《中國新材料研究前沿報告2021》增材制造材料——增材制造材料總體趨勢

作者：黃衛(wèi)東、王理林、王猛
來源：日新材料

4.1增材制造材料的國內(nèi)外研究進展與前沿動態(tài)

4.1.1 總體趨勢
增材制造（亦稱 3D 打印，本章后面根據(jù)方便將不加區(qū)別地采用其中一種術(shù)語）技術(shù)是 20 世紀 80 年代后期發(fā)展起來的新型制造技術(shù)，是當前國際先進制造技術(shù)發(fā)展的前沿，同時也是目前智能制造體系的重要組成部分。世界科技強國都將增材制造技術(shù)作為未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展 新的增長點加以培育和支持，歐美等發(fā)達國家紛紛制定了發(fā)展增材制造技術(shù)的國家戰(zhàn)略，美國“America Makes”、歐盟“Horizon 2020”、德國“工業(yè) 4.0”等戰(zhàn)略計劃均將其列入提升國家競爭力、應(yīng)對未來挑戰(zhàn)亟需發(fā)展的先進制造技術(shù)。我國也將增材制造列入了“中國制造 2025”強國戰(zhàn)略，在“十三五”期間進行了重點支持和發(fā)展。

增材制造產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了持續(xù)三十余年的高速發(fā)展，在各個領(lǐng)域均取得了良好的應(yīng)用效果， 新的增材制造技術(shù)和產(chǎn)業(yè)需求不斷涌現(xiàn)，在全球經(jīng)濟發(fā)展中占據(jù)了重要地位。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明， 1988 ～ 2020 年全球增材制造產(chǎn)業(yè)直接總產(chǎn)值的年復(fù)合增長率為 26%，其中 2015 ～ 2020 年 的年復(fù)合增長率為 19.8%，2020 年全球增材制造產(chǎn)業(yè)直接總產(chǎn)值達到 127.58 億美元 [1]。

2020 年全球增材制造材料總產(chǎn)值達到 21.05 億美元 [1]，占增材制造產(chǎn)業(yè)直接總產(chǎn)值的 16.5%，其中 2015 ～ 2020 年的年復(fù)合增長率為 22.3%，顯著高于同期增材制造總產(chǎn)值的增長率。圖 4-1 給出了 2017 ～ 2020 年全球增材制造材料產(chǎn)值數(shù)據(jù)，其中高分子材料（包括光敏 高分子、高分子粉末、高分子絲材）仍然占據(jù)絕大部分份額，產(chǎn)值由 2017 年的 9.25 億美元提升至 2020 年的 16.78 億美元，年復(fù)合增長率為 22.0%，在 2020 年產(chǎn)值中占比為 79.7%；金屬材料產(chǎn)值由 2017 年的 1.84 億美元提升至 2020 年的 3.83 億美元，年復(fù)合增長率為 27.7%， 高于增材制造材料總產(chǎn)值的增長率，在 2020 年產(chǎn)值中占比為 18.2%。回顧 2015 年，3D 打印金屬與高分子材料產(chǎn)值的份額分別為 11.5% 和 85.5%，可見，雖然高分子材料的份額迄今依然占據(jù)絕大多數(shù)，但金屬材料的份額增長卻非�？欤�與高分子材料份額相比出現(xiàn)彼消此長的態(tài)勢。2020 年其他 3D 打印材料總計只占約 2.1% 的份額，還遠不能同高分子與金屬材料相提并論。

圖 4-1　全球增材制造材料產(chǎn)值變化

增材制造材料種類層出不窮，從高分子材料、金屬材料到陶瓷材料，種類和應(yīng)用規(guī)模均持續(xù)快速增長。據(jù) Wohlers Associates 統(tǒng)計，截至 2020 年 3 月全球商業(yè)化銷售的增材制造材料已有 2486 個牌號，總牌號數(shù)量比 2017 年的 1139 個增加了一倍有余 (118%)，其中 49% 為 高分子材料，40% 為金屬材料，9% 為復(fù)合材料，其他 2% 為陶瓷、砂和蠟等 [1]。

