3D 打印材料的應用現狀和發(fā)展趨勢
黃宇劍
（蘇州興業(yè)材料科技股份有限公司，江蘇 蘇州 215151）
摘要：3D打印技術是一種增材制造方法，完全改變了傳統(tǒng)制造業(yè)的的方式和原理，是未來制造行業(yè)的核心技術，應用前景廣闊。材料是3D打印的物質基礎，其性能、種類等因素影響著產品的質量和功能，決定著3D打印技術的應用和發(fā)展。目前，3D打印不能大面積應用的最重要原因在于各類適用材料不能滿足設計要求，打印材料是3D打印產業(yè)發(fā)展的技術瓶頸。文章綜述了國內外3D打印材料的發(fā)展現狀和應用，并對其發(fā)展前景進行分析展望。
關鍵詞：3D打印技術；材料；發(fā)展現狀和應用
1 引言
近20年來得益于技術革新等硬件基礎完善以及互聯網“數字模型”軟件成熟，3D打印技術（3D-printing）得到迅猛發(fā)展，在世界范圍內獲得極大關注與重視。3D打印技術是一種增材制造方法，其本質電腦軟件將物理模型轉化為三維立體模型并分成一系列層片，然后由 3D打印機將符合要求的材料逐層疊加，最終堆積成完整三維實體的技術[1]。3D打印技術綜合了數字建模技術、機電控制技術、信息技術、材料科學與化學等諸多領域的前沿技術[2,3]。
3D打印技術顛覆了傳統(tǒng)制造業(yè)的“減材制造”理念，促使標準化大規(guī)模生產趨向數據化、個性化制造，改變傳統(tǒng)制造生產模式，推動從“生產型制造”到“服務型制造”轉變的制造業(yè)革命?！督洕鷮W人》雜志認為 3D 打印正在使傳統(tǒng)生產方式和工藝發(fā)生深刻變革，是建立在互聯網和新材料、新能源結合的第三次工業(yè)革命的重要標志 [4]。
3D打印在高端制造、航空航天、醫(yī)療等領域已經有一定應用，展示了廣闊的應用前景。隨著 3D 打印技術的成熟和市場開拓，市場規(guī)模發(fā)展很快，應用領域不斷擴張。在打印設備基本完備的情況下，上游原材料相對滯后的開發(fā)成了阻礙 3D打印技術產業(yè)化的重要原因。材料是3D打印技術發(fā)展的基礎，其性能、種類等因素直接決定著質量和功能。3D打印材料的性能和適用性比傳統(tǒng)材料要求更高，最基本要求是可以液化、絲化和粉末化，打印后還可以結合在一起，并能滿足一定的強度、剛度、耐潮濕性和熱穩(wěn)定性要求[5]。除此之外，3D打印材料還必須性能穩(wěn)定、功能豐富、綠色環(huán)保。當前3D 打印材料種類偏少、精密度和強度不夠， 離工業(yè)和民用領域成千上萬種需求相差甚遠。因此，解決材料的制約是 3D 打印技術發(fā)展的核心問題。
2、國外3D打印材料的應用現狀
歐美等發(fā)達國家高度重視 3D 打印技術，紛紛站在 21 世紀制造業(yè)競爭的戰(zhàn)略高度投入巨資研發(fā)，在技術應用和市場推廣方面搶占先機[6]。發(fā)達國家充分意識到材料的重要性，不約而同地出臺政策、投入專項資金進行材料的研發(fā)。例如，美國2011 年出臺《材料基因組計劃》， 次年成立美國國家增材制造創(chuàng)新研究所，投入大量資金研發(fā)打印材料。歐洲航天局出臺“將3D 打印帶入金屬時代”計劃，重點關注金屬打印材料的研發(fā)。
1988 年， 第一臺 3D 打印裝備 SLA250 由3D Systems 公司在美國生產。作為 3D 打印技術發(fā)源地，美國 3D 打印企業(yè)眾多，已經形成一定規(guī)模產業(yè)鏈。領軍企業(yè)為 3D Systems 和Stratasys 公司，兩家企業(yè)和德國 EOS 公司占據了全球 3D 打印市場 70% 的份額。這些企業(yè)不斷加強 3D 材料的研發(fā)，不斷有新的 3D 打印材料推出。
