《中國(guó)新材料研究前沿報(bào)告2021》增材制造材料——增材制造材料與技術(shù)近期發(fā)展重點(diǎn)

作者：黃衛(wèi)東、王理林、王猛
來(lái)源：日新材料

4.3增材制造材料與技術(shù)的近期發(fā)展重點(diǎn)的戰(zhàn)略思考建議
增材制造材料近期發(fā)展的戰(zhàn)略重點(diǎn)，建議圍繞增材制造材料方向最有價(jià)值的科學(xué)、技術(shù)和產(chǎn)業(yè)問(wèn)題，進(jìn)行系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)與有效的組織實(shí)施。

4.3.1 / 推進(jìn)系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)與有效的組織實(shí)施
根據(jù)我國(guó)增材制造行業(yè)當(dāng)前的優(yōu)勢(shì)和短板，近期發(fā)展的戰(zhàn)略重點(diǎn)首先應(yīng)該是進(jìn)行系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)，并有效地組織我國(guó)增材制造領(lǐng)域龐大的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)力量，圍繞增材制造材料方向最有價(jià)值的科學(xué)、技術(shù)和產(chǎn)業(yè)問(wèn)題進(jìn)行研究和發(fā)展。在中央政府層面，應(yīng)當(dāng)把增材制造作為一個(gè)綜合性的重大新技術(shù)來(lái)安排國(guó)家科技支持計(jì)劃，要改變目前這種把增材制造僅僅放在制造口而無(wú)法安排增材制造材料類(lèi)項(xiàng)目的局面�；蛘咴谖磥�(lái)新的可能實(shí)施的材料類(lèi)重大專(zhuān)項(xiàng)中，把增材制造材料作為一個(gè)重要方向予以支持。在增材制造領(lǐng)域已經(jīng)有很多布局和應(yīng)用的航空航天大型單位、已有的重要研發(fā)平臺(tái)，特別是國(guó)家級(jí)平臺(tái)層面，可以根據(jù)中國(guó)國(guó)情并借鑒發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行與自己相關(guān)領(lǐng)域的增材制造材料發(fā)展的頂層設(shè)計(jì)和組織實(shí)施。實(shí)際上，我國(guó)當(dāng)前還缺少能夠代表國(guó)家整體的增材制造行業(yè)發(fā)展，并能夠有效組織增材制造行業(yè)的各方面力量進(jìn)行協(xié)同創(chuàng)新的國(guó)家級(jí)平臺(tái)。率先布局這種實(shí)質(zhì)性的國(guó)家級(jí)行業(yè)發(fā)展平臺(tái)的地區(qū)，將通過(guò)支撐中國(guó)增材制造技術(shù)與材料在世界級(jí)競(jìng)爭(zhēng)中的跨越式發(fā)展，而對(duì)區(qū)域創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到重要支持作用。

4.3.2 / 強(qiáng)化增材制造材料科學(xué)研究
從科學(xué)基礎(chǔ)層面系統(tǒng)深入地理解增材制造的材料行為，是發(fā)展先進(jìn)的增材制造材料技術(shù)， 增強(qiáng)我國(guó)增材制造材料技術(shù)的原始創(chuàng)新能力，更充分地發(fā)揮增材制造技術(shù)優(yōu)越性的根本保證。

增材制造材料存在一些共性的科學(xué)問(wèn)題，各類(lèi)增材制造材料還有其特殊關(guān)注的重點(diǎn)科學(xué)問(wèn)題。需要重點(diǎn)關(guān)注的增材制造共性的材料科學(xué)問(wèn)題主要是：材料的工藝性、服役性能、安全性和可靠性的檢測(cè)與評(píng)價(jià)方法的科學(xué)基礎(chǔ)。作為一種全新的制造技術(shù)，不能完全采用已有的檢測(cè)與評(píng)價(jià)方法來(lái)考核增材制造材料的工藝性、服役性能、安全性和可靠性。只有建立起針對(duì)增材制造材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)的可靠科學(xué)基礎(chǔ)，才能形成增材制造可以廣泛應(yīng)用的系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)體系，解決當(dāng)前增材制造在很多領(lǐng)域還不能推廣應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵障礙。

