優異的彈性和抗疲勞性能成為理想的選擇。通過3D列印技術制造這些部件，不僅提高了生産效率，還降低了制造成本。
傳送帶
（圖檔來源：veer圖庫）
結語
3D列印技術在我們的生活中占據着越來越重要的地位，3D列印彈性體技術的問世進一步豐富了3D列印産品的使用場景。科技的進步賦予了生活無限的可能性，我們也期待更多科技的發展和技術的革新，使我們的生活更加豐富多彩。
參考文獻：
1.Fang, Z., Mu, H., Sun, Z. et al. 3D printable elastomers with exceptional strength and toughness[J]. Nature,2024.
2.Walker, D. A., Hedrick, J. L. & Mirkin, C. A. Rapid, large-volume, thermally controlled 3D printing using a mobile liquid interface[J]. Science,2019.
3.張學軍,唐思熠,肇恒躍,等. 3D列印技術研究現狀和關鍵技術[J].材料工程, 2016.
4.黃健，姜山.3D列印技術将掀起“第三次工業革命”？[J].新材料産業， 2013.