在3D打印中使用纳米材料

3D 打印，又称增材制造，是一种相对较新但发展迅速的生产方法，正在彻底改变医疗、航空航天、能源和电子等行业的产品开发和制造方式。该技术可以追溯到 20 世纪 80 年代，其原理是组件是通过增材制造而不是减材制造的，这带来了更大的设计自由度和更少的材料浪费等好处。

从历史上看，3D 打印主要用作原型制作技术，允许从 3D CAD 模型快速迭代物理原型，而无需任何昂贵的工具。然而，如今，随着制造工艺质量的提高和材料选择的不断增加，该技术除了原型制作外，还越来越多地用于最终用途应用。

说到 3D 打印材料，您首先想到的是热塑性线材卷轴或光聚合物树脂桶，这是可以理解的。虽然这些是较常见的 3D 打印耗材类型，但实际上，各种各样的增材制造工艺都需要不同类型的材料，从热塑性线材到光聚合物树脂，再到聚合物、陶瓷和金属粉末，再到纳米材料。

什么是纳米材料？
如今，纳米材料处于增材制造技术的前沿，因为它们可以生产出性能优于纯材料的部件。简单地说，纳米材料由基质材料（如聚合物）组成，基质材料中嵌入纳米颗粒（直径在 1 到 100 纳米之间）。纳米材料或纳米复合材料中使用的纳米颗粒可能有所不同，纳米颗粒的类型在确定相关材料的属性和功能方面起着核心作用。

例如，纳米材料有多种类别，包括：填充有碳纳米管或石墨烯的碳基纳米材料，其导电性能突出；含有银或金纳米颗粒的金属纳米材料；量子点等半导体纳米材料；以及具有绝缘和强化性能的陶瓷纳米复合材料。通常，这些纳米颗粒包含在聚合物、金属或陶瓷的基质材料中，可用于各种 3D 打印技术。

3D 打印纳米材料：挑战与前景
与化学气相沉积 (CVD) 等更传统的纳米材料生产方法不同，3D 打印具有许多优势，包括更复杂的几何形状、更大的定制化程度以及对材料分布的更多控制。有几种不同的增材制造工艺可以使用纳米材料，包括定向能量沉积 (DED)、熔融丝制造 (FFF)、粉末床熔合 (PBF)、光聚合工艺（如立体光刻 (SLA) 和数字光处理 (DLP)）以及材料喷射。

将纳米材料 3D 打印进一步推向主流的主要挑战之一是实现纳米颗粒在基质材料中的均匀分散。这是不同增材制造工艺（包括挤出、树脂和材料喷射技术）共同面临的挑战，因为纳米颗粒会在基质中聚集，从而导致结果不一致和材料性能不均匀。想象一下 3D 打印伤口敷料的抗菌性能只集中在一个区域，你就能理解这一挑战的严重性。其他挑战与纳米颗粒的添加如何改变材料的可打印性有关，无论是墨水的粘度、树脂的固化性能还是长丝的磨蚀性。除此之外，在 3D 打印过程中，需要精确控制温度和速度等加工条件，以防止纳米材料性能下降。

目前，纳米材料或纳米复合材料在 3D 打印技术中的应用仍主要局限于研究领域。然而，这些材料在 3D 打印过程中的潜在应用前景十分广阔。例如，将银纳米颗粒集成到 3D 打印结构中可以增加抗菌性能，可用于医疗植入物和伤口敷料等应用。石墨烯纳米颗粒和碳纳米管则因其能够为使用 FFF 3D 打印制成的部件增加导电性能而受到研究。 而在俄克拉荷马州的一所大学，研究人员正在研究在生物聚合物基质中使用阻燃纳米颗粒，使某些塑料更耐火。

尽管 3D 打印纳米材料仍是一个新兴领域，但已经出现了集成纳米颗粒的商业化产品。例如，SLA 专家 Formlabs 销售一种用于牙科行业的纳米陶瓷填充 II 类生物相容性材料。由于其陶瓷纳米颗粒，光聚合物树脂具有出色的强度和耐磨性。

纳米材料增材制造技术也正在扩展到微电子等领域，利用导电和介电纳米材料的组合，可以制造具有增强导电性和机械性能的复杂微型元件。XTPL 等公司在这方面处于领先地位，向市场推出了一系列导电油墨和糊剂，以及用于制造微型电路的精密分配工艺。

纳米材料是 3D 打印的未来
这些应用只是冰山一角：随着纳米材料增材制造的进步，它能够并且将通过开发更坚固、更轻便的组件以及具有独特特性（如抗菌性能、导电性等）的产品，改变医疗保健、航空航天和电子等行业的 3D 打印应用。