《中國新材料研究前沿報告2021》增材制造材料——我國在該領(lǐng)域的地位及發(fā)展動態(tài)

作者：黃衛(wèi)東、王理林、王猛
來源：日新材料

4.2我國在該領(lǐng)域的地位及發(fā)展動態(tài)
中國增材制造材料的發(fā)展總體上處于世界先進(jìn)水平，表現(xiàn)在以下幾個方面。
① 產(chǎn)業(yè)應(yīng)用體量上僅次于美國，居世界第二位，而且發(fā)展速度明顯快于世界平均水平。根據(jù) Wohlers Report 2021，自 1988 年到 2020 年，世界各國累積安裝工業(yè)級 3D 打印機(jī)的數(shù)量 比例居前四位的國家分別是，美國 33.6%，中國 10.6%，日本 9.3%，德國 8.1% ；而在 1988年到 2013 年期間，這一數(shù)據(jù)是，美國 38.0%，日本 9.4%，德國 9.1，中國 8.8%。工業(yè)級 3D 打印機(jī)安裝數(shù)量總體上體現(xiàn)了高端 3D 打印材料的工業(yè)應(yīng)用，說明中國在高端 3D 打印材料的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用上發(fā)展很快，從八年前的世界第四位上升到去年的世界第二位。雖然與處于世界第 一的美國還有很大差距，但這種差距正在快速縮小。中國在桌面級 3D 打印機(jī)生產(chǎn)方面占據(jù) 了世界絕大部分的份額，估計達(dá)到 80% ～ 90%，大部分銷往國外。桌面級 3D 打印機(jī)所用的 高分子絲材，估計中國生產(chǎn)量占世界總量的份額超過 50%，以至于在中美貿(mào)易戰(zhàn)中，美國把來自中國的 3D 打印絲材作為控制進(jìn)口的材料。桌面級 3D 打印機(jī)的數(shù)量體現(xiàn)了低端 3D 打印材料的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，說明中國在低端 3D 打印材料的發(fā)展上占據(jù)了世界主流。

② 增材制造材料的研究和應(yīng)用面非常寬，不但全面覆蓋了金屬、高分子、陶瓷、生物材料和復(fù)合材料等所有大類材料，而且各類材料中都涉及很廣泛的具體材料類型。除了少數(shù)高端材料還需要進(jìn)口外，絕大多數(shù)增材制造材料，包括很多高端材料都可以實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)供給。在 高端增材制造材料上受到的限制，主要來自于國外 3D 打印設(shè)備廠商捆綁銷售打印材料的商 業(yè)策略。雖然我國增材制造設(shè)備的發(fā)展非�？�，有很多高端設(shè)備已經(jīng)接近甚至于達(dá)到了世界先進(jìn)水平，但總體來說在設(shè)備品牌上差距還很大。世界頂級增材制造設(shè)備廠商利用其強(qiáng)大的品牌效應(yīng)采用捆綁銷售打印材料的策略，是一個很普遍的現(xiàn)象。由于我國高端工業(yè)應(yīng)用還大量采用進(jìn)口國外增材制造設(shè)備，導(dǎo)致進(jìn)口高端增材制造材料的數(shù)量長期居高不下，也在很大 程度上提高了我國增材制造材料應(yīng)用的成本，成為限制我國增材制造實(shí)現(xiàn)更廣泛的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的一個重要因素。國內(nèi)有能力以應(yīng)用自產(chǎn)或國產(chǎn)材料為主實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的增材制造企業(yè)，主要是擁有自產(chǎn)高水平設(shè)備，同時又有強(qiáng)大的材料開發(fā)能力的公司。例如，西安鉑 力特公司實(shí)現(xiàn)了 50 多種增材制造金屬材料的大規(guī)模航空航天應(yīng)用，其中 80% 為自產(chǎn)材料， 多種自行研發(fā)和生產(chǎn)的金屬材料增材制造成形制件性能遠(yuǎn)超同期進(jìn)口粉末；寧夏共享集團(tuán)形成了以自行研制的系列鑄造砂型 3D 打印材料與自產(chǎn)砂型打印設(shè)備的配套應(yīng)用，建立了多條高度智能化的砂型 3D 打印生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了單條砂型 3D 打印生產(chǎn)線年產(chǎn)達(dá) 15000t 鑄造砂型 的世界最大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，自產(chǎn)材料成本僅是進(jìn)口材料成本的 1/4，支撐了處于世界領(lǐng)先水平的智能化鑄造工廠建設(shè)。

