2016年終盤點新材料趨勢，賦予3D打印更多附加值

眾所周知，材料是限制3D打印進步的最大因素，而同時材料也是解放3D打印潛力的神奇鑰匙。制造定制化產(chǎn)品和復雜的產(chǎn)品是3D打印一大吸引力，然而這些優(yōu)勢如何突破原型制造的應用，在最終產(chǎn)品的生產(chǎn)領域有多大的發(fā)展空間很大程度上取決于材料技術(shù)的發(fā)展。南極熊也看到在2016年一年中有許多的新材料的出現(xiàn)，接下來我們整理了3D打印材料的發(fā)展趨勢，通過這些發(fā)展趨勢讓我們共同來體會一下材料是如何推動3D打印技術(shù)走向生產(chǎn)的。

不僅僅是滿足生產(chǎn)需求，創(chuàng)造功能與產(chǎn)品生命周期價值

塑料 – 走向工程級別應用
熱塑性絲材和液體樹脂占據(jù)了塑料3D打印的主要市場，塑料絲材應用于基于材料擠出的FFF（電熔制絲）和FDM（熔融擠出）3D打印技術(shù)，樹脂材料光固化材料應用于SLA、DLP、Polyjet 等3D打印技術(shù)中。

絲材
不少材料都可以作為熱塑性塑料絲來進行打印，但最常見的是ABS和PLA絲材，ABS是一種應用廣泛的工程塑料，日常生活中大量的塑料玩具和生活用品都是用ABS塑料制造的，因此3D打印材料制造商無需進行強度、耐久性、安全性與其他屬性的大量測試。而隨著3D打印精度的提升，在小批量生產(chǎn)ABS產(chǎn)品的時候，3D打印具有比注塑更經(jīng)濟的優(yōu)勢。不過，針對3D打印這個工藝，ABS絲材還有一些需要改善的問題存在，如ABS材料在冷卻時容易收縮和翹曲。PLA是一種可降解的生物材料，比ABS更加環(huán)保，在加熱時不會發(fā)出有毒氣體，冷卻收縮率小，透明容易染色，但是聚乳酸材料也存在力學性能差,易發(fā)生脆性斷裂等缺點，導致3D打印PLA 材料的應用范圍受到限制。

可見，F(xiàn)FF或FDM 3D打印技術(shù)若要在生產(chǎn)領域獲得更大空間，則需要一批收縮率小、力學性能好的絲材。國內(nèi)的3D的打印材料企業(yè)已著手開發(fā)改性的ABS或PLA材料，或推出新的高分子材料，例如，深圳光華偉業(yè)在進行聚乳酸材料改性時加入了低熔點樹脂包覆的無機粉體，從而降低降低材料的收縮率并加速材料的冷卻，制備出來的PLA打印線材具有較好韌性，具有收縮率低、不翹邊、 不開裂、冷卻快、外觀好等優(yōu)點。上海Polymaker開發(fā)了PolySher,能對打印件噴涂特制的酒精氣溶膠，從而消除打印件表面的層狀痕跡，顯著提高表面質(zhì)量，令打印件變得像注塑件一樣光滑。PolySmooth的定位是達到ABS的機械性能同時又像PLA一樣的容易打印。

隨著近幾年材料與材料擠出3D打印設備的發(fā)展，不僅是打印質(zhì)量表面越來越光滑，而且在打印的長絲材料方面，越來越走向復合材料打印，使得這些打印出來的產(chǎn)品擁有了注塑產(chǎn)品都難以達到的工程級性能。

例如可用于FDM 3D打印技術(shù)的碳纖維復合絲材，3DXTECH用伊士曼化工的PETG材料結(jié)合高模量碳纖維制成復合材料。PETG這種材料，本身就有很好的延展性，而且它能在承受更高的CF負載的同時保持一定的延展性和抗沖擊性。它能夠很好地粘附在多種構(gòu)建平臺上，同時也具有優(yōu)異的層粘合，而碳纖維的加入不僅增加了它的剛性和尺寸穩(wěn)定性。

