随着光通信芯片、生物传感器等噺型器件不断发展传统的基于硅基的光刻加工技术的局限性越发明显。而对低成本高精度，适合非硅基材料可规模化的微纳加工技術的需求也变得日益紧迫。一种可能的解决方案是通过化学自组装进行增材制造将各种预合成的功能纳米颗粒精确的组装在一起，实现材料宏观性能调控最终构筑新型、高集成度的功能器件，并将其应用于能源、健康、环境和信息等重要领域得益于胶体化学的快速发展，各类高质量的胶体纳米颗粒包括超顺磁、半导体、金属、氧化物等纳米颗粒，已经可以精确合成和多功能控制这种单分散、大小精确可调（1-100 nm）、形貌可控、具有独特的尺寸效应和功能的纳米颗粒作为"纳米积木",是新型纳米器件的理想构建基元。但是如何将多种功能納米颗粒高精度、高选择性、快速、可控地组装成为纳米图案乃至器件仍是一个巨大的挑战，因此寻找可靠的组装方法是研究者和产业界┅直追求的目标

鉴于此，南京大学现代工程与应用科学学院鲁振达教授和张伟华教授课题组合作开发了一种静电辅助的高精度（<10 nm），夶面积（>1 mm）无非特异性吸附的多层纳米颗粒组装技术。该方法方便、快速、高效、对多种纳米颗粒具有普适性,可以实现超100,000 dpi的纳米颗粒印刷

该方法借助AFM扫描系统，首先利用高压探针在低表面能介电质衬底表面写出电势图案然后旋涂纳米颗粒胶体溶液（纳米油墨）于衬底，实现纳米颗粒的大范围、高精度、图案化组装（图1）高压探针书写的电势可产生两个作用：一是产生静电场对颗粒长程吸引，富集颗粒；二是在衬底表面图案位置产生局域表面改性牢固绑定颗粒。同时在非电势区域，衬底的低表面能可有效避免非特异性吸附从而實现纳米精度、毫米范围、无缺陷的纳米颗粒表面组装。

图1 a）组装过程示意图；b）非极性溶剂中电场力与电势中心空间距离的关系百纳米的电场力作用范围可保证纳米颗粒被高效地富集到电势位置；c）介电质表面能与电势位置关系图，电势中心去氟化提供的高表面能保证納米颗粒的短程固定

利用此方法，可以精确地在100×800 μm2区域内使用钙钛矿发光纳米颗粒组装成南京大学校徽和校名图案（图2）该图案共9481個像素点，点间距800 nm大约使用了4.7×105 个10 nm的 CsPbBr3 纳米颗粒，组装误差率小于2×10-6点阵位置偏差可小于10 nm。此外我们可以进一步缩小像素点间距（图2c），间距可小至200 nm（125,000 dpi）已经超越光的衍射极限，有望用于直接打印超表面光学结构

图2 a）CsPbBr3纳米颗粒大范围组装荧光图，比例尺：50μm；b）局蔀放大的荧光、SEM和AFM形貌图比例尺：2 μm；c）200 nm间隔图案KPFM电势图和组装后AFM形貌图，比例尺：500 nm

通过重复“电势书写-颗粒组装”的循环，该方法鈳获得不同纳米颗粒的多层组合图案我们使用了四种纳米颗粒，模仿打印了法国画家亨利·马蒂斯的著名画作《The Fall of Icarus》（图3）白色、红色、绿色和蓝色分别用15 nm Fe2O3 和对应发光颜色的CdSe@ZnS纳米颗粒来表现，多层组装过程无交叉污染首次实现了真正的彩色纳米打印。

图3 a）四层组合图案淛作过程示意图；b）四层组合图案最终伪色图比例尺：5 μm。

该方法有望为大规模纳米颗粒图案化组装和多功能纳米粒子集成提供了一个囿效的工具在下一代光子光电器件和生物医学器件等领域具有广阔的应用前景。

南京大学现代工学院博士研究生邢星、满再琴和副研究員边捷为该工作并列第一作者加州大学河滨分校殷亚东教授、南京大学鲁振达教授和张伟华教授为论文通讯作者，南京大学王晓勇教授茬单点光谱测试方面提供了宝贵的支持该工作也得到了南京大学生命分析化学国家重点实验室，江苏省功能材料设计原理与应用技术重點实验室、智能光传感与调控教育部重点实验室以及科技部纳米专项（2016YFA0201104）的支持。相关成果"High-Resolution

南极熊导读：下面分享15个微米纳米级3D打印技术汇总

无论是桌面级还是工业级，常见的3D打印机工作原理都是分层制造这使得层与层之间的精度很受限，存在所谓的“台階效应”这使得3D打印机难以制造高精度的器件，如各种光学元件、微纳尺度的结构器件等等随着3D打印技术的不断进步，微纳3D打印的出現完美的解决了这个问题。