③ 增材制造材料的科學(xué)技術(shù)研究隊(duì)伍具有很大的規(guī)模，絕大多數(shù)工科大學(xué)都有團(tuán)隊(duì)涉足增材制造材料研究，增材制造材料的科學(xué)技術(shù)研究已具有很大的廣度和深度。在科學(xué)基礎(chǔ)和創(chuàng)新性技術(shù)研究方面具有代表性的工作如下。

● 南京航空航天大學(xué)顧冬冬團(tuán)隊(duì)提出了“材料 – 結(jié)構(gòu) – 性能一體化增材制造”（MSPI-AM） 這一整體性概念，其概念性創(chuàng)新在于：變革傳統(tǒng)的串聯(lián)式增材制造路線，發(fā)展新的材 料 – 結(jié)構(gòu) – 工藝 – 性能一體化“并行模式”，在復(fù)雜整體構(gòu)件內(nèi)部同步實(shí)現(xiàn)多材料設(shè)計與布局、多層級結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與打印，以主動實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的高性能和多功能。相關(guān)論文于 2021 年發(fā)表于 Science。

● 清華大學(xué)趙滄博士分析了選區(qū)激光熔化掃描速度和激光功率對氣孔缺陷的影響規(guī)律， 建立金屬增材制造過程同步輻射在線監(jiān)測系統(tǒng)直接觀察匙孔氣泡產(chǎn)生及演化過程，理清了該類氣孔缺陷的產(chǎn)生機(jī)理，為未來全致密金屬增材制造提供了理論支撐。相關(guān)論文于 2020 年發(fā)表于 Science。

● 西北工業(yè)大學(xué)林鑫團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)深入揭示了金屬增材制造非平衡物理冶金、近快速凝固與循環(huán)往復(fù)固態(tài)相變相互耦合作用下的多尺度組織演化規(guī)律，發(fā)展了高性能專用合金體系，應(yīng)用于 C919 飛機(jī)、“天問一號”火星探測器等 30 余項(xiàng)國家重大重點(diǎn)型號器件。二十余篇高水平金屬增材制造學(xué)術(shù)論文發(fā)表于 Acta mater 和 Additive manufacturing 等 材料與增材制造頂級學(xué)術(shù)期刊，SCI 他引達(dá) 5796 次。國際多位領(lǐng)域著名學(xué)者在 Nature 及相關(guān)子刊進(jìn)行了引用和正面評價。

● 清華大學(xué)林峰團(tuán)隊(duì)針對 SEBM 成形過程，西北工業(yè)大學(xué)魏雷博士等針對 SLM 成形過程，分別開發(fā)了高水平的多物理場數(shù)值計算方法，形成了可以高效、準(zhǔn)確模擬這兩種最重要的金屬增材制造的材料冶金過程數(shù)值模擬軟件。
● 華中科技大學(xué)史玉升團(tuán)隊(duì)使用自主研發(fā)的 PS 粉末材料為國內(nèi)外 300 多家單位包括空客、北京航空材料研究院、中航工業(yè)航空動力機(jī)械研究所、二汽、中船重工 12 所等 SLS 打印成形了各種復(fù)雜鑄造熔模，所研發(fā)的尼龍及其復(fù)合粉末材料已在廣東銀禧科技股份有限公司實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，建成了年產(chǎn) 200t 的生產(chǎn)線；成功制造出直徑超過 1.6m 的大尺寸復(fù)雜碳化硅陶瓷復(fù)合材料零件，性能優(yōu)于國外產(chǎn)品。

● 西安交通大學(xué)田小永團(tuán)隊(duì)提出原位熔融浸漬與擠出成形復(fù)合的高性能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)增材制造新工藝，所制備的 CCF/PA 復(fù)合材料纖維含量可達(dá) 50%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），性能超過鋁合金，并率先實(shí)現(xiàn)了 CCF/PEEK 復(fù)合材料構(gòu)件成形。相關(guān)研究成果發(fā)表 ESI 高被引 論文 2 篇，獲 2019 Composites Part A 期刊最高被引論文獎。

● 西安交通大學(xué)李滌塵團(tuán)隊(duì)提出了一種控性冷沉積增材制造工藝，基于分子結(jié)晶與力學(xué)性能調(diào)控原理，通過設(shè)計增材制造過程中的熱工藝參數(shù)（環(huán)境溫度、打印溫度、熱處理方式等），實(shí)現(xiàn)不同位置不同結(jié)晶度的 PEEK 材料制件，在同一 PEEK 增材制造制件上實(shí)現(xiàn)變剛度、變性能的多種性能集成。