金屬增材制造需要重點(diǎn)關(guān)注的材料科學(xué)問(wèn)題包括：增材制造全過(guò)程非平衡相變及組織演化行為；增材制造熱 - 組織 - 應(yīng)力耦合機(jī)制及變形、開(kāi)裂機(jī)理；基于金屬增材制造非均勻非平衡組織特征的材料合金化及構(gòu)件強(qiáng)韌化機(jī)理；增材制造冶金缺陷形成機(jī)制和評(píng)價(jià)方法。深刻理解這些科學(xué)問(wèn)題，將為優(yōu)化現(xiàn)有金屬合金的增材制造工藝、大幅度拓展可打印合金的種類(lèi)，以及大規(guī)模研發(fā)增材制造專(zhuān)用合金奠定科學(xué)基礎(chǔ)。

高分子增材制造需要重點(diǎn)關(guān)注的材料科學(xué)問(wèn)題包括：增材制造過(guò)程中高分子材料的流變、 結(jié)晶、固化、降解等規(guī)律，特別是熱、力歷史對(duì)上述行為的影響機(jī)理；打印件在不同載荷和長(zhǎng)期服役條件下的力學(xué)、化學(xué)、物理響應(yīng)行為。深刻理解這些科學(xué)問(wèn)題，將為優(yōu)化高分子材料增材制造工藝、大幅度拓展可打印高分子材料的種類(lèi)，以及大規(guī)模研發(fā)增材制造專(zhuān)用高分子材料奠定科學(xué)基礎(chǔ)。

生物醫(yī)學(xué)增材制造需要重點(diǎn)關(guān)注的材料科學(xué)問(wèn)題包括：生物增材制造過(guò)程中，打印材料與活性物（蛋白質(zhì)、核酸等）及活體物（細(xì)胞等）的界面及相互作用規(guī)律，涉及包括材料生 物相容性、材料免疫應(yīng)答、生長(zhǎng)發(fā)育等基本材料及生物學(xué)問(wèn)題；研究打印材料在人體生理動(dòng)、 靜態(tài)下的失效模式，材料降解行為及降解產(chǎn)物在人體內(nèi)長(zhǎng)期安全性等重要問(wèn)題。這些科學(xué)問(wèn)題的研究可為高相容性、高仿生的新型生物墨水材料開(kāi)發(fā)提供理論支撐。

4.3.3 / 重點(diǎn)發(fā)展可以推動(dòng)增材制造技術(shù)重大進(jìn)步的增材制造材料技術(shù)

（1）增材制造專(zhuān)用材料設(shè)計(jì)
根據(jù)增材制造工藝特性，設(shè)計(jì)具有優(yōu)良的原材料（液料、粉末、絲材等）可制備性、優(yōu)良的打印工藝性、最優(yōu)使用性能和成本低廉的增材制造專(zhuān)用材料，解決限制增材制造更廣泛應(yīng)用的材料方面的瓶頸問(wèn)題。
① 在增材制造金屬材料方面，特別關(guān)注：適合于 SLM 技術(shù)應(yīng)用的 500 ～ 600MPa 級(jí)別的鋁合金材料；適合于 SLM 和 DED 技術(shù)應(yīng)用的航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件（特別是渦 輪葉片）用高溫合金材料；適合于 SLM 和 DED 技術(shù)，綜合性能（特別是低周疲勞性能）達(dá) 到鍛件水平的鈦合金材料；適合于 SLM 和 DED 技術(shù)應(yīng)用的2000MPa 以上級(jí)別的鋼鐵材料。