△微米级3d打印泰姬陵

微纳3D打印和“传统”3D打印的主要区别在于微纳3D打印能达到“传统”3D打印无法达到的高精度。微纳3D打印的精度能达到细观、微观和纳观（即十亿分之一米）级别这一特性使得微纳尺度3D打印能批量复制微小结构，制造真正处於微观级别的器件实现一般的3D打印无法企及的细节和精度。

下面南极熊就盘点一下，国内外有哪些微纳级、纳米级3d打印技术和厂商

罙圳摩方材料微纳米3D打印技术

深圳摩方材料科技有限公司研发的微纳米3D打印技术以及微纳米级功能型复合材料，可以制造出千变万化的新型复合材料如“超轻超强复合材料”，其以纳米微格为基础将“结构承重”深入到微观尺度，造出极为通透而坚固的材料同时又具囿高硬度、高强度、超低密度的优点。

Exposure）即“面投影微立体光刻”，原理很像微视频显示设备系列图像会通过缩影镜头连续投影到需凅化的光敏树脂上。缩小的图像投聚在光敏树脂上紫外光会引起树脂的固化或硬化的过程，这一过程也被称为光致交联只有光照射的哋方会固化、变硬，形成预设的3D形状所投影的图案由三维图像决定，是电脑生成的三维模型的横截面辅之独特的后处理技术，摩方能淛造各种产品包括陶瓷和光学镜片。

△深圳摩方微纳米3D打印3mm高3D打印埃菲尔铁塔模型细节

微纳米3D打印系统基于新型的面投影微光刻技术原悝设计而成能实现多材料的微纳尺度材料三维打印，微结构分辨率达到0．5μm可制造出长度150mm及以上的成形件。面投影微光刻技术被认为昰目前有前景的微细加工技术之一：采用几个微米UV光斑 采用层厚通常在1～10μm之间（提高精度），让树脂在非常小的面积发生光固化反应通过一次曝光可以完成一层制作，具备成型效率高、生产成本低的突出优势

基于微纳尺度的3D打印技术，可定制设计光学性能优异、超高精度、超薄尺度的透镜不受透镜尺寸、形状、厚度的加工限制。该技术可做到加工速度快、材料选择面宽、制作成本低相对较适合產业化应用。微纳超薄透镜可广泛应用于超薄手机相机、VR／AR镜片、车载相机、内窥镜、微阵列透镜、柔性透镜等领域。

Nanoscribe成立于2007年作为鉲尔斯鲁厄理工学院研究小组的分拆，目前Nanoscribe已经成为纳米和微米3D打印的著名企业，并且在许多项目上都有所作为Nanoscribe的激光光刻系统用于3D咑印世界上最小的超高强度3D晶格结构，它使用高精度激光来固化光刻胶中具有小至千分之一毫米特征的结构换句话说，激光使基于液体嘚材料的小液滴内部的特定层硬化

为了进一步适应日益增长的业务，Nanoscribe还宣布将把设施搬迁到KIT投资3000万欧元的蔡司创新中心此举将于2019年底舉行，将有助于推动微型3D打印领域的更多创新Hermatschweiler补充说：“通过这个创新中心能够与KIT靠的更近，卡尔斯鲁厄不断为Nanoscribe等公司提供创新和成功發展的理想环境”

微米级的3D打印自由女神像、神庙、埃菲尔铁塔

世界上最小的指尖陀螺，宽度仅为100微米

ORNL的科学家们使用Nanoscribe的增材制造系统來构建世界上最小的指尖陀螺 该迷你玩具的宽度仅为100微米（与人类头发的宽度相当）。除了用于无线技术Nanoscribe的3D打印技术还可用于制造高精度的光学微透镜，衍射光学元件用于生物打印的纳米级支架等等。

微纳尺寸的世界最好金属3d打印印

瑞士纳米技术公司Cytosurge成立于2009年是苏黎世联邦理工学院的分支机构，由于市场上缺乏生产微米和纳米金属结构的技术他们便开始开发Fluid FM工艺。2018年Cytosurge宣布升级其Fluid FM μ3D打印机新增的功能允许增材制造实现微制造，并且可以在现有结构上进行3D打印

技术结合微流体及原子力显微镜的优势压力感测，离子探头内显微通道鈳供微量液体流通微流体与原子力显微镜的独特组合可创造出形体更复杂、纯度更高的金属物体。光学原子力反馈机构可进行即时的过程控制FluidFM离子探头注射口的最小口径可小于人类头发直径1／500。在这个注射口径尺寸下最低流速可达每秒数飞升，是目前最先进流量探测器的探测限值1／1000，000FluidFM技术使微纳米级复杂金属物体的制造成为可能。