● 華南理工大學(xué)楊永強(qiáng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)了多材料金屬激光選區(qū)熔化設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)異種材料在 Z 軸方向梯度成形，可以實(shí)現(xiàn)單層中多種材料梯度預(yù)置，并且在同一層上可以實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域內(nèi)的異種材料的成形。

● 四川大學(xué)李光憲團(tuán)隊(duì)在增材制造高分子材料領(lǐng)域提出了新的學(xué)術(shù)思想，研發(fā)了多種高水平增材制造高分子材料，包括：針對 CLIP 技術(shù)開發(fā)出多種具有優(yōu)異性能的功能性打印油墨；針對 SLS 技術(shù)，提出動態(tài)交聯(lián)高分子 3D 打印的學(xué)術(shù)思想，解決了 3D 打 印層間黏合作用弱、Z 方向強(qiáng)度低等關(guān)鍵難題；通過控制 FDM 過程中的外力場，得到 了具有原位纖維結(jié)構(gòu)、高取向度的串晶結(jié)構(gòu)及附生結(jié)晶結(jié)構(gòu)的樣品，制件的力學(xué)性能得到大幅提高。

● 中南大學(xué)李瑞迪團(tuán)隊(duì)與長沙中車研究院合作，研發(fā)了 AlMgScZr 增材制造專用高強(qiáng)度鋁合金材料，強(qiáng)度（約 520 ～ 540MPa）高于空客增材制造專用高強(qiáng)度鋁合金 Scalmalloy 的強(qiáng)度（約 500 ～ 520MPa），成功應(yīng)用于民用航空航天全尺寸構(gòu)件的增材制造。

● 針對大尺寸陶瓷件增材制造后續(xù)燒結(jié)往往嚴(yán)重變形的問題，西北工業(yè)大學(xué)成來飛團(tuán)隊(duì)提出了采用 CVI、PIP 或反應(yīng)熔體滲透（RMI）等增密方法使 3D 打印陶瓷件致密化。相比于燒結(jié)，可以保證不會改變已成形坯體的形狀和尺寸，且同樣可以獲得高性能， 從而實(shí)現(xiàn)成形和成性的協(xié)同。采用這一創(chuàng)新性的方法，制備了一系列滿足航空航天應(yīng) 用的高性能增材制造陶瓷結(jié)構(gòu)件。

● 青島理工大學(xué)蘭紅波團(tuán)隊(duì)提出了一種原創(chuàng)性的電場驅(qū)動噴射沉積微納增材制造新技術(shù)，應(yīng)用到高性能柔性透明導(dǎo)電膜、透明電極、透明電加熱 / 電磁屏蔽、共形天線、 柔性電子、可降解心血管支架和組織支架、微透鏡、功能梯度材料、3D 結(jié)構(gòu)電子、高分辨率液態(tài)金屬打印等多個領(lǐng)域和行業(yè)。

● 西北有色金屬研究院湯慧萍團(tuán)隊(duì)開發(fā)了分區(qū)跳躍 - 短線程填充掃描技術(shù)，解決了 SEBM 成形難熔金屬材料變形開裂的難題，國際上率先實(shí)現(xiàn)了鎢（熔點(diǎn) 3410℃）、鉭 （熔點(diǎn) 2996℃）等難熔金屬材料的高質(zhì)量 SEBM 成形，研制的個性化多孔鉭植入物在國際上率先得到臨床應(yīng)用。

● 中南大學(xué)熊翔團(tuán)隊(duì)采用自行研發(fā)的“粉末擠出打印技術(shù)”，針對多種金屬合金、陶瓷以及復(fù)合材料打印出滿足工業(yè)生產(chǎn)需求的高性能零件。

● 江蘇威拉里新材料公司自主研發(fā)出單爐 350kg 金屬制粉設(shè)備，促進(jìn)國產(chǎn)設(shè)備的高產(chǎn)能、 高指標(biāo)發(fā)展；建成了國內(nèi)第一條自動化生產(chǎn)線，將制粉、篩分、后處理和自動化包裝進(jìn)行有機(jī)串聯(lián)，大大提高粉末生產(chǎn)的自動化程度，減少人為因素影響，提升了質(zhì)量穩(wěn)定性。