目前，能用于 3D 打印的材料主要有金屬材料、高分子材料、無機非金屬材料。下面對這些材料進行簡介。
2.1 金屬
良好的力學強度和導電性使金屬 3D 打印成為最為廣闊的潛在市場。3D 打印金屬材料需要預先制成專用的金屬粉末，要求純凈度高、細球形、粒徑分布窄、氧含量低。3D 打印金屬材料主要有鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼和鋁合金材料等。高溫合金因其強度高、化學性質穩(wěn)定已成為航空工業(yè)應用的主要 3D 打印材料?？湛秃筒ㄒ舳加免伜辖?3D 打印機用零件，GE 用鋁化鈦材料 3D 打印出發(fā)動機渦輪葉片。不銹鋼是最廉價的金屬打印材料，常被 3D 打印成功能構件和小型雕刻品等。3D 打印金屬粉末價格昂貴， 例如 1kg 鈦金屬粉末的價格為 200 ～ 400 美元。研究廉價新型 3D 打印金屬粉末制備方法是金屬 3D 打印市場化應用的關鍵。
2.2 高分子材料
高分子材料是目前 3D 打印中應用最廣泛的材料，主要有工程塑料、光敏樹脂、橡膠等。工程塑料中 PLA( 聚乳酸 ) 源于玉米淀粉和甘蔗，可生物降解，能避免模型的翹曲變形，具有多種半透明色和光澤質感，是 3D 打印起初使用得最好的原材料。ABS( 丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯 ) 是 3D 打印最常用塑料，強度高于 PLA，柔韌性、機械加工性及抗高溫性能好，缺點是打印表面易向上卷曲導致精度障礙。
Stratasys 公司推出仿聚丙烯材料 Endur，具有高強度、柔韌度好和耐高溫性能，尺寸穩(wěn)定， 表面質量好。而光敏樹脂是指由聚合物單體與預聚物組成，并含有光敏劑，在紫外燈光照下能引起聚合固化的樹脂。光敏樹脂常用的有粉紅色鑄造專用材質 Somos 19120，半透明材質Somos 11122 以及白色材質 Somos Next。其中Somos Next 性能優(yōu)異，制作的部件剛性與韌性結合好，尺寸精確，外觀漂亮，適用于航空航天、汽車、生活消費品和電子產品領域。2016 年， 又一批 3D 打印材料被研發(fā)出來。例如誕生了全球首款 PVC 3D 打印線材 -3D Vinyl，擁有包括較強的紫外線耐受力、抗溶解能力、流動性、熱穩(wěn)定性等全部 PVC 的優(yōu)點。美國某企業(yè)也推出一系列比 PLA 線材輕 30% 的全新打印線材－ Promatte，打印出來的模型不需任何后期處理。
2.3 無機非金屬
3D 無機非金屬打印材料主要指陶瓷。陶瓷擁有高強度、高硬度以及耐腐蝕、耐磨損等優(yōu)點，但是無法輕易制成復雜形狀。3D 打印技術恰好能解決這一問題。土耳其伊斯坦布爾的Unfold 設計室科研人員打印出造型各異的日用陶瓷制品，表面上釉并燒制后質量優(yōu)良 [7]。常用的 3D 打印用陶瓷粉末是陶瓷粉末和粘結劑粉末混合物，采用激光燒結方法打印。激光熔化粘結劑使陶瓷粉末粘結在一起，而后將陶瓷制品燒結處理。這種方法效率較低，而且產品往往有裂痕 [8]。美國 HRL 實驗室開發(fā)出一種由硅、氮和氧組成的樹脂新材料。用這種被稱為陶瓷前體的樹脂打印各種形狀和大小的零件，過火后會轉化為高強度、完全致密、耐1700℃高溫的陶瓷。此類材料可用于制造噴氣發(fā)動機和超音速飛機上的大型零件等。
