针对金属材料及高分子材料，常见的增材制造（3d打印）方法有哪些
增材制造3D 打印
对于普遍意义的功能器件，其主体尺寸介于宏观和微观（一般认为在几十μm到cm）之间，被称为介尺度（mesoscopic）（图6），已经广泛应用在生物技术、汽车、航天、军事、半导体、医疗机器人、光学通信等领域。对于制备介尺度3D结构，MEMS微加工技术往往受限于硅基材料，并且仅完成2D和2.5D的低纵横比结构制备；高纵横比结构可以通过深刻电铸造模造（LIGA）技术，但其成本高、加工缓慢。超高精度加工中心进行微加工，尽管节省了昂贵掩膜的费用，却面临较差的容积比和大量的能源、材料消耗。有效突破材料与工艺局限，提高整体利用率、减少能耗，明显提升器件性能，一直以来是器件一体化制造的重要考虑。纵观印刷电子（printed electronics）领域的发展，无论是喷墨技术与电流体动力喷射这类数字技术，还是丝网、凹版、微接触版等印刷技术，分辨率主体集中在0.1~10 μm量级。印刷电子所涉及的材料及沉积工艺，当结合系统数控与路径设计时，极易实现在立体空间的三维堆积成型，也正成为功能器件一体化增材制造的重要方向之一。
增材3D 打印工艺
在众多增材制造工艺中，光固化SLA/DLP（stereo lithography apparatus/digital light processing）、墨水数字打印作为介尺度器件制造的报道较多。由于在成型速度、精度与复杂性方面综合表现较突出，光固化技术成为功能器件微制造最新发展的主要载体之一。麻省理工学院Zheng研究组报道了利用光固化方法制造高度有序晶格（lattice）结构，并通过拓扑与组分优化实现了材料在低密度下杰出的刚性和强度（图7（a））与负热膨胀系数的特殊性能，使得这类超材料在减震器、隔音装置等领域具有很大的应用潜力。西安交通大学研究组利用服务等级协议（SLA）技术，实现了诸如渐变折射率的三维电磁隐身罩（图7（b））、梯度介电常数的龙勃透镜天线、三维光子晶体等。中国科学院研究团队以DLP制备3D模板，通过结合无电沉积方法，得到了超轻铜基金属泡沫，压缩50%仍可迅速回弹（图7（c））。基于进一步的光固聚合物功能化设计，德国Karlsruhe 理工学院与美国HRL 实验室分别完成了复杂三维透明玻璃材料（图7（d））与耐高温隔热陶瓷材料（图7（e））的制备。
图7 基于光固化的介尺度器件制造实例
增材3D 打印材料
在材料适应性方面，墨水打印技术具有更多的优势。这里所涉及的墨水打印技术主要包括墨水直书写与电流体喷印技术。对于前者，国内外研究人员相继报道了对于黏稠硅胶体系的线条精确编织，增材制造弹性、功能多孔材料系统，制备的样品体现出拓扑可控的能量吸收性能与表面浸润性能（图8（a））。利用功能材料墨水设计，可以实现功能器件的直接制造。如微型锂电池（图8（b））/石墨烯超级电容、嵌入式应力传感器（图8（c））、梯度多孔陶瓷、透明玻璃（图8（d））、心脏组织（图8（e））等。对于极具代表性的3D微型锂电池（图8（b）），研究人员选取了低体积膨胀率的新型钛酸锂与磷酸铁锂分别作为正负极材料墨水，通过设计墨水组分提高其可打印性，并以叉指结构方式进行制备，同时实现了高能量密度与高功率密度。而最新的报道中，研究人员基于压阻、导电与生物可兼容材料设计出6种不同的墨水，进行电极、传感与封装的分别制造，最终实现传感-驱动一体化的人造心脏组织（图8（e））直接制造。由于其数控结合度较高，使用范围广，该技术正在成为介尺度器件制造的重要工艺。直书写使用的墨水耗材一般表现为非牛顿流体，并且受限于喷嘴大小与墨水之间的耦合，能打印的特征线宽在10 μm量级。
图8 基于墨水打印的介尺度器件制造实例
增材制造针对功能器件的快速原型制备，是其前沿应用与工程实践的突出方向。而功能器件的自身复杂性，对于增材制造复合工艺的综合设计，特别是功能驱动、符合材料特性的关键技术集成提出了新的挑战，势必要求增材3D打印不断更新与提升其制造过程的材料通用性与成型精准性。
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