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來源：印梦园

目前3D列印在工業領域已經得到了較大規模的應用，隨著技術的不斷進步和發展，3D列印材料也性能在不斷提高，價格在不斷下降；目前主流的3D列印技術：FDM、SLA、SLM使用的材料，分別為ABS，PLA（用於FDM）；光敏樹脂（用於SLA）；尼龍粉末（用於SLS）；金屬粉末（用於SLM）。

但是除了這些現在已經成為主流的3D列印材料之外，還有哪些正在研究，將來可能成為主流的3D列印材料呢，下面小編將為大家做個簡單介紹。

1.1 3D列印電活性聚合物材料

電活性聚合物材料（Electroactive Polymer，EAP）是一類在電場激勵下，可以產生大幅度尺寸或形狀變化的新型柔性功能材料，是智慧材料的一個重要分支。

離子聚合物－金屬複合材料（Ionic polymer－metal composites，IPMC），Bucky Gel和介電彈性材料（Dielectric elastomers， DE）分別是EAP的典型代表。製造三維複雜形狀電活性聚合物結構是該領域的重要研究課題。

1.1.1 3D列印IPMC

IPMC材料是在離子交換膜基體兩表面，製備出電極而形成的複合材料，在外界電壓作用下，材料內部的離子和水分子向電極一側聚集，導致質量和電荷分布的不平衡，從而宏觀上產生彎曲變形。由傳統方法制備出的IPMC材料絕大多數為片狀，受傳統制備方法的限制，很難製備出複雜形狀的IPMC智能材料。

Evan Malone和Hod Lipson在2006年，首次提出了借助3D列印技術，製造三層結構和五層結構IPMC智慧材料。該研究組將Nafion溶液與酒精和水的混合溶液，作為列印IPMC基體的前體材料，將Ag微小顆粒與Nafion溶液混合液體作為IPMC電極材料，先透過3D列印矽膠材料制備出一個立方體硅膠容器，然後通過噴頭逐點累加固化電極－Nafion基體－電極三層結構。

3D列印制備的硅膠容器，作為接下來3D列印IPMC的支撐，防止噴頭噴出的液體，在固化之前流動而影響IPMC的製備。為了減少溶液的揮發和延長IPMC智慧材料的使用壽命，Malone課題組在3D列印3層結構IPMC基礎上進行改進，在固化形成的電極外側列印固化一層由Hydrin C thermoplastic（Zeon Chemicals L．P．）材料形成的不可被水滲透的低導電性電極保護層。

3D列印製造的五層結構IPMC，可以將溶液封存於IPMC之中，有效增長了使用壽命。圖1為結構示意圖及3D列印製備的IPMC。

儘管採用3D列印技術制備出的片狀IPMC，與傳統技術製備出的片狀IPMC在性能上具有較大差距，但是這種新的IPMC智慧材料3D列印技術，為製造複雜形狀IPMC三維結構奠定了基礎，使今後直接增材製造製造任意形狀IPMC智慧結構成為可能。

1.1.2 3D列印Bucky Gel Actuator／Sensor

Bucky Gel是最新研究發展的一種離子型電活性聚合物智慧材料，Bucky Gel的組成和驅動傳感原理類似於IPMC。Bucky Gel由三層結構組成，中間基體材料為由聚合物和離子液體構成的電解質層，基體材料兩邊為由碳納米管、聚合物和離子液體構成的電極材料，在兩側電極加載電壓時，離子液體中的陰陽離子向兩個電極移動，引起Bucky Gel的彎曲。

傳統Bucky Gel的製備方法常採用溶液鑄膜法（Solution Casting Method），分層分別固化電極和基體層，製備出的Bucky Gel大多為片狀，難以製備複雜形狀的Bucky Gel。

N．Kamamichi於2008年提出用3D列印技術製造Bucky Gel，利用3D列印技術逐點累加固化電極－基體材料－電極，可以製備任意複雜形狀的Bucky Gel。

該課題組利用3D列印技術製造手形狀的Bucky Gel（圖2），利用3D列印技術可以克服傳統製備方法的缺陷，製造任意形狀Bucky Gel智慧材料結構。

1.1.3 3D列印DE

傳統DE作動器是在介電彈性膜狀材料上下表面塗上柔性電極構成三明治結構。當施加了電壓U，DE材料的上下表面由於極化積累了正負電荷±Q，正負電荷相互吸引產生靜電庫侖力，從而在厚度方向上壓縮材料而使其厚度變小，平面面積擴張。傳統制備方法制備出的DE材料大多為薄膜狀，難以制備任意複雜性狀的DE材料結構。

