《中國新材料研究前沿報告2021》增材制造材料——增材制造材料與技術 2035 年展望

作者：黃衛(wèi)東、王理林、王猛
來源：日新材料

4.4增材制造材料與技術 2035 年展望與未來

按照當前的發(fā)展速度，到 2035 年中國增材制造產(chǎn)業(yè)的總產(chǎn)值將突破萬億元人民幣，其中，增材制造材料的總產(chǎn)值將超過 2700 億元人民幣，預計增材制造材料的種類可以擴展 10 倍以上。增材制造行業(yè)的發(fā)展速度，還可能因為一些重大的技術進步而出現(xiàn)爆發(fā)式增長。

航空航天工業(yè)將因為增材制造材料與技術的發(fā)展而實現(xiàn)革命性進步，相應地也將促進增材制造在航空航天工業(yè)中的普及式應用。增材制造支撐的結構創(chuàng)新設計，已經(jīng)在航空航天結構減重和一些重要功能實現(xiàn)中展示了巨大的價值，但因為當前增材制造材料性能在很多方面還不能充分滿足航空航天應用的嚴苛要求，還無法支撐航空航天結構實現(xiàn)普遍的和整體性的創(chuàng)新設計。預計到 2035 年，一大批增材制造專用材料已經(jīng)可以充分滿足航空航天應用要求， 支撐航空航天結構實現(xiàn)普遍的和整體性的創(chuàng)新設計，航空航天器的設計、功能和性能將可能因此而根本改觀。600MPa 級別的增材制造鋁合金，將可能成為飛機鋁合金結構的主體材料， 使飛機結構實現(xiàn)大幅度減重；包括疲勞性能在內的綜合性能與鍛件相當?shù)脑霾闹圃焘伜辖鸷?2000MPa 以上級別的增材制造超高強鋼，將使飛機關重件可以普遍采用增材制造，從而帶來減重和功能提升上的顯著進步；增材制造專用高溫合金，將可能大規(guī)模應用到包括渦輪葉片在內的航空發(fā)動機熱端部件上，使航空發(fā)動機的制造擺脫當前空心單晶渦輪葉片制造上面臨的大量難題；高性能塑料 3D 打印聲學結構件，將可能使飛機艙內實現(xiàn)閱覽室般的安靜舒適環(huán)境，免除長程航空旅行的噪聲困擾，而使中國的民航客機具有世界競爭力。

在未來的 14 年間，高分子增材制造將在材料與技術上取得長足進步，并由此大幅度擴展應用市場，包括：在超大和微納尺寸兩個方向發(fā)展，面成形將取代點掃描成為最主要的打印方式，在大幅度提高打印效率的同時，打印精度和打印件性能也顯著提升，成為兼顧效率、 精度和性能的先進制造技術；隨著顆粒料擠出打印技術的發(fā)展，可打印高分子材料的種類將覆蓋絕大多數(shù)高分子材料體系，而且材料成本可以降低到注塑原材料的水平，使得 3D 打印可以占據(jù)很大一部分注塑件的市場，實現(xiàn)大規(guī)模定制化工業(yè)生產(chǎn)，廣泛應用于民用、工業(yè)、 國防、航空航天及醫(yī)學等領域，極大地擴展高分子 3D 打印的應用市場；高強度、耐高溫、 低成本高分子 3D 打印材料，將取代一部分金屬材料，廣泛應用于結構減重，在減少碳排放方面做出重要貢獻；雙光子聚合、軸向計算光刻和一些新的高分子打印技術，可能成為可以產(chǎn)業(yè)化應用的技術，使高分子 3D 打印在打印精度和效率等方面發(fā)展到前所未有的高水平。

醫(yī)療也將因為增材制造材料與技術的發(fā)展而帶來革命性變化，相應地也將促進增材制造在臨床醫(yī)療中的普及性應用，為人類的健康生活提供新的技術保障。特別是，增材制造 + 醫(yī) 療的深度融合高度符合當代臨床技術個性化、精準化、仿生化的發(fā)展潮流。預計到 2035 年， 增材制造有望成為個性化手術規(guī)劃模型及康復器具最主要的制造方法，一大批滿足環(huán)保要求 的高性能樹脂材料將得到大量應用；同時植入醫(yī)療器械（植入物）越來越依賴個性化制造， 增材制造技術將在產(chǎn)業(yè)中占主導地位，人體內長期安全的醫(yī)療植入級金屬材料需求將大幅提 升；為進一步滿足組織再生需求，可降解可吸收的一大類新型金屬材料與高分子材料也將越 來越受重視。與此同時，面向“活體”構建的生物增材制造技術將取得階段性突破，最可能率先在體外組織模型、器官芯片等領域大規(guī)模應用及產(chǎn)業(yè)化，為個性化腫瘤診斷，新藥開發(fā)等提供全新模式，與此同時活性皮膚、血管、軟骨、膀胱等簡單結構器官的制造技術逐步成熟，部分進入臨床試驗和應用；與“活體”制造相匹配的生物打印材料開發(fā)將以實現(xiàn)高活性生物功能性為導向，攻關改性水凝膠、類基質材料、自組裝材料等新型材料體系的高生物相容性、高仿生材料設計及制備技術，為后續(xù)復雜組織器官重建與功能化奠定基礎。

