香港城市大學(xué)呂堅(jiān)院士團(tuán)隊(duì)頂刊綜述：結(jié)構(gòu)材料的增材制造

通訊作者：呂堅(jiān)
共同第一作者：劉果，張小鋒，陳緒梁，何云虎
其他作者：成勵(lì)子，霍夢(mèng)科，殷建安，郝鳳乾，陳思堯，王培育，易圣輝，萬鐳，毛
正義，陳舟，王旭，曹趙文博
單位：香港城市大學(xué)機(jī)械工程系，沈陽材料科學(xué)國(guó)家研究中心大灣區(qū)研究部，國(guó)家貴
金屬材料工程技術(shù)研究中心香港分中心，香港城市大學(xué)深圳福田研究院


2021 年 4 月 1 日，香港城市大學(xué)呂堅(jiān)院士團(tuán)隊(duì)在 Materials Science and Engineering: R: Reports 上發(fā)表綜述論文“Additive manufacturing of structural materials”該論文分別從增材制造領(lǐng)域的發(fā)展歷史，材料選擇，4D 打印，應(yīng)用前景，和趨勢(shì)展望等方面做了較為系統(tǒng)的介紹。論文鏈接：

第一章：簡(jiǎn)介
增材制造（Additive manufacturing, AM），又稱 3D 打印，其應(yīng)用被認(rèn)為是繼蒸汽機(jī)，計(jì)算機(jī)，和互聯(lián)網(wǎng)之后的又一項(xiàng)工業(yè)革命。AM 技術(shù)在過去的 30 年發(fā)展迅速，尤其是在近 5 年 AM 技術(shù)一直在加速其應(yīng)用。與減材制造（如常規(guī)機(jī)加工，鑄造，和鍛造等工藝）不同，AM 通過在計(jì)算器輔助設(shè)計(jì)（CAD）模型的指導(dǎo)下連續(xù)逐層添加材料來構(gòu)造三維結(jié)構(gòu)。

AM 是一種面向材料的制造技術(shù)，在各種材料（包括聚合物，金屬，陶瓷，玻璃，和復(fù)合材料等）中，普通存在打印精度和打印尺度/速度不可兼得的矛盾。4D 打印技術(shù)通常指的是經(jīng) 3D 打印成型的物體在外界刺激，例如熱，磁，液，電，光，氣壓，預(yù)應(yīng)力，或其組合的刺激下，實(shí)現(xiàn)構(gòu)型和功能的變化。本文總結(jié)了各種刺激方法的常用材料和原理，對(duì)比了不同刺激方法的優(yōu)缺點(diǎn)。4D 打印材料和技術(shù)，伴隨著各種變形系統(tǒng)的開發(fā)，驅(qū)動(dòng)著研究者在高維 AM 領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)概念突破及實(shí)際應(yīng)用。該綜述對(duì)結(jié)構(gòu)材料的增材制造提出了多元化展望，包括多材料（multi-material）AM，多模量（multi-modulus）AM，多尺度（multi-scale）AM，多系統(tǒng)（multi-system）AM，多維度（multi-dimensional）AM，和多功能（multi-function）AM。 AM 材料和方法的迅速發(fā)展為其在不同領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)應(yīng)用提供了巨大潛力，包括航空航天領(lǐng)域，生物醫(yī)療領(lǐng)域，電子設(shè)備，核工業(yè)，柔性可穿戴設(shè)備，軟質(zhì)傳感器/驅(qū)動(dòng)器/機(jī)器人技術(shù)，珠寶和藝術(shù)裝飾品，陸地運(yùn)輸，水下設(shè)備，和多孔結(jié)構(gòu)。此項(xiàng)研究獲廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃，深港科技創(chuàng)新合作區(qū)深圳園區(qū)項(xiàng)目，國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，和大學(xué)教育資助委員會(huì)（香港）聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室資助計(jì)劃的項(xiàng)目支持。