● 中國航發(fā)商發(fā)公司揭示了 Hastelloy X 及 IN718 合金材料成分、顯微組織、表面處理與斷裂行為的內(nèi)在關(guān)系規(guī)律，優(yōu)化出航空發(fā)動機(jī) SLM 專用高性能 Hastelloy X 及 IN718 合金粉末成分，獲得了橫縱向、不同成形位置靜態(tài)力學(xué)性能離散度小于 5% 的成形構(gòu)件，并開發(fā)出航空發(fā)動機(jī)用 Hastelloy X 及 IN718 合金 SLM 成形工藝和材料性能數(shù)據(jù)庫，解決了行業(yè)缺乏設(shè)計許用值的共性問題。

中國增材制造材料與世界最先進(jìn)水平相比，存在的差距主要體現(xiàn)在材料體系不夠健全和高端材料上有所落后兩個方面。存在這兩方面差距的主要原因是，我國增材制造材料發(fā)展的頂層設(shè)計和體系化研究同西方發(fā)達(dá)國家相比明顯不足。

西方發(fā)達(dá)國家在政府、社會、3D 打印技術(shù)領(lǐng)先企業(yè)和大型工業(yè)企業(yè)幾個層面，都對增材制造材料發(fā)展有明確的頂層設(shè)計和成體系的研究開發(fā)戰(zhàn)略。

在政府層面，美國國家增材制造創(chuàng)新中心“America Makes”制定了明確的增材制造材料發(fā)展戰(zhàn)略，其目標(biāo)是建立材料知識的體系，為增材制造材料建立基準(zhǔn)特性數(shù)據(jù)，包括創(chuàng)建一個范式轉(zhuǎn)變，從控制過程參數(shù)來“建立”微觀結(jié)構(gòu)，而不是控制底層物理學(xué)上的微觀尺度， 以實(shí)現(xiàn)一致的可重復(fù)性的微觀結(jié)構(gòu)。要發(fā)展的技術(shù)重點(diǎn)和相關(guān)的影響分析指標(biāo)包括：標(biāo)準(zhǔn)化原料、基準(zhǔn)材料屬性數(shù)據(jù)、工藝產(chǎn)權(quán)結(jié)構(gòu)關(guān)系、進(jìn)程窗口邊界定義、后處理指南和規(guī)范。

歐洲“地平線 2020”之前完成的計劃中，對增材制造材料的開發(fā)支持占到了整個增材制造支持的 29.6%，其中 11.3% 是對金屬材料的開發(fā)支持，7% 是對高分子材料的支持，5.6% 是對生物材料的支持，2.8% 是對陶瓷材料的支持，其他種類材料的開發(fā)支持占 2.9%。
“地平線 2020”計劃關(guān)于增材制造材料，也有非常明確具體的規(guī)劃：

● 提高材料的性能：靜態(tài)性能和抗疲勞性能，使增材制造優(yōu)于鑄造和鍛造材料。
● 提高不同機(jī)器間的工藝參數(shù)交換能力。
● 適用于不同加工技術(shù)的半結(jié)晶和非晶態(tài)聚合物的識別。
● 專用的增材制造材料。
● 開發(fā)材料的一致性和可重復(fù)性以及與加工參數(shù)配合。
● 分析不同材料的特性和增材制造技術(shù)的復(fù)合材料驗(yàn)證。
● 分析和開發(fā)生物材料、超導(dǎo)材料、新磁性材料、高性能金屬合金、非晶態(tài)金屬、復(fù)合高溫陶瓷材料、金屬有機(jī)骨架、納米顆粒和納米纖維材料。

同時歐盟對材料數(shù)據(jù)也十分重視，歐盟支持：
● 開發(fā)特定應(yīng)用、材料及過程的材料性能信息數(shù)據(jù)庫。
● 開發(fā)材料性能比較及分享的在線平臺。

在環(huán)境方面，歐盟也提出了具體要求：
● 批量回收材料的批量驗(yàn)證和標(biāo)準(zhǔn)化，尤其是高分子材料。
● 原料使用生命周期的系統(tǒng)化的策略，包括：把老化的達(dá)到自然使用壽命的零件進(jìn)行熔融并霧化制粉，在此過程中監(jiān)控和調(diào)整材料化學(xué)成分。