3D 打印高性能陶瓷件將在航空航天、高端武器、船舶、汽車、電子等尖端領域得到廣泛應用，包括輕量化和整體化陶瓷件、結構功能一體化陶瓷件和異質材料功能梯度陶瓷基零件等。生物陶瓷材料增材制造將在生物醫(yī)學領域得到廣泛應用，包括：具有優(yōu)異的生物相容性的 3D 打印羥基磷灰石，將成為應用廣泛的人工骨替代材料；具有良好的生物相容性和可降解性的磷酸三鈣（TCP），將成為廣泛應用的人體硬組織修復材料和骨組織工程支架材料，用 TCP 粉材和脂肪酸制成的生物墨水，可制備有骨髓和血管的 3D 打印植入體；氧化鋯、氧化 鋁和氮化硅等材料，將廣泛應用于 3D 打印義齒。3D 打印陶瓷件也將與傳統(tǒng)陶瓷工藝相結合， 實現(xiàn)陶瓷制品的快速定制生產(chǎn)，在傳統(tǒng)陶瓷工業(yè)的升級轉型中脫穎而出。

微納增材制造將實現(xiàn)線寬小于 5μm 的微細結構制造，在廣泛的領域和產(chǎn)品中得到應用， 諸如微納機電系統(tǒng)、電子電路（三維立體電路 / 共形天線、柔性和硬質多層電路板、透明電極等）、3D 結構電子、生物醫(yī)療（組織支架、毛細血管、組織器官等）、柔性電子、智能傳 感（電子皮膚、智能可穿戴設備、3D 傳感器等）、大尺寸高清顯示（OLED、QLED、Micro- LED）、軟體機器人、新能源（柔性太陽能電池、固態(tài)電場、微能源等）、超材料等。

混凝土 3D 打印將從當前的示范性應用進入實際的商業(yè)化應用。由于不方便添加鋼筋， 混凝土 3D 打印更依賴于高性能的混凝土材料。通過混入不同類型的增強纖維的超高性能混凝土（UHPC）將成為未來混凝土 3D 打印的主要原材料。針對不同的用途，UHPC 通過混入金屬纖維（主要是鋼纖維）、無機纖維（如玻璃纖維、碳纖維、玄武巖纖維）以及有機纖維（如 聚乙烯纖維、聚丙烯纖維等）來增強混凝土的強韌性�；炷�土 3D 打印的應用領域主要包括：打印風力發(fā)電塔基座，顯著提高風電塔的高度，從而使風機進入更高風速的高空，增大發(fā)電量；打印高端建筑的外裝飾，例如超高鏤空率的立面裝飾纖網(wǎng)，這種高度藝術性的裝飾風格 被許多世界級建筑大師青睞；山區(qū)推進鄉(xiāng)村振興建設現(xiàn)代化的民居，是混凝土 3D 打印大有可為的領域；邊境地區(qū)，特別是環(huán)境較為嚴酷區(qū)域的臨時掩體、營房等需要搶修搶建的軍用設施建設的快速建造；大型城市雕塑和公園中的藝術性建筑等。

4D 打印將在高分子、金屬和陶瓷等廣泛的材料上快速發(fā)展。基于 4D 打印，從微觀到宏觀的 3D 打印對象可以被制作成智能器件、超材料、折紙等，在原型、航空航天、生物醫(yī)學 等領域獲得多種多樣的功能應用。由于 4D 打印解決了許多通過傳統(tǒng)技術無法制造的智能材料和結構的制造問題，將為智能材料和結構的設計和應用開辟一個廣闊天地。

致 謝
本章系列內容是中國增材制造行業(yè)許多專家集體努力的成果，為本章提供素材和參與撰寫的專家包括：清華大學徐弢、林峰，四川大學李光憲，南京航空航天大學顧冬冬，西安交通大學李滌塵、田小永，華中科技大學史玉升，華南理工大學楊永強，西北工業(yè)大學林鑫、成來飛、 譚華，南昌航空大學劉奮成，西安航空學院宋夢華，青島理工大學蘭紅波，重慶大學黃弘， 南華大學邱長軍，中南大學熊翔，西北有色金屬研究院湯慧萍，寧夏共享集團劉軼，3D 科學谷王曉燕，空客中國雷鳴，國家增材制造創(chuàng)新中心張麗娟，西安鉑力特公司趙曉明，上海聚復公司羅小帆，江蘇威拉里新材料公司張維，蘇州錸賽公司劉震，易佳三維公司馮濤，昆山博力邁公司王運贛，中交一公院楊敏，西安非凡士公司王輝，3DCERAM 公司馬濤，上海復志公司金珉德，在此一并深致感謝！

作者簡介
黃衛(wèi)東，西北工業(yè)大學教授，科技部 3D 打印專家組組長，中國機械工程學會增材制造分會副理事長，國家杰出青年科學基金獲得者，教育部長江學者獎勵計劃特聘教授。1995 年創(chuàng)造性地提出金屬高性能增材制造（3D 打�。┑募夹g構思，率領團隊堅持自主創(chuàng)新，突破了一系列核心關鍵技術，建立了 從材料、工藝、裝備到重大工程型號應用的全鏈條金屬高性能激光增材制造的技術體系，為我國航空航 天等高技術領域的跨越式進步提供了變革性的制造技術途徑。