△增材制造的技術(shù)路線圖

△各種增材制造材料和工藝普通存在打印精度和打印尺度/速度不可兼得的矛盾

△各種 4D 打印驅(qū)動(dòng)刺激的關(guān)系圖

△結(jié)構(gòu)材料增材制造的多元化展望

△多維度增材制造：更高的維度，更高的打印效率

△3D 打印機(jī)有望借助自我打印能力而實(shí)現(xiàn)打印萬物

以下為該綜述部分章節(jié)的簡(jiǎn)要介紹：

第二章：不同材料的 AM
2.1 聚合物材料的 AM
該部分主要概述了聚合物 AM 的制造方法、材料種類以及 AM 聚合物的性能及使用領(lǐng)域，提出了聚合物 AM 的不足之處，并給出了解決方法。該部分同時(shí)展望了聚合物 AM 的良好發(fā)展前景。

2.2 金屬材料的 AM
該部分介紹了金屬 AM 利用多領(lǐng)域多學(xué)科融合的思路，在開發(fā)專用材料，新型工藝以及制造結(jié)構(gòu)上的相關(guān)進(jìn)展，同時(shí)高熵合金，金屬玻璃（非晶合金），貴金屬，金屬結(jié)構(gòu)材料的功能特性等方面前景廣大，但仍需進(jìn)一步發(fā)展。

2.3 陶瓷材料的 AM
該部分介紹了不同種類（粉基/漿基，鍍膜基，聚合物前驅(qū)體基）的陶瓷打印材料的特點(diǎn)，重點(diǎn)概述了聚合物衍生陶瓷在陶瓷 AM 領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用，總結(jié)了直寫打印的特點(diǎn)和所需的墨水條件，并對(duì)陶瓷打印技術(shù)將會(huì)往打印構(gòu)型更大和打印速度更快兩個(gè)方向的發(fā)展做了展望。

2.4 玻璃材料的 AM
該部分對(duì) 3d 打印玻璃進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述，介紹了高溫打印/低溫打印/復(fù)合玻璃材料打印三種類型，對(duì)比了不同打印方式下產(chǎn)品的透光度和性能的差異，并對(duì) 3d 打印玻璃的應(yīng)用和前景進(jìn)行了展望。

2.5 復(fù)合材料的 AM
該部分第一小節(jié)總結(jié)了聚合物-金屬?gòu)?fù)合打印的策略，介紹了多尺度的層級(jí)聚合物-金屬?gòu)?fù)合材料能突破機(jī)械性能（例如強(qiáng)度-密度，強(qiáng)度-韌性）之間的耦合，特征尺寸可以跨越 7 個(gè)數(shù)量級(jí)，充分利用“越小越強(qiáng)”的尺寸效應(yīng)。同時(shí)，機(jī)械超材料憑借特殊的架構(gòu)設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)非凡的剛度，強(qiáng)度和韌性。

該部分第二小節(jié)總結(jié)了聚合物-陶瓷復(fù)合打印的策略，生物陶瓷通常具有較高的強(qiáng)度和斷裂韌性，這種良好的力學(xué)性能主要?dú)w因于其復(fù)雜而又巧妙結(jié)合的多級(jí)結(jié)構(gòu)。3D 打印工藝是一種 “自下而上”制備工藝，能夠很好的應(yīng)用在仿生陶瓷的制備，例如常見的“Bouligand”結(jié)構(gòu)，“磚-瓦”結(jié)構(gòu)，“交叉疊片”結(jié)構(gòu)等，為人們制備高性能仿生陶瓷提供了有效途徑。

該部分第三小節(jié)總結(jié)了金屬-陶瓷-聚合物復(fù)合打印的策略，包括將金屬-陶瓷-聚合物復(fù)合材料粉末混合打印，以及將金屬-陶瓷-聚合物材料分層打印，并展望未來 3D 打印金屬-陶瓷-聚合物復(fù)合材料的發(fā)展方向。