我國增材制造產(chǎn)業(yè)近年來以顯著高于世界平均的水平高速發(fā)展。根據(jù) 2020 年 2 月賽迪顧問 (CCID) 發(fā)布的《2019 ～ 2020 年中國增材制造（3D 打印 ) 產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究年度報告》， 2019 年中國增材制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模為 157.5 億元 [2]，約占全球當年總產(chǎn)值的 20%，較 2018 年增長 31.1%。其中增材制造設(shè)備市場規(guī)模最大，2019 年市值為 70.86 億元，工業(yè)級設(shè)備單價高，部 分高端設(shè)備仍依賴進口；增材制造服務(wù)市場規(guī)模次之，2019 年的產(chǎn)值為 45.67 億元，主要用于滿足工業(yè)零部件定制化需求；增材制造材料 2019 年產(chǎn)值約 40.97 億元，占我國增材制造產(chǎn) 業(yè)總產(chǎn)值的 26%，顯著高于同期全球增材制造材料在產(chǎn)業(yè)規(guī)模中的占比（16%），這在很大程度上是由于我國增材制造材料研發(fā)水平較低，所使用的增材制造材料中有相當比例依賴進口， 造成了原材料成本偏高的問題。

增材制造技術(shù)也是學(xué)術(shù)界持續(xù)關(guān)注的熱點，用“3D Printing”關(guān)鍵詞在 Science 和 Nature 雜志及其關(guān)聯(lián)媒體上搜索，結(jié)果如圖 4-2 所示，從圖中可以看出與增材制造相關(guān)的文章數(shù)自 2012 年以來呈現(xiàn)快速增長趨勢。

圖 4-2　Science 和Nature 雜志及關(guān)聯(lián)媒體上包含“3D Printing”的文章數(shù)統(tǒng)計

早在 1998 年 Science 就刊出文章介紹可用于制造空間三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)的立體光刻技術(shù) [3] ；2014 年 Science 刊出文章介紹了納米金屬網(wǎng)格的“Laser Shock Imprinting”打印技術(shù) [4]。

增材制造技術(shù)與材料研發(fā)密切關(guān)聯(lián)，互為促進，協(xié)同發(fā)展。2015 年 Science 刊出文章介紹了基于增材制造技術(shù)實現(xiàn)的梯度材料軟體機器人 [5]，同年介紹了可大幅度提高光固化成形 效率的 CLIP 技術(shù) [6]，為了實現(xiàn)該技術(shù)，需要匹配相應(yīng)的打印窗口材料和光固化材料。2016 年 Science 刊發(fā)綜述文章，介紹結(jié)合多種增材制造技術(shù)和多種材料制造復(fù)雜功能部件 [7]，以及利用可光固化的高分子前驅(qū)體打印陶瓷結(jié)構(gòu)件 [8]。組織器官則需要使用支撐結(jié)構(gòu)、凝膠和活性細胞進行打印 [9-12]。

Nature 雜志于 1999 年刊出了題為“Printing a heart”的新聞稿 [13]，報道通過更換打印材料，原本用于軍用裝備或?qū)�彈的�?D powder printing”技術(shù)可以實現(xiàn)高復(fù)雜性人體器官的制備；2000 年刊出“Rapid prototyping of patterned functional nanostructures”[14]，使用一種具備自組裝特性的有機硅“墨水”實現(xiàn)了具備功能特性的分級組織結(jié)構(gòu)的快速打印；Nature 雜志 于 2013 年稱科學(xué)家正在應(yīng)用 3D 打印技術(shù)加速人類胚胎干細胞的研究 [15]，3D 打印的柔性材料氣管結(jié)構(gòu)已經(jīng)開始幫助初生嬰兒進行呼吸 [16]。Scientific Reports 于 2014 年刊出文章，介紹了一種利用藥物分層打印的技術(shù)，認為其在醫(yī)療應(yīng)用當中具有廣闊應(yīng)用前景 [17] ；Nature Communications 發(fā)文介紹使用脫細胞胞外基質(zhì)生物墨水打印三維組織模擬物 [18]。Nature Biotechnology 刊出綜述文章，介紹 3D 生物打印技術(shù)在多種組織的生成和移植中的應(yīng)用，如 皮膚、骨骼、血管移植物、氣管夾板、心臟組織和軟骨結(jié)構(gòu)，同時也被用于制作研究、藥物 發(fā)現(xiàn)和毒理學(xué)的高通量 3D 生物打印組織模型 [19]。為了提升生物凝膠組織的強度，有研究者 嘗試用 3D 打印的纖維結(jié)構(gòu)對其進行強化 [20] ；通過結(jié)構(gòu)設(shè)計和局部組織控制，可以打印出具備復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)，且能夠隨環(huán)境改變的類生物形態(tài) [21]，通過控制打印材料成分，可以實現(xiàn) 3D 打印結(jié)構(gòu)的可控條件降解 [22]。

