江苏激光联盟导读：

近日，香港城市大学吕坚院士团队在 Materials Science and Engineering: R: Reports 上发表综述论文“Additive manufacturing of structural materials”该论文分别从增材制造领域的发展历史，材料选择，4D 打印，应用前景和趋势展望等方面做了较为系统的介绍。江苏激光联盟将陆续对其主要内容进行介绍，本文为第十部分 ，多孔结构的增材制造以及全文展望。

4.10. 多孔解结构

不同的显微组织，如多孔结构，其应用由于多孔结构所具有的独特的性能和AM技术的特有的优势，正在不断的得到应用。应用多孔结构具有许多潜力，尤其是在采用AM技术进行制造的时候，当应用在医疗行业当中的时候，如用来制造骨头所使用的支架，更是如此。具有不同尺寸分布和形貌特征的多孔支架可以采用不同的3D打印技术来实现制造。在CAD设计软件的帮助下，设计成的不同形状的多孔支架可以实现化学成分的调节和孔的互相连接。由于患者的个体差异，传统的植入物不同完全满足所有患者的需要，这就导致了传统的植入物存在一定的限制，较差的生物机械性能以及服役周期短等问题。无论如何，不同的多孔骨支架在采用3D打印技术进行基于不同患者的个体差异进行个性化的制造，由此，个性化的植入物可以采用3D打印来完成，从而减少和排除了上述存在的问题。然而，3D打印技术可以打印多孔的骨人工小梁来制造出小梁-骨的界面能够有效的减少发生应力屏蔽效应和延长植入物的使用寿命。

多孔支架是骨组织工程中的重要部件。多孔支架作为细胞粘附的中间体并与此同时来刺激骨组织的生长。孔的尺寸和体积是综合的因数，影响着多孔支架的性能。最小的孔尺寸在100到150 μm 之间是骨形成所必须的。然而，支架的孔尺寸在促进骨的形成和血管形成的时候所需要的尺寸为要求大于300 μm。具有多孔结构的骨支架可以通过不同的方式进行制造，如气体发泡，通过冷冻进行干燥以及热相的分离等。

3D打印多孔结构在过滤行业也具有潜力巨大的应用，尤其是在油水分离和水净化的场合。图1示意的描述了多孔膜采用AM技术进行制造的示意图，尤其是采用DIW的办法进行制造。事实上，多孔的膜是采用编程的栅格结构，采用PDMS墨水进行打印，使用的是超疏水材料进行打印。多孔膜的栅格结构在计算机的辅助下进行设计以获得理想的性质，集成表面的超疏水特性，多孔的晶格可以避免界面处的弱吸附问题和获得机械稳定性。由此，这一膜呈现出在油水分离过程中的高效率且具有低成本和没有二次污染的特点。多孔陶瓷催化剂材料和3D打印的改性金属-无机框架结构，见图2所示，采用DIW 3D打印技术来制造出多层的催化剂，具有结构稳定性，高催化能力和长期服役稳定性的特点。结果显示MOF（金属-无机框架结构）改性的3D打印多层多孔催化剂呈现出优异的催化性能。

▲图1. 多孔膜的3D打印示意图

▲图2. 采用DIW技术进行多层多孔陶瓷的打印

随着3D打印技术的迅猛发展，3D打印多孔结构将会广泛的应用在骨组织工程和催化领域。随着人工智能算法为基础的生物学激励的重大进展，将会对复杂的多孔结构的设计和激光加工参数的优化起到极大的促进作用，这将进一步的促进3D打印多孔结构的进一步发展。图3为多孔结构在医学中的应用。

▲图3. (a) 采用EBM技术进行制造开孔的结构时候的元素模型和 (b)EBM制造的Ti6Al4V样品；插入ab中的为普通网格菱形十二面体和随机的泡沫，其中cd为功能CAD模型和c中内部以及外部泡沫孔隙度为83%/56%的时候的横截面

▲图4. EBM技术制造的患者使用的 Ti-6Al-4 V 菱形十二面体网，是CAD生成，聚合物的颅模型

▲图5. SLM-3D 打印的，个性化的Ti-6Al-4 V 脊柱笼

▲图6. X-ray 影像显示髋关节置换时，采用的是EBM制造的多孔Ti-6Al-4 V 基节杯（acetabular cup (AC) ），填充的是高度交联的聚乙烯衬里和头部同Ti-6Al-4 V股骨茎相连接，可以采用EBM实现不同孔隙率的制造

▲图7. EBM制造的Co-Cr-Mo 合金作为股骨网矫治器作为人工全膝关节置换术的部件

▲图8. 全膝关节置换术的模型视图，显示的是一个特殊的，多孔的股骨的的长期Co-Cr-Mo器件

▲图9. 采用粉末床技术制造的多孔植入物

5. 展望

本综述几乎覆盖了增材制造的所有领域，包括用于AM制造的结构材料，如聚合物，金属，陶瓷，玻璃和复合材料，以及他们的潜在的应用。进一步的，新型的AM制造所用的策略的展望也进行了介绍，见图10所示，包括 MMa-AM, MMo-AM, MSc-AM, MSy-AM, MD-AM和 MF-AM. 其中MMa-AM将包括材料的组合打印的主材料，支撑材料和介质材料。采用 MMo-AM和 MSc-AM打印的软的/刚性的材料系统和层状结构将会呈现出优异的性能。MSy-AM 包括材料-结构-工艺-性能之间的集成和制造。MD-AM具有两层含义：一是打印的尺寸从2D3D/4D 进行变化，甚至到更高的层级，其次是打印的次精度随着点点打印，线线打印到层层打印和体体打印，甚至到块体块体打印，见图11所示。MF-AM, 或 AM+,包括预先编程，实时处理，或者打印结构材料的后处理等，来生成功能材料以满足不同的应用。而且，3D打印机还可以打印几乎所有的材料，如图12所示。

▲图10. 结构材料AM制造的多个用途

▲图11. 多维增材制造，高的尺寸和高的打印效率

▲图12. 3D打印几乎可以打印所有的实物，包括它自己

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