第四章：AM 的結(jié)構(gòu)材料在不同領(lǐng)域的應(yīng)用

4.1 航空航天領(lǐng)域
在航天領(lǐng)域，尤其是航天器零部件和天線等結(jié)構(gòu)方面的領(lǐng)域，得益于太空的零（微）重力環(huán)境，在軌增材制造可以打印很多傳統(tǒng)加工方式難以實(shí)現(xiàn)的零部件。在航空領(lǐng)域，增材制造的應(yīng)用逐漸成熟，從最初在非關(guān)鍵部件上的應(yīng)用逐漸過渡到例如發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件的制造。例如使用增材制造燃油噴嘴，在減少部件的同時(shí)，提高燃油效率。在可以預(yù)見的將來，增材制造將在航空領(lǐng)域大放異彩，乃至于影響到飛機(jī)的整體設(shè)計(jì)。另外，3D 打印為新型可變機(jī)翼的研發(fā)提供了強(qiáng)大的加工能力，顯著提高了新型結(jié)構(gòu)的研發(fā)效率，并實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用于可變機(jī)翼的全新的結(jié)構(gòu)體系，目前蓬勃發(fā)展中的 4D 打印技術(shù)將為可變機(jī)翼提供更多先進(jìn)的技術(shù)路徑。

△增材制造在航天領(lǐng)域的應(yīng)用

△增材制造在航空領(lǐng)域的應(yīng)用

4.2 生物醫(yī)療領(lǐng)域
增材制造在生物醫(yī)療領(lǐng)域已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用，包括骨科、牙科、軟組織工程、組織修復(fù)再生和生物治療等。該部分從打印材料，表面處理，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等角度，總結(jié)了在硬組織工程應(yīng)用中增材制造技術(shù)的研究現(xiàn)狀。同時(shí)還對(duì)目前比較成熟的商業(yè) 3D 打印骨植入物，以及應(yīng)用增材制造技術(shù)的典型病例，進(jìn)行了介紹與總結(jié)。增材制造高精度，多材料的特點(diǎn)為復(fù)雜的生物支架制備提供了新的選擇，在人造心臟，體內(nèi)遙控機(jī)器人等高難度領(lǐng)域都有著不可替代的優(yōu)勢(shì)。

△增材制造在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

4.3 電子設(shè)備
該部分總結(jié)了 AM 在包括微波器件，PCB 板，MEMS，微電池，RFID 標(biāo)簽，以及陶瓷手機(jī)背板等電子設(shè)備上的應(yīng)用。在現(xiàn)代微波通訊系統(tǒng)及電磁應(yīng)用領(lǐng)域中，增材制造技術(shù)為器件的小型化、輕質(zhì)化、高精度、低成本制造提供了新方法，可有效降低傳統(tǒng)制造中存在的材料冗余、裝配誤差等缺點(diǎn)。在未來微波及太赫茲器件的增材制造技術(shù)發(fā)展方面，提升制造質(zhì)量和速度，研發(fā)新材料以適應(yīng)多功能需求以及實(shí)現(xiàn)更高頻器件制造將具有廣闊空間。隨著 5G 時(shí)代的到來和無線充電技術(shù)的發(fā)展，陶瓷材料的 AM 有望在新型手機(jī)背板的開發(fā)上發(fā)揮重要作用。

△增材制造在電子設(shè)備的應(yīng)用

4.4 核工業(yè)
該部分主要概述了增材制造制備的高分子、金屬及陶瓷材料在核工業(yè)中的應(yīng)用。從復(fù)合材料及材料結(jié)構(gòu)方面對(duì)中子屏蔽材料的性能及應(yīng)用進(jìn)行研究，并展望多功能復(fù)合材料在核工業(yè)中的潛在應(yīng)用。

△增材制造在核工業(yè)的應(yīng)用

4.5 柔性可穿戴設(shè)備
3D 打印技術(shù)可應(yīng)用于柔性、可穿戴電子設(shè)備的制造，例如應(yīng)變傳感器、納米發(fā)電機(jī)、柔性電極等。

△增材制造在柔性可穿戴設(shè)備的應(yīng)用

4.6 軟質(zhì)傳感器/驅(qū)動(dòng)器/機(jī)器人技術(shù)
4D 打印濕度、溫度響應(yīng)水凝膠發(fā)展迅速，各種幾何形狀、復(fù)雜變形和定向運(yùn)動(dòng)都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。3D/4D 打印在傳感器、執(zhí)行器和軟體機(jī)器人等各個(gè)方面都顯示出了巨大的應(yīng)用潛能。

