微纳3D打印：有效提升新材料研发能力及产业创新能力
发布日期：2024-08-22
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近年来，依托大数据、云计算、人工智能等先进技术快速发展，新材料产业已成为战略性、基础性产业，是未来高新技术产业发展的基石和先导。如今，新材料技术与纳米技术、生物技术、信息技术相互融合，结构功能一体化、功能材料智能化趋势明显，精密、低碳、高性能、绿色、可再生循环等环境友好特性倍受关注。
01新材料行业现状
新材料是指新近发展或正在发展的具有优异性能的结构材料和有特殊性质的功能材料。目前，前沿新材料主要包括硼墨烯材料、过渡金属硫化物、陶瓷复合物、3D打印材料、仿生塑料等，加快布局前沿新材料已成为我国的重大战略之一。
新材料分类（图源：上海交通大学徐州新材料研究院）
新材料领域是关系国家安全和发展大局的战略性、基础性、先导性行业，保持着平稳良好的发展势头。根据Precedence Research的统计，2022年全球新材料市场规模为613.5亿美元，预计到2032年将达到1127亿美元左右，从2023年到2032年的年复合增长率可达6.27%，产业规模快速增长、创新能力显著提升。
新材料领域是关系国家安全和发展大局的战略性、基础性、先导性行业，保持着平稳良好的发展势头。根据Precedence Research的统计，2022年全球新材料市场规模为613.5亿美元，预计到2032年将达到1127亿美元左右，从2023年到2032年的年复合增长率可达6.27%，产业规模快速增长、创新能力显著提升。
02 3D打印催化创新材料开发
目前，探索新材料3D打印已经成为一种新的趋势，有望突破传统复合材料成型的限制，带来新材料制件领域的成本大幅度降低和时间大幅度缩短的变革。摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）高精密3D打印技术为提高新材料样件制造效率、降低制造成本提供多样化创新性解决方案。
聚合物衍生SiOC陶瓷
南方科技大学葛锜/王荣团队开发了一种具有超高打印精度和高陶瓷产率的PCP前驱体，采用摩方精密nanoArch® S130（精度：2 μm）和microArch® S240（精度：10 μm）3D打印设备，制备了尺寸从亚毫米到厘米的多种复杂三维结构，打印精度高达5μm。PCP前驱体在1100℃真空热解后转化为SiOC陶瓷，陶瓷产率高达56.9%。
超高打印精度、优秀的比强度、高陶瓷产率以及复杂高精度零部件的可加工性能，这些特性可极大的促进PDC陶瓷在工程领域和极端环境中的应用。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103889
柔性压电陶瓷复合材料
北京理工大学李营团队研究了一种新型的柔性压电陶瓷复合材料 (FPCCs)，旨在解决 FPCCs 制备精度低和难以同时提升压电性能和柔韧性的问题。首先通过配置柔性树脂基体和采用表面功能化处理压电陶瓷颗粒，实现了 FPCCs 柔韧性和压电性能的协同提升。其次，团队利用nanoArch® S140（精度：10 μm）制备了体心立方(BCC)结构，添加了不影响压电性能的光吸收剂 TiO2，显著提高了3D打印精度。最终制备的 FPCCs 具有高精度、高柔韧性和良好的压电性能，为 FPCCs 的多功能应用拓展了新的研究方向。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.05.087
熔融石英玻璃
香港理工大学3D打印中心温燮文教授联合香港大学机械工程系陆洋教授，提出了一种通过摩方精密PμSL 3D打印技术制备同时具有亚微米特征及毫米/厘米级尺寸的熔融石英玻璃三维构件的方法。熔融石英玻璃三维微纳样品由摩方精密2 μm精度的nanoArch® P130超高精密3D打印系统制备，通过结合PμSL 3D打印灵活地创建具有复杂的三维亚微米结构的高性能透明熔融石英玻璃，其分辨率、构建速度及成型幅面均超越了目前大多数其他3D打印玻璃技术几个数量级。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-46929-x
树脂微加工玻碳
新加坡南洋理工大学胡晓教授团队报道了新型可光固化的邻苯二甲腈（PN）单体并制备了可3D打印树脂，通过PμSL 3D打印技术以及固化热解处理，成功实现了玻璃碳（Glassy Carbon）的精密微加工。在他们的工作中，研究者首先合成了可光固化PN单体并溶解在溶液中配成可打印树脂，然后利用PμSL技术，并采用nanoArch® S140 （精度：10 µm）3D打印设备将得到的树脂打印成型具有微米分辨率的3D结构。
此方法为推进玻璃碳在医疗工具、电化学器件、精密微成型设备，以及在能源和航空航天技术中的应用提供了一个新的设计思路。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104053
3D打印生物墨水
南方医科大学口腔医院于光涛等人联合深圳湾实验室饶浪教授课题组设计开发了一种3D打印生物墨水用于牙周炎源性骨缺损修复，该生物墨水由EPLGMA为主体并装载干细胞和细胞囊泡用于发挥抗菌抗炎促成骨功能。摩方精密microArch® S230（精度：2 μm）打印了以EPLGMA为主体的仿生模板，结合模板法和光引发聚合合成了EPLGMA@PDLSCs@MDCSs-MV(EPM)。
高强韧水凝胶
上海交通大学林秋宁研究员/朱麟勇教授课题组提出一种全新的、广泛适用的水凝胶交联技术。基于该技术，常规的水溶性高分子如聚乙二醇、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、多糖等，仅需数秒光照即可形成既强又韧的水凝胶材料，几乎颠覆了水凝胶的制备与力学属性。该水凝胶材料能够循环拉伸超过10万次，团队利用摩方精密nanoArch® P140（精度：10 μm）设备，充分验证了水凝胶技术的优势与典型应用。
该技术的提出，意味着高强韧水凝胶材料的制备将从此变得轻而易举，赋予水凝胶生物医用广阔的想象空间。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41563-023-01648-4
目前，我国新材料产业发展在全球范围内仍处于跟跑阶段，亟须从顶层谋划、颠覆性技术开发应用、基础设施建设和优化发展生态等方面发力，加快推动我国新材料产业数智化发展进程。
摩方精密始终致力于提供高精密、高公差控制、高质量、高标准的技术支持与服务，加强“产学研医”协同以及提升自主创新能力等措施，推动新材料产业的健康、有序和可持续发展，为我国产业结构的优化升级和经济的高质量发展提供有力支撑。