樹脂
樹脂光固化3D打印技術(shù)逐漸走向生產(chǎn)，主要源自兩個發(fā)展趨勢的推動，一種趨勢是具有更高表面細節(jié)和良好力學性能的樹脂材料的出現(xiàn)，另一種是樹脂材料打印速度的大幅提升。在樹脂材料領域，美國Carbon公司推出的氰酸酯（Cyanate Ester）耐高溫樹，在高溫下保持良好的強度、剛度和長期的熱穩(wěn)定性，適用于汽車和航空工業(yè)的模具和發(fā)熱機械零件的生產(chǎn)。Formlabs、塑成科技、MadeSolid等公司也推出了可與ABS注塑件對標的硬性樹脂材料。

Carbon已將樹脂3D打印技術(shù)滲透到了生產(chǎn)領域，投資Carbon的股東之一寶馬集團已使用Carbon3D打印機生產(chǎn)汽車上的個性化零部件。國內(nèi)企業(yè)中，大族激光率先推出了商業(yè)化的高速度樹脂3D打印機，由于打印所需時間短，打印效率高，特別適用于產(chǎn)品的批量定制化生產(chǎn)。光敏樹脂材料與設備的技術(shù)提升是相輔相成的過程，隨著新設備的涌現(xiàn)，更多工程級別應用的新材料將被研發(fā)出來。詳見南極熊盤點—9種適用于桌面級3D打印的光敏樹脂

尼龍
尼龍燒結(jié)方面，意大利CRP Technology則產(chǎn)生了需要卓越的機械和美學特性的全球產(chǎn)品，而且他們的塑料產(chǎn)品可以被CNC機床進行加工。譬如說新一代的聚酰胺材料windform FX，特點是耐反復彎曲和扭轉(zhuǎn)，顯示出優(yōu)異的耐沖擊性，即使在低溫下，它的一致性類似于聚丙烯和注射成型零件。

金屬材料-與應用深度結(jié)合
春江水暖鴨先知，以應用驅(qū)動材料與設備技術(shù)已蔚然成風。

包括GE對金屬3D打印企業(yè)的收購以及對塑料3D打印企業(yè)的投資，這些都與GE的下游應用業(yè)務相互呼應，使得GE獲得一手的設備優(yōu)勢的同時，又通過自身在應用領域的前沿探索助推設備的研發(fā)速度，而GE收購的Arcam又有金屬粉末的生產(chǎn)業(yè)務，這進一步形成了應用-設備-粉末的良性互動。

GKN打造了三個增材制造卓越中心：GKN美國辛辛那提增材制造卓越中心，GKN 瑞典Trollhätten增材制造卓越中心，GKN英國Filton增材制造卓越中心。不僅僅是應用，應用是GKN的商業(yè)模式也是感受市場需求的“探測頭”，通過航空航天、動力、粉末三大業(yè)務部門，每個業(yè)務部門相互滋養(yǎng)，并與應用端緊密相連。與此同時，給GKN這些卓越中心不斷“輸血”的是GKN與其全球20所高校及科研機構(gòu)的聯(lián)合開發(fā)模式.詳見3D科學谷研究揭秘GKN的增材制造布局。

美鋁是另外一家形成企業(yè)內(nèi)生態(tài)圈的企業(yè)，通過收購，美鋁快速發(fā)展了貫穿增材制造整個工藝鏈的工程能力，他們不僅僅對增材制造有著基于大量操作實踐的了解，還在包括熱等靜壓這些后處理工藝上進行了大量的投資。美鋁自身的能力就可以滿足對增材制造流程中每個環(huán)節(jié)的把控，而他們甚至可以根據(jù)特定的加工需求來開發(fā)特定的金屬粉末，然后通過增材制造的工藝將其制造出來，再進行后處理和質(zhì)量檢測。