△增材制造在軟質(zhì)傳感器/驅(qū)動(dòng)器/機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用

4.7 珠寶和藝術(shù)裝飾品
3D 打印技術(shù)由于制造周期短、可根據(jù)客戶需求精確定制、制造過程具有零浪費(fèi)等特點(diǎn)，成為了珠寶和裝飾行業(yè)興起的新型制造技術(shù)。3D 打印技術(shù)通過電腦建�？梢栽O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的珠寶和裝飾，并且以高分子、金屬、陶瓷等材質(zhì)直接打印出來，也可以通過打印鑄造珠寶所需的低熔點(diǎn)熔模來間接參與珠寶制作。

△增材制造在珠寶和藝術(shù)裝飾品的應(yīng)用

4.8 陸地運(yùn)輸
增材制造技術(shù)在陸地交通領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。相較于傳統(tǒng)的陸地交通工具（如汽車、自行車、高鐵等）的制造技術(shù)，增材制造技術(shù)不僅可以有效地降低制造成本，縮短研發(fā)周期，提高生產(chǎn)效率，還能夠推動(dòng)交通工具定制化設(shè)計(jì)的普遍應(yīng)用。

4.9 水下設(shè)備
3D打印在航海領(lǐng)域的價(jià)值不斷在開發(fā)，從服務(wù)水面船艦維護(hù)到深海水下探測(cè)。受益于 3D 金屬材料打印技術(shù)的成熟和海上環(huán)境 3D 打印技術(shù)的研發(fā)，未來遠(yuǎn)洋船艦中極可能標(biāo)配 3D 打印設(shè)備，為遠(yuǎn)離陸地補(bǔ)給的船艦即時(shí)制備已磨損或需更換的配件或臨時(shí)所需的結(jié)構(gòu)。該領(lǐng)域的潛在可觀的市場(chǎng)也將吸引和促進(jìn) 3D 打印技術(shù)在動(dòng)態(tài)環(huán)境下的發(fā)展。

△增材制造在海陸空交通運(yùn)輸?shù)臐撛趹?yīng)用場(chǎng)景

4.10 多孔結(jié)構(gòu)
隨著各種 3D 打印技術(shù)的飛速發(fā)展，作為多孔結(jié)構(gòu)的不同微觀結(jié)構(gòu)變得越來越重要。通過使用 AM 技術(shù)，多孔結(jié)構(gòu)有廣闊的應(yīng)用前景，特別是在醫(yī)療領(lǐng)域，如骨支架。利用3D 打印技術(shù)，可以個(gè)性化地制造出不同的尺寸和形態(tài)的結(jié)構(gòu)。

呂堅(jiān)院士簡(jiǎn)介

呂堅(jiān)院士現(xiàn)任香港城市大學(xué)機(jī)械工程系講座教授，先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料研究中心（CASM）主任，國(guó)家貴金屬材料工程技術(shù)研究中心香港分中心 (NPMM)主任，香港工程科學(xué)院院士，法國(guó)國(guó)家技術(shù)科學(xué)院院士。2006 年及 2017 年曾兩次獲得由法國(guó)總統(tǒng)親自任命的“法國(guó)政府頒授法國(guó)國(guó)家榮譽(yù)騎士勛章”及“法國(guó)國(guó)家榮譽(yù)軍團(tuán)騎士勛章”，2018 年獲得“中國(guó)工程界最高獎(jiǎng)”第十二屆光華工程科技獎(jiǎng)。呂堅(jiān)教授的研究方向涉及先進(jìn)納米結(jié)構(gòu)材料的制備和力學(xué)性能，實(shí)驗(yàn)力學(xué)，材料表面工程和仿真模擬，生物與仿生材料力學(xué)，航空航天材料與結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力工程，3D 打印先進(jìn)材料與產(chǎn)品集成設(shè)計(jì)等。


相關(guān)論文及鏈接
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