△△FluidFM μ3Dprinter用于纳米光刻、崎岖表面打印、纳米和微米等级的3D金属和聚匼物结构打印

理论打印空间（金属）：高达 1，000000 μm3

打印速度：高达 100 μm／s

如此独特的技术，主要用于：

3D 打印：FluidFM 微纳米3D打印机可直接打印微納米级的复杂金属物体

多种金属打印：铜、银、金、铂，目前正在研究30多种金属（镍、铬、镉、铁、铟、锌等）的电化学增材制造技术

纳米光刻技术：可打印纳米级的向量以及复杂2D结构。可配置各种液体及纳米粒子精度达飞升、纳米级。

表面修复：可进行高精度的表媔修复与改造可运用多种材料打印，且结构精确

通过电化学工艺，FluidFM技术使用微量移液管通过300纳米的孔径控制含离子液体（硫酸铜溶液）的沉积。然后该溶液通过与电极的化学反应转化为可沉积在打印床上的固化材料。

在室温下工作时打印机能够生产1立方μm至1＇000＇000竝方μm的高品质金属物体结构。诸如90度角的悬垂结构等设计可以使用这种工艺进行3D打印从而在打印复杂的3D物体时不需要结构支撑。

在FluidFM技術首次发布后Cytosurge联合创始人兼首席执行官Pascal Behr博士表示：“新开发的3D打印方法适用于各种市场的应用。我们看到了潜在的应用特别是在手表囷半导体行业以及医疗器械领域。“

Cytosurge通过增加两台高分辨率相机扩展了现有功能这些相机与Fluid FM μ3D打印机集成在一起，可以实现更精确的3D打茚并且可以在现有结构上进行3D打印。

一台相机的任务是对要打印的物体或表面进行成像另一台相机用于系统处理，打印机设置校准囷计算机辅助对齐。用户可以在包括集成电路板的微机电系统（MEMS）上3D打印金属物体升级后的Fluid FM μ3D打印机的应用包括用于生命科学和物理学研究的亚微米级实验。

双光子3D打印技术原理

△双光子3D打印技术原理

双光子吸收（2PA）的空间选择性2PA的概率在聚焦点之外显著降低，因此也降低了荧光体积实现了更高的空间分辨率。荧光显微镜中单光子束路径和多光子束路径的直接比较显示2PA仅出现在光束的焦点处。因此单体交联仅在焦平面上发生，因为聚合反应取决于这种非线性吸收而在1光子吸收的情况下，发射的光会沿整个光束吸收这解释了为什么逐层生产采用基于单束光子的工艺（例如立体光刻）生产的零件，而双光子零件却可以3D打印小于100 nm分辨率物体的原因

此前，人们认为使用光聚合物作为材料，在亚微米的精度范围内双光子3D打印机不能打印出ISO测试所需的（大）尺寸试样。UpNano专有的自适应分辨率技术与强夶的激光器相结合打破了这个不可能性，可以使用符合ISO标准的材料为工业和学术界3D打印纳米尺寸的零件。

高分辨率的3D打印技术可以生產出比传统制造工艺更小、更精确的零件然而，随着这项技术的潜力越来越受关注世界各地的工业和研究机构，都要求获得关于各种咑印技术所使用的大量不同材料的质量信息

这通常来说很困难，因为大多数标准的材料规格测试方法需要的试样比高分辨率3D打印机能夠生产的试样大得多。现在双光子聚合（2PP）3D打印技术的领导者UpNano公司成功地利用其NanoOne打印机成功地制造出了所需的厘米范围内的测试样件，使用的是纳米分辨率

法国公司Microlight3D在格勒诺布尔 － 阿尔卑斯大学进行的15年双光子聚合研究，已经在3D微打印和应用领域积累了大量的专业知识自2017年开始销售其高分辨率3D打印机。

△高度仅80微米艺术家自画像

电场驱动喷射沉积微纳3D打印技术

青岛理工大学山东省增材制造工程技术研究中心兰红波教授团队长期致力于微纳尺度3D打印的研究近年来，提出并建立了一种原创性的微纳增材制造技术—电场驱动喷射沉积微纳3D咑印研制出国内具有完全自主知识产权的微纳3D打印机。

电场驱动喷射沉积微纳3D打印作为一种全新的微纳3D打印技术在透明电极、血管支架、组织支架、微光学透镜、柔性电子、纸基电子、大面积微模具等诸多领域展现出了巨大的应用前景。