② 在增材制造高分子材料方面，特別關(guān)注：具有低黏度、高性能（高強(qiáng)度、高模量和耐 高溫）、可以實(shí)現(xiàn)高精度打印的光敏樹(shù)脂及其復(fù)合樹(shù)脂；適用于 ME 技術(shù)的低成本、高熱穩(wěn)定性、高尺寸精度的線材和顆粒料；適用于 PBF 技術(shù)的具有高流動(dòng)性（粉體 / 熔體）、高復(fù)用率、寬燒結(jié)窗口、高力學(xué)性能、低成本的高分子粉體材料。

③ 在增材制造生物醫(yī)學(xué)材料方面，特別關(guān)注：具有高純凈度、高質(zhì)量控制和高穩(wěn)定性的可打印生物醫(yī)用原材料及生物墨水。

（2）增材制造材料的信息化處理技術(shù)
增材制造材料的信息化處理的目標(biāo)是，實(shí)現(xiàn)從零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料配制、打印工藝、零件服役全鏈條、全生命周期的數(shù)據(jù)化，獲取增材制造的材料、結(jié)構(gòu)、工藝、質(zhì)量和服役信息的大數(shù)據(jù)，借助集成計(jì)算和人工智能分析方法，建立增材制造的材料、結(jié)構(gòu)、工藝、質(zhì)量控制和服役性能不斷優(yōu)化的集成技術(shù)體系。

當(dāng)前的零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主流軟件，一般只能處理單一材料均勻性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不能發(fā)揮增材制造技術(shù)最重要的優(yōu)勢(shì)。增材制造當(dāng)前正在朝向“材料 - 結(jié)構(gòu) - 性能一體化增材制造” 發(fā)展，需要能夠?qū)崿F(xiàn)多材料、多功能、多尺度和多層次處理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件。

對(duì)增材制造的原材料，要求具有材料的成分（包括微量雜質(zhì)）、微觀組織結(jié)構(gòu)和處理歷史的完整信息。

根據(jù)打印件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料信息和打印工藝設(shè)計(jì)，建立增材制造過(guò)程的“數(shù)字孿生”模 型，是實(shí)現(xiàn)增材制造過(guò)程完備的信息化處理的重要手段。當(dāng)前的增材制造工藝仿真軟件，還 不能充分耦合材料的微觀組織結(jié)構(gòu)和打印過(guò)程參數(shù)與相關(guān)物理場(chǎng)和化學(xué)場(chǎng)的演變歷史�？梢灶A(yù)計(jì)，傳統(tǒng)的數(shù)值仿真方法在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里還不能單獨(dú)支撐建立增材制造過(guò)程的“數(shù)字孿生”模型。因此，需要結(jié)合當(dāng)前正在發(fā)展的數(shù)值仿真方法，融合增材制造的大數(shù)據(jù)，采用人工智能方法，在不斷迭代優(yōu)化的過(guò)程中，逐漸建立增材制造的“數(shù)字孿生”模型。

對(duì)增材制造過(guò)程進(jìn)行充分的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，獲取盡可能完備的過(guò)程參數(shù)，是增材制造材料大數(shù)據(jù)的核心內(nèi)容，也是與當(dāng)前“數(shù)字孿生”模型耦合促其迭代優(yōu)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。增材制造結(jié)構(gòu)件在服役過(guò)程中的材料行為，也是增材制造材料大數(shù)據(jù)的重要組成部分。

（3）當(dāng)前一些需要重點(diǎn)關(guān)注的增材制造材料技術(shù)
① 3D 打印成形的多孔金屬或陶瓷坯體的少 / 無(wú)變形致密化技術(shù)。粉末床黏結(jié)劑噴射和 ME 金屬 3D 打印是近期非常引人矚目的，被稱(chēng)為“間接金屬打印”的高效率低成本金屬 3D 打印技術(shù)，它的成功有可能大幅度擴(kuò)展金屬 3D 打印的應(yīng)用領(lǐng)域，例如應(yīng)用到普通汽車(chē)或一般機(jī)械工業(yè)的金屬零件制造。這項(xiàng)技術(shù)當(dāng)前亟需解決的難題是多孔金屬坯體在后續(xù)燒結(jié)致密化過(guò)程中的大幅度體積收縮很容易導(dǎo)致零件的變形。粉末床黏結(jié)劑噴射陶瓷 3D 打印，以及通過(guò)光固化或SLS成形的多孔陶瓷坯體的致密化也有同樣的問(wèn)題。采用聚合物轉(zhuǎn)化陶瓷方法， 是獲得高密度 3D 打印陶瓷素坯的方法之一；以 RMI、CVI 或 PIP 為代表的后處理工藝，可以達(dá)到近凈尺寸致密化，也是需要重點(diǎn)關(guān)注的 3D 打印多孔坯體致密化技術(shù)。同時(shí)，這種致密化技術(shù)還需要特別關(guān)注如何達(dá)到與燒結(jié)致密化工藝相媲美的材料性能。