國內(nèi)打造企業(yè)內(nèi)部生態(tài)圈的典型企業(yè)是西安鉑力特，其三大業(yè)務板塊：粉末材料、設備、打印服務，這幾個板塊的業(yè)務相輔相成，不斷增強其核心技術(shù)的市場競爭力。通過研究粉末材料來理解設備，通過滿足應用端的需求來推動粉末材料、加工工藝、設備的發(fā)展。詳見鉑力特-好基因更要靠后天努力。

一個有趣的現(xiàn)象，目前金屬3D打印多為大型的工業(yè)設備，需要高功率的激光器在高溫環(huán)境下將金屬粉末進行熔融成型。納米級金屬材料將使金屬材料的熔點顯著降低，例如金屬銅的熔點是1000°C，但是20nm 銅顆粒的熔點為280°C。探索納米級金屬3D打印材料成為這個領域滿足特殊應用的一個有趣趨勢。

除了粉末狀的納米材料，液態(tài)納米材料也正在浮出水面，Xjet的碳化鎢/鈷油墨組合物中包括作為載體起作用的液體媒介物，作為亞微米顆粒、納米粒子的碳化鎢(WC)和鈷(Co)。鈷也可以在油墨中以前驅(qū)體(precursors)的形式存在，例如可溶解的有機鈷化合物、鹽或絡合物。詳見揭開神秘面紗, 看Xjet改變3D打印游戲規(guī)則的潛力。

而除了材料本身，加工工藝與材料深度結(jié)合起來，納米材料增強合金、等軸細晶合金、梯度合金、非晶態(tài)金屬、自愈合合金、超導材料、金屬有機骨架材料的研發(fā)從微觀層面上呈現(xiàn)出材料技術(shù)的潛能。拓撲優(yōu)化、胞元結(jié)構(gòu)又從結(jié)構(gòu)學角度上展現(xiàn)出材料與結(jié)構(gòu)學結(jié)合的無限可能，詳見3D科學谷發(fā)表的晶格建模與制造中的學問，你get了嗎？

另外，除了塑料與金屬，石墨烯材料的開發(fā)，極高耐高溫陶瓷材料的開發(fā)，納米顆粒與納米纖維材料開發(fā)，生物打印材料以及再生醫(yī)學材料的開發(fā)都在推動整個3D打印行業(yè)材料的發(fā)展趨勢。

定制化材料
用戶對材料的特定需求也可以拉動3D打印技術(shù)在生產(chǎn)中的應用，工程師在設計的早期階段就考慮材料選用和制造工藝，并從概念設計到具體和最終詳細設計階段作為設計內(nèi)容而加以考慮和確定，如果涉及到使用3D打印工藝，那么3D打印材料設計師可以通過改變材料的韌性、彈性、導電性等性能設計出滿足用戶生產(chǎn)需求的材料。

Graphene 3D Lab公司推出一種石墨烯復合材料G6-Impact3D打印絲材，配方中含有HIPS樹脂、碳纖維和石墨烯納米顆粒，適用于那些需要在剛性表面進行減振的應用，例如運動器材、電力工具手柄、汽車零部件和航空航天部件等。Graphene 3D Lab可以根據(jù)客戶的目標應用需求提供定制的聚合物基復合材料。

多材料與功能化
目前的3D打印技術(shù)主要是打印單一的材料和制造單獨的零部件，在打印完成之后與其他零部件裝配在從而形成完整的機械或電子產(chǎn)品。多材料3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，可以同時完成塑料和金屬材料的3D打印，有望一次性制造出完整的產(chǎn)品。