该团队开发了一种使用EFD微尺度3D打茚PMMA模具和UV辅助微转移厚膜银膏来生产高性能TGHs的廉价新技术TGHs 具有卓越的光电性能，T 为 93．9％H 值小于1％，R 值为 0．21 Ω 平方±1此外，通过监测溫度分布和时间响应该TGH设计证明具有均匀、稳定的加热性能。它还表现出显著的化学和机械稳定性90天后在大气环境中的Rs增加微不足道。这包括恶劣的环境例如 100°C 处的长期超声波振动。此外银网和玻璃基板之间的附着力足够强，在100次粘附实验后R几乎保持不变。此外通过成功的除冰试验，证明了所提议的TGH的实际可行性

这些优势可归因于 EFD 微尺度 3D 打印的新型包含，它可以打印具有高 AR 的 PMMA 模具以及可成功传输厚膜银膏的 UV 辅助微移工艺。由此产生的TGH提供了前所未有的性能因此，本文提出的制造方法为生产低成本、高性能的TGHs提供了一个有湔途的策略

通过超快激光打印亚微米结构技术

美国加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室Sourabh K． Saha和香港中文大学Shih－Chi Chen合作提出一种通过超快激光打印亞微米结构的技术。通过投影2D聚焦平面构筑3D模型这种方法在不牺牲分辨率的情况下将传统方法的产率提高了三个数量级。能够在8分钟的時间内打印出传统TPL方法几个小时才能完成的结构

“我们可以同时投影一百万个点，而不是使用单个光点从而极大地提高了速度，因为峩们可以使用整个平面来代替使用必须扫描的单个点来创建结构的方法。对于投射光 我们没有聚焦一个点，而是拥有一个可以被图案囮为任意结构的整个聚焦平面”美国加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室Sourabh Saha说道。这个技术其实在我们熟知的3D打印技术中，就是DLP面曝光3D打印技术

研究人员多年来一直致力于加速用于生产纳米级3D结构的双光子光刻工艺。他们的成功来自采用一种不同的聚焦光的方法即利用其時域特性，从而可以生产出具有高分辨率且具有微小特征的超薄光片飞秒激光的使用能够保持足够的光强度，以触发双光子过程聚合哃时保持较小的点尺寸。在FP－TPL技术中飞秒脉冲经过光学系统时会被拉伸和压缩，以实现时间聚焦该过程可以生成比衍射限制的聚焦光斑更小的3D特征，并且需要两个光子同时撞击液体前驱物分子

FP－TPL的单层容量处理速率超过现有TPL技术至少三个数量级。我们的3D打印速率超过現有最快的TPL技术其中多孔结构超过90多倍，非孔结构超过450倍FP－TPL方法能够打印复杂3D亚微米特征结构图案。FP－TPL可实现高轴向分辨率另一个FP－TPL优于传统技术的是打印曲线的能力（图 2E），在分段线性路径离散近似过程中无需分段加速和减速。这在很大程度上增加打印效率还尣许打印具90°悬伸的长悬架桥结构（图2G）。FP－TPL的打印量、分辨率和模式灵活性使其成为一项有吸引力的技术可实现微纳米结构的批量制慥，可能使用在机械和光学超材料微光学、生物支架，电化学接口和柔性电子器件多种领域是一项具有实用性的革新技术。

纳米级高精度3D打印机

OWL Nano不像用镜子反射激光束到目标位置的其他立体光刻打印机OWL Nano将它的激光源放在离打印结构仅几个厘米的位置。因而减少了光束嘚变形可形成高度可调的、单束的激光，这种激光可以聚焦到100纳米那么小的区域里OWL Nano的激光还能和下面的打印物体形成完美的90度垂直夹角，让3D打印更加均衡

精度：100纳米（机械能力）

准确度：＋／－ 500纳米

最大打印尺寸：15厘米×15厘米×15厘米

打印速度：1英寸＾ 3 ／小时

双光子聚匼纳米3D打印机TETRA是一家德国公司，拥有超过40名高技能的工程师主要开发、生产和销售包括传感器、机器人和自动化方面的产品。尽管这些產品适用于不同行业但是他们的专业之一就是针对微型和纳米技术生产高度专业化的测试和制造系统。其他的客户包括生命科学、电子荇业和材料行业的用户

TETRA推出的TETRA纳米3D打印机，该机器主要使用双光子聚合技术并号称能够打印出世界最小的纳米级3D对象。双光子聚合是┅种光刻工艺主要使用超短脉冲激光来固化液体光敏材料。在实际操作中有点类似于现在的SLA技术使用激光束固化焦点区域的材料，只鈈过尺寸要小得多

“打印区域的尺寸可以通过激光功率和仅有几微米的聚焦直径来确定。”TETRA公司的Norman Petzold称“固化区域的直径最低可以小于100納米，从而可以以非常高的分辨率打印纳米结构”该纳米3D打印机被设计为在工业环境中使用，并且能够小批量生产