除了這三類材料，歐美國家在 3D 打印復合材料、生物醫(yī)學材料研發(fā)上取得不俗進展。硅谷 Arevo 實驗室研發(fā)出高強度碳纖維增強材料，具有出色的耐高溫和抗化學性能，可作為航空航天、國防和醫(yī)療應用的零部件產品[9]。多種人造血管和人造皮膚已被成功 3D 打印出來 [10]。
3 國內 3D 打印材料的應用現狀
3D 打印技術在中國也迎來新的發(fā)展機遇。我國正處在“中國制造”向“中國智造”轉型升級歷程，需要發(fā)展 3D 打印技術提升競爭力。
《中國制造2025戰(zhàn)略》中多次強調指出要培育 3D 打印產業(yè)發(fā)展，并將 3D 打印技術列為我國未來智能制造的重點技術來大力扶持。
盡管我國在 3D 打印取得了一定的成績， 部分技術甚至處于世界領先水平，但與歐美國家相比仍有一定差距，特別是3D 打印材料方面。目前，我國能生產 3D 打印材料的企業(yè)較少，無法實現規(guī)?；a，大部分 3D 打印材料依賴進口，許多 3D 打印材料基本被國外壟斷，嚴重受制于他國。雪上加霜的是國外廠商有意提高價格，例如采取“銷售 3D 打印設備搭售粉末材料” 的策略，直接限制了我國 3D 打印產業(yè)的發(fā)展。主要是科研機構在研發(fā) 3D 打印 材料，而由于打印市場還不成熟，企業(yè)缺乏研發(fā)生產的動力。盡管高校已有一定的 3D 打印材料技術積累， 但是“產學研”脫節(jié)而導致無法實現產業(yè)化。因此，加大投入和研發(fā)，滿足我國對 3D 打印材料的供給意義重大。一方面政府要發(fā)揮引導調控作用，鼓勵吸引更多的企業(yè)增大投入到 3D 打印材料研發(fā)生產；另一方面，高校和企業(yè)要加深“產學研”合作，既要發(fā)揮高校的科研優(yōu)勢又要了解市場的需求，更好地使科研成果產業(yè)化。
4 發(fā)展前景
打印材料的稀少和昂貴是影響 3D 打印產業(yè)發(fā)展最大問題，只有 3D 打印材料種類不斷增多，應用領域不斷拓寬，成本不斷下降，才能打破這個瓶頸。從 3D 打印材料需求品種和規(guī)模來看，金屬和塑料市場需求最大，2018 年將達到 4 億美元，其中塑料市場需求將達到 2 億美元。從應用領域來看，醫(yī)療領域市場需求較高，其次是建筑、航空航天、汽車等領域。就目前來說，要突破 3D 打印材料這一瓶頸，一是堅持開發(fā)具有潛在市場價值的更為多樣 3D 打印材料，二是研究新的制備 3D 打印材料方法來降低成本。雖然目前可應用于 3D 打印材料種類少，大量材料應用潛能急需開發(fā)， 各國政府的產業(yè)布局和眾多企業(yè)爭相進入意味著 3D 打印將迎來新一輪的技術創(chuàng)新。3D 打印從誕生起就受到不少質疑，富士康公司總裁郭臺銘公開表示 3D 打印只是噱頭?！八兄匾目萍级际窃诙虝r間內被過度超熱，其功能也被高估，但從長期來看，它們造成的影響卻遠被低估?！泵绹哆B線》雜志前主編安德森的話或許能給我們啟示。我們有理由相信 3D 打印必將應用到各領域的制造業(yè)，深刻改變我們的生活。
參考文獻
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[9] Arevo Labs announces carbon fiber and nanotube- reinforced high performance materials for 3D printing process.
[10] 陳碩平 , 易和平 , 羅志虹 , 等 . 高分子 3D 打印材料和打印工藝 [J]. 材料導報 ,2016, 30(7).