Rossiter等在2009年首次提出3D列印DE材料，該課題組將光固化聚丙烯酸材料作為DE材料的集體膜材料，利用紫外光固（Stereolithog－raphy）3D列印技術，採用雙噴頭紫外光固化3D列印機，一個噴頭逐層列印固化支撐結構，另一個噴頭逐點累加噴射液體聚丙烯酸材料，透過紫外光照射固化成型，逐層固化形成三維聚丙烯酸基體材料（圖3），之後將支撐去除，在紫外光固化成型的聚丙烯酸基體材料表面塗抹柔性電極材料，形成DE材料。

Landgraf等在2013年提出用Aerosol jet printing（噴霧打印）3D列印技術製造DE材料，基體材料採用矽膠材料，電極材料採用硅膠與碳納米管混合物，透過逐層固化電極－基體－電極的方式實現三明治結構DE材料的3D列印。該課題組利用超聲波或者氣壓將矽膠液體轉變為噴霧狀，之後透過噴頭將矽膠噴霧噴射到工作平台表面實現矽膠的列印。

由於選用的矽膠是雙組份混合固化，問了防止雙組份矽膠在噴頭內固化堵塞噴頭，該課題組設計了雙噴頭列印裝置，通過兩個噴頭分別將矽膠兩個組份以噴霧形式列印，兩個組分在接觸之後固化，這樣逐點累加固化實現三維結構DE材料的3D列印製造。

R．Shepherd和S．Robinson在2013年提出了用紫外光固化矽膠3D列印技術製造DE材料，基體材料採用可紫外光固化的矽膠材料，電極材料採用混有炭黑等導電顆粒的水凝膠，透過改變硅膠的粘度來增強矽膠的可列印性，採用3D列印技術逐層固化實現三維結構DE材料。由於3D列印制備出的DE材料未經過預拉伸，採用該方法制備出的DE材料變形較小，但是這種方法使製造複雜性狀DE智慧材料結構成為可能。

A．Creegan和I．Anderson在2014年提出，採用雙材料紫外光固化3D列印技術，對DE基體材料和DE電極材料進行同時列印，紫外光固化3D列印技術，是通過紫外光束在液體樹脂材料，表面移動逐點累加固化實現三維實體列印，該課題組提出通過交替固化兩種液體樹脂材料A和B，實現AB雙材料紫外光3D列印技術（圖5）。

DE材料的3D列印技術目前仍處於初步研究發展階段，儘管目前通過3D列印技術制備出的DE材料性能與傳統方法制備出的DE材料還有差距，但是DE材料3D列印技術使今後製造任意複雜三維DE智慧材料結構成為了可能，解決了傳統制備方法無法制備複雜性狀DE材料的難題。

1.2 3D列印形狀記憶材料

形狀記憶材料包括形狀記憶合金（Shape Memory Alloy，SMA）、形狀記憶膠體（Shape Memory Gel，SMG）、形狀記憶聚合物（Shape Memory Polymer，SMP）等。形狀記憶材料最大的特點是具有形狀記憶效應，將其在高溫下進行定型，在低溫或常溫下使其產生塑性變形，當環境溫度升至臨界溫度時，變形消失並恢復到定型的原始狀態，將這種加熱後又恢復的現象稱作形狀記憶效應。

EfraínCarre?o－Morelli等在2007年提出形狀記憶合金的3D列印技術，利用有機聚合物將金屬粉末，粘接在一起逐點累加固化形成三維立體形狀記憶合金結構。

在列印過程中，噴頭將溶劑噴射到NiTi金屬粉末和有機膠的混合物上，有機膠與溶劑發生反應將NiTi金屬粉末粘結到一起，逐點累加固化得到所需三維實體形狀記憶合金結構。

應用3D列印技術製造出的形狀記憶合金結構的材料密度達到了理論材料密度的95％，且具有形狀記憶效應（圖6）；

H．Furukawa和J．Gong等提出了形狀記憶膠體的3D列印技術，採用3D列印技術逐點累加固化成型得到的三維形狀記憶膠體結構，具有形狀記憶效應，目前已應用於製造智慧醫用繃帶、變焦距透鏡和仿生機器人等。

Samuel M．Felton和Robert J．Wood等在2013年提出了利用3D列印形狀記憶聚合物技術，製造具有自組裝（self－assembly）、自折疊（self－folding）功能的智慧結構。利用3D列印技術將形狀記憶聚合物，逐點累加固化到硬質基板上，列印結束後固化成型的形狀記憶聚合物，與硬質基板緊密結合成整體平面結構，在光、溫度、電流等外界環境激勵下，形狀記憶聚合物發生體積膨脹或收縮，引起整體平面結構變形成為三維結構（圖7）。