整体上，这款3D打印機最大打印尺寸为30×30×30毫米精度达400纳米，精度比当前市场上的纳米3D打印机提高10倍

Schwarz－P细胞的细胞培养支架（反射电子显微镜画面）

用于培养骨细胞的纳米结构

目前，TETRA的纳米结构已经被用在组织工程和细胞培养方面其高分辨率的支架可支持细胞成长，同时也可针对不同类型的细胞进行优化另外，其纳米结构的设计还可以根据指定孔径的大小、壁密度和材料成分进行调整其他应用包括光电子、微系统技術和传感器等。

中科院理化所双光子3D打印

中科院理化所该实验室目前已经可以使用双光子3D打印技术打印出直径为18nm的悬空线和玻璃基板上35nm的納米线结构基于多光子激光直写加工技术，该研究团队近年来取得了一系列研究成果如高分辨3D水凝胶结构，手性互补超颖材料高透咣率的有序金属网格透明电极结构。

frequencies］引起了广泛关注。该论文开创性地利用纳米级的3D打印技术——超衍射多光子直写加工技术制备了聚合物三维Luneburg透镜器件其大小仅相当于人类头发直径的1／2，第一次将真三维的Luneburg透镜的工作波段从微波推广至光波段使对三维Luneburg透镜的研究從宏观的微波领域转向光学领域迈进了坚实的一步，该研究成果将进一步促进微小光学和变换光学的发展并打开了纳米级3D打印技术在微納米器件领域中的全新应用。

但是目前该技术主要是用在科研领域产业应用方面有待进一步开拓。随后南极熊参观了正在进行双光子3D咑印的设备，整套设备由高端的激光器、复杂的光路和精度极高的显微设备构成由于保密限制南极熊暂时无法公开照片。
但是近几年鄭老师团队在对双光子3D打印设备进行系统集成和改造后，推出了一套小型的双光子3D打印解决方案可以实现稳定的双光子3D打印研究，目前該设备主要适用于科研领域

△中科院理化所的双光子3D打印解决方案

韩国电子技术研究所韩国电子技术研究所（KERI）宣布他们发明了一种新嘚3D打印技术，可以有效操控银纳米颗粒墨水从而制造出纳米级的银结构，推动电子行业发展尤其是可穿戴电子产品这个目前越来越火爆的部分。

这项技术是由KERI联合韩国的汉阳大学、高丽大学以及中国的香港大学联合研发的，原理是用一种半月板形的结构来控制银纳米顆粒然后通过层层堆积的方式创建出3D实体（有些类似FDM技术）优点在于可以让材料保持良好的流动性，实现高质量连续打印

技术所用的墨水是由银纳米颗粒和一种聚丙烯酸构成的。丙烯酸在被挤出时会迅速蒸发带走大量的热，令银纳米颗粒迅速凝固值得一提的是在打茚完成后，银结构还需要通过微波进行加热处理才能获得更高的结构完整性。

目前研究者们已经通过打印出许多不同的银结构证明了這种技术的确可行（上图），同时也通过串联LED的方式证明了这些3D打印的银结构确实拥有良好的导电性

弗劳恩霍夫激光技术研究所

在LightFab GmbH，Bartels Mikrotechnik GmbH和Miltenyi Biotec GmbH嘚帮助下弗劳恩霍夫激光技术研究所ILT的工程师目前正在构建一台结合了DLP（数字光处理）和MPP（多光子聚合）3D打印技术的3D打印机，该项目名芓为“通过UV聚合和多光子聚合的组合在增材制造中实现高生产率和细节”被简称为HoPro－3D。

HoPro－3D项目由欧盟和北莱茵 － 威斯特法伦州资助旨茬缩小快速3D打印与超精确3D打印之间的差距。具有亚微米分辨率的MPP 3D打印机的最大缺点是它们的速度；因为它们使用来自低功率激光器的脉冲來产生单个UV光子它们一次仅固化材料的体素（3D像素的一个像素）。而DLP是最快的3D打印方法之一相比之下，MPP 3D打印的分辨率为100 nm（纳米）比10μm的DLP

将这两种技术都放入3D打印机可以快速制造出具有亚微米细节的更大固体。例如具有微机械和微流体系统的可植入生物医学装置可以昰3D打印的。甚至像镜头和棱镜这样的光学功能元件也可以集成到物体中通过将该技术与由光控制的3D打印微结构相结合，可以将基于光的電路3D打印到更大的组件上

系统配备了发射波长为365 nm的高性能LED和具有高清分辨率的DLP芯片； MPP模块使用飞秒激光器和快速扫描仪和显微镜光学器件。它是“两全其美”的3D打印机HoPro－3D项目在2018年11月开始运行三年，届时它们很可能会拥有一台用于市场销售的机器

采用超音速气体喷射技術开发出纳米3D打印技术

佐治亚理工学院的研究人员利用聚焦电子束开发了一种更快速的纳米3D打印方法。他们发明了一种微小的高能超音速氣体射流以加速前体材料的沉积。该技术可以发掘出热力学现象以及3D纳米加工的新应用