據(jù)市場研究，這類3D打印技術(shù)已在電子產(chǎn)品的制造領域得到應用。例如Voxel8 3D打印機，可以在一次打印中交替進行電子產(chǎn)品塑料外殼的打印與金屬導電電路的打印，在打印中可以插入電子元器件并繼續(xù)完成打印，從而一次性實現(xiàn)電子產(chǎn)品的外殼制造與產(chǎn)品內(nèi)部的電路互聯(lián)，直接制造出功能性的電子產(chǎn)品。研發(fā)出可在室溫下進行打印并迅速固化的導電油墨材料是實現(xiàn)這一應用的關鍵。

可以說多材料正在引領從塑料到金屬發(fā)展趨勢，并在打印的過程中賦予了產(chǎn)品更巧妙的功能。這其中就包括：

麻省理工和新加坡科技設計大學開創(chuàng)的3D打印熱響應性聚合物材料，能夠記得原來的形狀，即使被暴露在極端壓力和扭轉(zhuǎn)彎曲成無用的形狀，只要把對象放回他們的響應溫度下，立即在幾秒鐘內(nèi)回到原來的形式。這種材料在太陽能、醫(yī)療和太空探索領域具有應用前景，包括軟性驅(qū)動器、藥物膠囊、太陽能板角度調(diào)節(jié)器等；

弗吉尼亞理工大學通過微光固化技術(shù)打印了毫米大小的3D對象，材料是離子液體制成的導電聚合物。打印對象小到25μm，潛在的應用涉及到人類細胞。事實上，這種技術(shù)可以讓工程師打印導電元件甚至組織支架；

約翰霍普金斯大學的研究人員研發(fā)出了一個成功的3D打印材料配方：混合至少30%粉碎的天然骨粉與一些特殊的人造塑料，并通過3D打印技術(shù)創(chuàng)建所需的形狀；

Additive Elements研發(fā)了食品級材料由專門的惰性材料和原材料主城，而且可完全回收并且對環(huán)境無害；美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）與加州大學圣克魯茲分校的科學家們通過3D打印石墨烯超級電容讓定制化電子產(chǎn)品成為可能；

澳大利亞斯威本大學（Swinburne University）的研究人員通過3D打印石墨烯薄片，發(fā)明了一種全新而且應用廣泛的能源存儲技術(shù)（從技術(shù)上講，是一種超級電容器），可容納更大的電荷能量，并且在一秒鐘內(nèi)完成充電；

蘇黎世聯(lián)邦理工大學的“納米液滴”3D打印，能夠以金、銀納米顆粒為原料3D打印出超薄的“納米墻；

加利福尼亞州Malibu的HRL 實驗室發(fā)明了可兼容與光固化/3D打印的樹脂配方，這種樹脂在3D打印后經(jīng)過過火可以生成致密的陶瓷部件，為航天軍工應用打開了潛能空間；

MIT研發(fā)的Cilllia毛發(fā)是通過光敏樹脂固化的技術(shù)打印出來的，通過將3D打印的精度控制到極其細微的程度。這對于動力學是個創(chuàng)新領域，改變了以往我們需要電機或者其他的動力裝置才能使得物體發(fā)生移動的現(xiàn)狀；

美國賓夕法尼亞州立大學的科學家使用3D打印技術(shù)制作的離子交換膜模型是第一個可以定量降低交換膜電阻的模型。只需一個簡單的并聯(lián)電阻模型就可以描述這些圖案在降低這些新型膜的電阻方面發(fā)揮的影響；

英國Bristol大學找到了代替熔融長絲的3D打印復合材料的方法，該方法是基于光敏樹脂技術(shù)的3D打印技術(shù)。通過超聲波用來誘導材料的微觀結(jié)構(gòu)排列，通過激光束用來固化環(huán)氧樹脂。
正在完善的材料標準
3D打印技術(shù)的工程應用范圍逐漸擴寬，產(chǎn)業(yè)及技術(shù)發(fā)展中面臨的標準需求日益凸顯，3D打印材料、工藝及標準的建立將進一步推動3D打印在生產(chǎn)中應用。