Nature Materials 于 2006 年 刊 出“Controlled insulator-to-metal transformation in printable polymer composites with nanometal clusters”[23]，利用金屬團簇 / 聚合物納米粒子進行打印，并結(jié)合后處理可實現(xiàn)絕緣態(tài) / 導(dǎo)電態(tài)的切換；利用類似方法，可以打印出有機晶體管和塑料微 電子機械裝置，實現(xiàn)無線電能傳輸 [24]。2015 年 Nature 報道，利用半導(dǎo)體材料增材制造技術(shù)制備出了發(fā)光二極管結(jié)構(gòu) [25]。

2012 年 Nature Chem 介紹，將增材制造技術(shù)與化學(xué)合成研究整合以開發(fā)新的材料 [26]， 2013 年 Nature Communications 發(fā)文介紹使用微流控筆光刻技術(shù)實現(xiàn)飛微升化學(xué)反應(yīng)研究 [27]。采用二氧化硅納米粒子和專門設(shè)計的高分子單體，基于立體光刻技術(shù)打印的結(jié)構(gòu)，經(jīng) 1300℃ 燒結(jié)可獲得高光學(xué)品質(zhì)的玻璃結(jié)構(gòu) [28] ；利用氫化鈦懸浮液作為打印介質(zhì)，可打印出能進行空 間折疊的結(jié)構(gòu) [29,30]。利用電場驅(qū)動膠體墨水運動是實現(xiàn)增材制造的一種方式 [31]，同時還可以 打印自組裝三維嵌套共聚物層級結(jié)構(gòu)膜 [32]。

在增材制造過程中應(yīng)用磁場干預(yù)第二相的取向，能夠調(diào)整成形試樣的組織和性能 [33,34]， 這種在三維形狀之外的組織性能空間調(diào)控可視為增材制造中額外的維度控制 [35]。研究者將 NdFeB 粉末與尼龍粉末混合，實現(xiàn)了大幅面磁性結(jié)構(gòu)的打印 [36] ；通過增材制造獲得石墨烯 + PLA 的復(fù)合結(jié)構(gòu)，有望提升能量儲存效率 [37] ；在增材制造過程中向高分子材料中加入碳纖維，可獲得優(yōu)異的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能 [38]。

近年來在航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用的牽引下，金屬材料增材制造受到了更廣泛的關(guān)注。2013 年 Nature 介紹了使用液態(tài)金屬進行擠出打印的研究進展 [39]，2014 年 Scientific Reports 介紹使用徑向沉積增材制造技術(shù)開發(fā)梯度金屬合金 [40,41]。研究者考察了不同成形工藝條件下的組織演化和缺陷形成機制 [42-45]，增材制造中金屬的可打印特性是人們持續(xù)關(guān)注的問題 [46]，為了提升金屬材料的可打印性，研究者向金屬原料中添加適當?shù)男魏思{米顆粒，實現(xiàn)了原本被認為不適合增材制造的 Al7075、Al6061 的 SLM 打印，獲得了無裂紋的具有細小等軸晶粒組織的試樣，獲得了與鍛件相當?shù)男阅?[47] ；改善金屬增材制造特性和性能的另一種方法是優(yōu)化合金成分，Ti-Cu 合金就因具備高的成分過冷形成能力，能夠顯著細化晶粒組織并改善打印件的力學(xué)性能，而成為在此方面的一個成功示范 [48]。我國研究者在金屬增材制造方面的研究已經(jīng)形成了國際影響力，Science 雜志繼 2020 年 11 月刊出了清華大學(xué)趙滄博士關(guān)于選區(qū)激光熔化孔洞缺陷形成機制的研究論文后 [49]，又于 2021 年 5 月刊出了南京航空航天大學(xué)顧冬冬教授 的綜述論文 [50]，指出材料 - 結(jié)構(gòu) - 性能的一體化設(shè)計和制造是金屬增材制造的重要發(fā)展趨勢。