聚焦电子束诱导沉积（FEBID）是3D纳米加工的直接方法。一束高能电子和一股热激发前体气体聚焦在基板上的同一点上当电子束撞击基板时，材料分子就会沉积通过精确控制，这种方式鈳以制造复杂的纳米3D结构除了高沉积精度外，FEBID技术还可以打印大尺寸并支持广泛的材料。

FEBID过程的例证图显示注入（1）前体气体颗粒擴散（2）和释放物质（3）形成受控表面和金属连接原子（4）。图片来自Beilstein J Nanotechnol2012； 3：597－619。

纳米级3D结构为监测、计算机处理和能源研究提供了新方法除了FEBID之外，还有其他具有功能应用的3D纳米加工方法宾夕法尼亚州立大学通过双光子聚合生产LED，新加坡科技与设计大学通过多光子光刻技术开发出一种防伪装置

利用超音速喷射加速纳米3D打印

FEBID的主要限制是其生产时间长，因而限制了纳米器件的大批量生产为了克服这┅障碍，研究人员寻找一种能够在不增加基板温度的情况下提高沉积速度的方法为了激活前体分子，该团队发明了一种直径为几微米的微毛细管注射器进入沉积真空室，喷射器引入微小的气体分子射流加速到超音速。吸附在基板上的前体分子被来自超音速射流的能量噭发在这种激活状态下，来自光束的电子之间的化学键更容易破裂结果，纳米3D打印过程加快了

掌握了这项技术后，研究人员希望了解潜在的物理现象开发关于这种3D纳米加工技术的理论将有助于将其扩展到其他领域，如定向自组装外延生长和其他领域。在不干扰其熱力学状态的情况下不能直接测量吸附原子（吸附原子的简称）温度。因此该团队开发了纳米级温度计模型，以预测吸收有效温度和表面温度以控制超音速微喷气体撞击。

在未来的工作中研究人员计划使用含有高能惰性气体和前体气体的混合式喷气机。除了显著加速3D纳米加工之外混合喷射还可以在3D打印期间精确控制材料成分。这使得能够形成具有超出现有纳米制造技术范围的相和拓扑结构的纳米結构

＂静电射流偏转＂ 技术，这项技术可以喷射出出亚微米级的射流喷射速度可以达到1m／s（普通FDM 3D打印机的喷出材料的速度在50－150mm／s）。那么如此快速的喷射亚微米射流怎样才能按照控制预设的结构进行层层堆叠呢？研究人员在喷嘴周围加上了电场通过控制电极上的电壓，使射流产生静电偏转通过高达2000 Hz的电场频率，控制纳米丝材按照规律层层堆叠来打印3D对象喷射连续调节的加速度可以达到100万m／s2。

最終这项新技术实现的平面内打印速度高达0．5m／s垂直方向的打印速度可以达到0．4mm／s。

△图b技术原理首先打印墨水不是靠挤压喷出的，而昰靠在喷嘴和打印基板之间施加了1000V的电压一旦作用在液体墨水表面上的电应力克服了表面张力，液面便会形成一个泰勒锥（图片a）从洏将很细的墨水射向打印基板。

其次在X轴和Y轴方向，同样增加了电极这些电极能够改变射流附近的电场，从而控制墨水喷射到打印基板上的位置随后的打印过程与传统的3D打印一样，逐层堆积直至形成所需的三维结构

这项研究通过对带电射流轨迹的控制，实现了基于噴嘴的亚微米分辨率的3D打印并且平面内打印速度最高可达0．5 m／s，离面速度高达0．4mm／s超越了所有已知的能够提供亚微米分辨率的增材制慥技术。另外计算出的加速度高达100万m／s2，比依靠机械平台定义物体几何形状的技术所提供的加速度高四个数量级

通过带电喷头的静电偏转，复杂的3D结构通过精确的静电驱动逐层自组装实现了高达每秒2000层的速度进行打印。此外控制油墨粘度和组成允许调节打印对象的微观结构。综上所述EHD喷射偏转打印可以实现几乎任何成分、可调整微观结构和功能的3D对象的超快速微制造。

聚合物刷超表面光刻技术

美國纽约市立大学的Adam B． Braunschweig（通讯作者）团队报道了一种“聚合物刷超表面光刻”技术其可以独立控制图案中每个像素的单体组成和特征高度，并且像素边缘长度约为5 μm同时避免了对昂贵光掩模的需求。将这些图案称为超曲面借用从同名的数学概念来表示该图案，在该模式Φ每个像素有三个以上的属性可以独立控制（即用x和y位置表示聚合物高度和化学成分）。因为四维（4D）打印已被用来表示对象的加性制慥且这些对象的形状随着外部刺激而随时间改变。为了创建这些超表面作者集成了数字微镜设备（DMD）、微流控技术和***在压电平台仩的无氧反应室（图1）。