美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）著手開展相關工作，2009年ASTM國際標準組織組建了F42增材制造技術(shù)委員會。F42增材制造標準化專委會已做了細致的標準工作。從頂層的標準來說包括：常規(guī)概念、常規(guī)要求、常規(guī)應用。到針對于材料到加工工藝等不同階段和不同分類的一般標準，再到針對每個行業(yè)的特殊需求所適用的特種材料、工藝以及應用的特殊標準。

2011年ISO也成立了針對增材制造的標準化技術(shù)委員會TC261 ，同年與ASTM F42簽署合作協(xié)議，共同開展增材制造技術(shù)領域的標準化工作，并分別于2013年和2015年聯(lián)合發(fā)布了三份ISO/ASTM標準，分別從術(shù)語定義、坐標系定義、增材制造數(shù)據(jù)格式（AMF）等方面進行了規(guī)范。

歐洲SASAM增材制造標準化小組聯(lián)合了ISO、ASTM以及CEN多方力量并與2015年6月發(fā)布了2015增材制造標準化路線圖。路線圖中除了關于增材制造標準化路線圖的詳細介紹，還闡述了當前歐洲增材制造的優(yōu)劣勢分析，以及當前發(fā)展需要克服的問題。

在我國，全國增材制造標準化技術(shù)委員會（TC562）與2016年4月召開成立大會，對口國際標準化組織ISO TC 216，在國家層面上開展增材制造技術(shù)標準化工作。目前通過該技術(shù)委員會正在制定的標準共有6項，設計增材制造技術(shù)術(shù)語、文件格式、工藝和材料分類等方面。中國航空綜合技術(shù)研究所自2007年就開始了增材制造技術(shù)標準化的研究，研究形成了一系列增材制造技術(shù)標準，并積極推行行業(yè)標準的立項及制定工作，目前正在開展鈦合金零件激光直接沉積工藝、粉末、制件規(guī)范等5項行業(yè)標準的制定工作。

更加先進的檢測技術(shù)
除了材料標準勢在必行，缺乏完善的測試體系，增材制造很難真正意義上理解材料特性對加工的意義，而依靠目前的測試手段已經(jīng)不能滿足對增材制造的需要了。

3D打印制品在制備和使用過程中，某些缺陷的產(chǎn)生和擴展是無法避免的。無疑，最好的質(zhì)量控制是過程中控制，但是對于打印結(jié)果的檢測仍是必不可少的。而令人頭疼的問題是，現(xiàn)今的無損探傷檢測技術(shù)對于金屬3D打印結(jié)果來說，并不是萬能的，一個顯著的問題是對于比較簡單的產(chǎn)品設計，現(xiàn)在的NDE方法是沒問題的，但是隨著產(chǎn)品的復雜化，現(xiàn)在的NDE方法遇到了極大的挑戰(zhàn)，這方面，X射線斷層成像作為3D打印的質(zhì)量利器很好的解釋了檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢。

據(jù)研究，對于金屬增材制造的復雜性可以區(qū)分為五個層面：1 簡單的零件、2 優(yōu)化的零件、3 帶有嵌入式設計的零件、4 為增材制造設計的零件、5 復雜的胞元結(jié)構(gòu)零件�，F(xiàn)在比較普遍應用的檢測技術(shù)很難實現(xiàn)對復雜產(chǎn)品的檢測。

為了達到對復雜零件的檢測，賓州大學采取了計算機X射線斷層成像（X-Ray Computed Tomography）檢測技術(shù)，該技術(shù)不僅被用于打印零件的檢測，還被用于后處理零件的檢測。

南極熊覺得檢測技術(shù)的提升將進一步推動對材料及加工工藝的理解，從而進一步提升材料技術(shù)的發(fā)展。

參考關于增材制造技術(shù)標準體系現(xiàn)狀與思考資料：
關于增材制造技術(shù)標準體系現(xiàn)狀與思考
The rise of 3-D printing marketplaces
3D Printing with Composite Materials

來源：3d科學谷