② 高分子材料的面成形打印技術(shù)，可以大幅度提高打印效率，同時(shí)還能保持甚至提高打印精度，是近期高分子材料增材制造技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。當(dāng)前典型的高分子面成形打 技術(shù)包括光固化打印里的 CLIP 技術(shù)和 DLP 技術(shù)，粉末床打印里的惠普 MJF 技術(shù)和 EOS 的 LPF 技術(shù)等。面成形打印技術(shù)發(fā)展的一個(gè)十分重要的目標(biāo)，是使高分子 3D 打印可以部分 進(jìn)入高端注塑件的領(lǐng)域，從而極大地?cái)U(kuò)展高分子材料 3D 打印的市場(chǎng)份額。然而無(wú)論是光 化還是粉末床高分子打印，其原材料種類(lèi)少、成本高昂都是難以從根本上解決的問(wèn)題。發(fā)面成形ME打印技術(shù)，則有望覆蓋極寬的原材料范圍，而且可以達(dá)到同注塑原材料同樣的成本，這應(yīng)該是十分值得關(guān)注的高分子材料3D打印技術(shù)。

③ 我國(guó)在增材制造生物醫(yī)學(xué)材料原材料開(kāi)發(fā)及打印工藝關(guān)鍵技術(shù)方面部分達(dá)到國(guó)際并跑甚至國(guó)際領(lǐng)先水平，但該領(lǐng)域的原材料產(chǎn)業(yè)化程度較低，仍長(zhǎng)期被進(jìn)口壟斷。因此，亟需開(kāi)展現(xiàn)有生物 3D 打印原材料的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化關(guān)鍵技術(shù)研究，針對(duì)國(guó)內(nèi)已部分實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的聚己內(nèi)酯、聚乳酸等有機(jī)高分子材料，開(kāi)展質(zhì)量控制、批量穩(wěn)定制備等產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化技術(shù)研究，解決國(guó) 內(nèi)現(xiàn)有材料穩(wěn)定性差、純凈度低等“卡脖子”問(wèn)題，打破“進(jìn)口依賴(lài)”困境。同時(shí)，開(kāi)展新型生物 3D 打印材料開(kāi)發(fā)與改進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)研究。以生物功能性為導(dǎo)向，攻關(guān)改性水凝膠、類(lèi)基質(zhì)功能材料等新型材料體系的高生物相容性、高仿生改進(jìn)技術(shù)，合成高分子材料的表面生物活化改性、材料界面融合等技術(shù)，提升材料生物相容性、可打印性與打印結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、力學(xué)性能等。

④ 在微納 3D 打印材料技術(shù)方面，重點(diǎn)關(guān)注：面向微細(xì)電路 3D 打印的高性能導(dǎo)電材料和介電材料的研制，尤其是低溫?zé)�結(jié)高固含量抗堵塞納米銀漿，攻克微納 3D 打印的重要卡脖子難題；實(shí)現(xiàn)高效大尺寸亞微米尺度結(jié)構(gòu)制造的微立體光刻 3D 打印新技術(shù)和新材料的開(kāi)發(fā)，突破 100nm 分辨率雙光子聚合3D 打印新技術(shù)和新材料；發(fā)展高生物活性材料的微納增 材制造方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體組織內(nèi)的微納結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)重建。