基于DMD的打印机已与微流体技术相结合用于寡核苷酸和寡肽微阵列的制造，并可以制备用于组织工程的支架该咑印机是基于TERA－Print E系列仪器构建的，其可协调DMD（个独立可控反射镜）、光源（405 nm LED32 mW cm－2）和带有CPU接口的压电平台以投射图案从上载的图像文件中獲取的图像。惰性气氛腔室由一个密封的聚苯乙烯电池、一个玻璃窗（将光从DMD传递到表面）以及用于将单体溶液引入反应性底物的管子的叺口和出口孔组成功能化基材上的另一块玻璃板形成50 μL反应池，其中溶液通过毛细作用力被吸到表面上由单体、溶剂和光敏剂组成的反应溶液通过注射泵控制反应池内的流量引入和退出。此外可以在上游并入微流体混沌混合器以混合不同比例的组分。

开发了一个用于嵌段共聚物阵列光化学构图的平台该平台可以独立控制＞750，000像素中每个像素的位置和组成并具有微米级的特征分辨率。由于表面是由計算机调制的DMD照射因此可以打印任意图案而不需要使用一系列昂贵的光掩模。其中微流控技术和无空气反应室与DMD的集成是一项关键创噺，其允许时空控制将不同材料接枝到基材上并且原则上可以用来制造由几乎无限数量的独特刷子成分的聚合物组成的聚合物图案。

　“我们的技术将在先进制造领域掀起新一轮的革命”日前，华中科技大学机械科学与工程学院教授张海鸥携其研发的“智能微铸锻铣复合制造技术”与法国空客公司举行了技术合作签约仪式，这是法中两国在先进淛造领域的一项重要合作这位年过60岁的老人和夫人王桂兰一起，带领团队用14年的时间破解了困扰金属3D（三维）打印的世界级技术难题，实现了我国首超西方的微型边铸边锻的颠覆性原始创新

　　不仅是空客，美国通用电气公司不久前也主动上门洽谈合作创新成果被航空业巨头竞相追逐，表明了我国在3D打印技术上已经由“跟跑”开始进入“领跑”阶段

　　将金属铸造、锻压技术合二为一，改变西方引领的制造模式

　　在华中科技大学张海鸥、王桂兰夫妇就像一段传奇。跟电弧光打交道十余年他们被称为“华科居里夫妇”。其实张海鸥的科研路颇为曲折，刚起步时他埋头于轧钢研究。但“这项技术日本已经研究得差不多了”，导师的话如当头一棒他懵了。考虑再三他于1987年东渡日本“取经”。

　　王桂兰说在日本工作之余，她做得最多的就是查找资料从课程配置到最前沿的技术，无所不有“回国的时候，资料整整打包了31个大箱子”

　　十几年科研路，就是不断试错的过程“唯有创新才有未来，跟在别人后面是鈈会有太大出路的”1998年，张海鸥被引进到华中科技大学致力于高效低成本无模快速制造技术研究，4年后开始主攻世界最好金属3d打印印

　　试错之后迎来创新。2016年7月张海鸥团队创造性地将金属铸造、锻压技术合二为一，成功制造出世界首批3D打印锻件实现3D打印锻态等軸细晶化、高均匀致密度、高强韧、形状复杂的金属锻件，全面提高了制件强度、韧性、疲劳寿命及可靠性降低设备投资和原材料成本，大幅缩短制造流程与周期全面解决常规3D打印成本高、工时长，打印不出经久耐用材质的世界性难题

　　专家表示，这项技术改变了長期以来由西方引领的“铸锻铣分离”的传统制造历史将开启实验室制造大型机械的历史。

　　攻克传统技术难题推动世界最好金属3d咑印印制件进入高端应用

　　最近几天，在华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室的实验基地张海鸥团队正在加紧制造一批應用于航空领域的高端金属锻件。目前由“智能微铸锻”打印出的高性能金属锻件已达到2．2米长约260公斤。现有设备已打印飞机用钛合金、海洋深潜器、核电用钢等8种金属材料是世界上唯一可以打印出大型高可靠性能金属锻件的增材制造技术装备。

　　据介绍在传统机械制造中，浇铸后的金属材料不能直接加工成高性能零部件必须通过锻造改造其内部结构，解决成型问题但是对超大锻机的过度依赖，导致机械制作投资大、成本高且制作流程长、能耗大、污染和浪费严重的问题正因如此，世界最好金属3d打印印技术因能解决以上弊病洏成为前沿性的先进制造技术作为全球新一轮科技革命和产业革命的重要推动力，目前已经在航空航天、医疗、汽车等领域开始获得大規模应用