應(yīng)該說，中國在國家戰(zhàn)略層面上還是十分重視增材制造的，將其列入了“中國制造 2025”需要支持的新技術(shù)，在“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計劃中支持了“增材制造與激光制造” 專項(xiàng)，首批建立國家增材制造創(chuàng)新中心，等等。但在具體實(shí)施過程中，“增材制造與激光制造” 專項(xiàng)被安排在制造類專項(xiàng)中，因此在項(xiàng)目指南中不能發(fā)布材料類項(xiàng)目。在各類國家計劃項(xiàng)目中，增材制造材料只是有一些零散的安排，沒有像美國和歐盟那樣做明確系統(tǒng)的部署。

在社會層面，美國成立了以賓夕法尼亞州立大學(xué)為首的增材制造材料聯(lián)盟。該聯(lián)盟由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所資助，聚集了高端的研究人員，涉及 120 名來自企業(yè)、政府和學(xué)校 的核心人員，其中包括來自應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室（Applied Research Lab，ARL）、賓夕法尼亞州創(chuàng)新材料中心、哈羅德和 Inge 馬庫斯工業(yè)和制造工程學(xué)院的專業(yè)人員，這些專業(yè)研究人員在一起為下一代的增材制造材料制定了“戰(zhàn)略路線圖”，希望通過新材料的發(fā)展來推動美國創(chuàng)新和塑造未來的競爭力。路線圖的組織研究和活動分為五個戰(zhàn)略目標(biāo)：材料、過程及零件的集 成設(shè)計方法；發(fā)展過程 - 結(jié)構(gòu) - 性能的關(guān)系；建立零件和原料測試科學(xué)研究報告；開發(fā)增材制造過程分析能力；探索下一代增材制造材料和工藝。路線圖中明確提出要加快設(shè)計新的材料，并鼓勵增材制造業(yè)在未來 10 年內(nèi)廣泛使用這些新材料。

相應(yīng)地，我國還沒有專門針對增材制造材料的社會力量聯(lián)盟。
在 3D 打印技術(shù)領(lǐng)先企業(yè)層面，美國的兩個世界最大規(guī)模的 3D 打印公司“Stratasys”和 “3D Systems”分別都有數(shù)百種商業(yè)牌號的增材制造材料銷售，可以滿足客戶很多方面的材料需求。這也是它們可以采取“捆綁銷售”設(shè)備與材料的底氣所在。相比較，我國的金屬增材 制造領(lǐng)先企業(yè)西安鉑力特公司有 50 余種金屬合金具有成熟的打印工藝，可以用于工業(yè)增材制 造應(yīng)用；而塑料 3D 打印領(lǐng)先企業(yè)華曙高科公司可以為客戶提供近 20 種高分子 3D 打印材料�？梢姡�差距還是十分顯著的。這主要是因?yàn)檫@兩個我國 3D 打印領(lǐng)先企業(yè)成立時間比 3D 打印 世界巨頭公司“Stratasys”和“3D Systems”晚了二十多年，在體量、積累和技術(shù)實(shí)力上都有 明顯差距，短期內(nèi)尚無足夠的力量進(jìn)行 3D 打印材料的大規(guī)模開發(fā)。

在大型工業(yè)企業(yè)層面，以其 MJF 技術(shù)改變世界 3D 打印格局的世界 500 強(qiáng)企業(yè)惠普公司， 啟動了“3D 打印材料認(rèn)證計劃”。這項(xiàng)認(rèn)證計劃為第三方供應(yīng)商提供了開發(fā) HP Jet Fusion 3D 打印解決方案兼容材料的機(jī)會和途徑，使其成為惠普的材料創(chuàng)新合作伙伴，攜手開辟 3D 打印材料的新天地，以此來滿足更廣泛的應(yīng)用需求，推動性能提升，開發(fā)滿足特定行業(yè)需求的潛在部件屬性，進(jìn)而挖掘出材料的新型用途。已經(jīng)有許多世界頂級材料企業(yè)參加了這項(xiàng) 認(rèn)證計劃， 包 括 BASF、ARKEMA、Dressler Group、EVONIK、Henkel、Lehmann & Voss、 Lubrizol 和 SIGMADESIGN。此外，BASF 收購了粉體開發(fā)商 Advanc3D，Evonik 收購了 SLS 技術(shù)發(fā)明人 Carl Deckard 參與創(chuàng)立的 SLS 粉體企業(yè) Structured Polymer，大企業(yè)與專業(yè)的材料企業(yè)之間的互動與互補(bǔ)已經(jīng)形成普遍態(tài)勢。而我國大型企業(yè)中，只有萬華在 PBF 聚合物粉體方面有所布局。