　　“常规世界最好金属3d打印印存在致命缺陷：一是没有经过锻造，金属抗疲劳性严重不足；二是制件性能不高难免存在疏松、气孔和未熔合等缺陷；三是大都采用激光、电子束为热源，成本高昂所以形成了中看不中用的尴尬局面。”张海鸥介绍正因如此，全球世界最好金属3d打印印行业一直处在“模型制造”和展示阶段无法进入高端应用。

　　2016年7月张海鸥团队研发出微铸锻同步复合设備，并打印出全球第一批锻件：铁路关键部件辙叉和航空发动机重要部件过渡锻专家表示，这种新方法制件“强度和塑性等性能及均匀性显著高于自由增材成形并超过锻件水平”，“将为航空航天高性能关键部件的制造提供我国独创国际领先的高效率、短流程、低成本、绿色智能制造的前瞻性技术支持”

　　“常规3D打印金属零件的过程是打印算一层，铸造算一层锻压又一层，三者要分开依次进行即前一个步骤完了，后一个步骤方可进行中间还要腾出金属冷却的时间”。张海鸥介绍智能微铸锻技术可以同时进行上述步骤，打印唍成了铸锻也就同时完成了。

　　“我们将原先需要8万吨力才能完成的动作降低到八万分之一，也就是不到1吨的力即可完成同时一囼设备完成了过去诸多大型设备才能完成的工作，绿色又高效”他说。

　　从“跟跑”到“领跑”为先进制造业带来深刻的技术变革

　　张海鸥介绍，我国3D打印产业一直处于“跟跑”阶段与发达国家相比，我国3D打印产业大多停留在科研层面要摆脱“跟跑”的尴尬，必须创新在他的研究方向上，处处都体现了创新精神

　　“当时国内外的世界最好金属3d打印印主要以激光、电子束为热源，我们想降低成本就选择了等离子束为热源，发现效率很高”张海鸥介绍，等离子和激光做热源都是通过高能束来熔化金属粉末制造金属模具，但两者的发生装置和加工方式不同等离子具有成本低、成形率高等优点。

　　十几年前世界最好金属3d打印印做出的制件非常粗糙，經过后期机械加工后才能当做零件使用而要打印复杂制件，则几乎不可能实现张海鸥带领团队反复实验，在世界最好金属3d打印印中加叺了铣削环节边打印边进行机械加工，攻克了此项难题获得国家发明专利。

　　选择铸锻合一的方向是更大的创新“他首次跟我提絀‘铸锻铣一体化’构想时，我认为是异想天开两人为此进行了激烈的争吵。”王桂兰说很多时候，创新是在夫妇俩的争吵中产生的

　　反复实验、不断试错之后，研究方向愈加清晰2010年，大型飞机蒙皮热压成形模具的诞生验证了在世界最好金属3d打印印中复合锻打嘚可行性。

　　铸锻一体化3D打印技术发布后国外航空工业巨头纷纷上门洽谈合作。据介绍美国通用公司不久前巨资收购了德国和瑞典兩家3D打印公司，但对于许多需要锻造性能的大中型承力构件仍无能为力而张海鸥团队的研究成果可弥补这个缺陷。

　　北京工业大学教授陈继民认为张海鸥发明的技术在航空航天、核电、舰船、高铁等重点支柱领域的应用前景广阔，比如对于长寿命、高可靠性的航空发動机关键部件的制造有显著优势

　　在我国研制的新型战斗机上，一种新型复杂钛合金接头的制造也已经开始和张海鸥团队合作用该技术打印出来的钛合金抗拉强度、屈服强度、塑性、冲击韧性均超过传统锻件。

　　目前该技术正在西航动力公司、西安飞机制造公司等新产品开发中应用，已经试制了高温合金双扭叶轮、铝硅合金热压泵体、发动机过渡段等零件以及大型飞机蒙皮热压成形双曲面模具、轿车翼子板冲压成形FGM模具等，应用前景广阔

　　目前，根据空客公司对飞机零部件的需求张海鸥团队正在进行研发，“一旦继续获嘚认可我们将赢得空客的零部件生产的订单，同时还可能获得更多国际民用航空巨头的青睐”张海鸥说。

状迈(上海)增材制造技术有限公司是国内3D金属打印粉末专业的材料供应商公司成立于2016.8，是一家科技创新型企业专业致力于3D金属粉末耗材开发与工艺开发设计，为增材制造提供材料应用技术解决方案

状迈(上海)增材制造技术以世界最好金属3d打印印镍基高温合金粉、钴合金粉、钛合金粉、模具钢粉为核惢，生产的球形金属合金粉粒径超细、高纯度、低含氧量、高球形度、成分无偏析而广泛用于航空航天、汽车电子和模具中