学术干货 | 从材料角度谈谈3d打印的未来发展

2011年经济学人刊登封面文章“The manufacturing technology that will change the world”(“3d打印将改变世界的制造技术”)，之后3d打印迅速走进人们的视野，并被认为有望引领第三次工业革命（大批量制造走向个性化定制）。虽然3d打印“走红”的时间不长，但其从上世纪 80 年代开始，已经发展了三十余年，专业术语为“快速制造”或“增材制造”，定义如下：

3d打印技术，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体形状的技术，其基本原理是离散-堆积原理。（Ps：这里的离散过程和堆积过程缺一不可，例如虽然盖房子也是堆积过程，但它没有离散过程，所以不算是3D打印）

图1 离散-堆积原理图

目前阶段3D打印面临的主要技术性制约主要包括两个方面，一是打印耗材种类的限制，二是由于打印成品存在缺陷或内应力而造成的产品力学性能欠佳。这两方面都与材料密切相关，因此本文将从材料角度（物理实现过程）介绍3d打印未来发展的方向。

金属零件的3D打印

金属零件3D打印的物理实现过程是：激光/电子束等高能光束将金属粉末或丝材快速融化凝固，并逐层堆积扩展到整个三维实体零件。主要方法包括两种，一是激光选区熔化（SLM），二是电子束熔丝沉积（EBMD）。

激光选区熔化（SLM）

激光选区熔化技术基本原理如图2所示：根据相关截面参数编制的控制程序，激光束有选择性的熔化各层的金属粉末材料，当一层粉末加工完成后，粉床下降一定距离，送粉器同时再铺上一层粉末，此过程不断反复并逐步堆叠成三维金属零件。

图2 激光选区熔化（SLM）原理图及零件图

电子束熔丝沉积（EBDM）

电子束熔丝沉积技术基本原理：将截面参数生成激光扫描路径的控制代码，控制工作台的移动和激光扫描路径，采用电子束熔化金属丝材或粉末进行逐层堆积，最终形成具有一定形状的三维实体模型。（激光选区熔结与之相比有金属粉床的限制，无法成型大尺寸零件，但相对应的其制造精度较大）

图3 电子束熔丝沉积（EBDM）原理图及零件图

金属材料3D打印的发展方向

采用激光快速成型制造的金属零件，极大的降低了设计制造的成本和周期，并且能够快速生成传统制造工艺难以制备的复杂形状（薄壁结构、封闭内腔结构等），因此具有广阔的发展前景。目前来看，其主要的研究前景包括三个方面：

(1) 从材料结构看，由于成型过程中，材料会经历剧烈的温度循环变化过程，因此会产生热残余应力、形变残余应力和相变残余应力。并且由于材料成型过程中没有施加压力且温度起伏较大，因此会形成局部未融合等内部缺陷。残余应力和内部缺陷的存在往往会引起材料变形和开裂，适当的控制成型过程和后处理以消除内应力及缺陷具有较大的意义。

(2) 从打印耗材看，目前研究较多且国家支持的3d打印金属材料主要包括以下几种（来源于“《中国制造2025》重点领域技术路线图”）：
低成本钛合金粉末 ：满足航空航天 3D 打印复杂零部件用粉要求，低成本钛合金粉末成本相比现有同等钛合金粉末降低 50～60%；
铁基合金粉末 ：利用 3D 打印工艺致密化后的金属制品，其物理性能与相同合金成分的精铸制品相当。
高温合金粉末 ：开发金属粉末的致密化技术，建立制品的评价标准体系。

(3) 制备合成高性能新材料：由于激光快速凝固能够产生超细化的凝固组织以及许多常规条件下无法得到的组织，因此可通过3d打印制备非平衡材料、梯度材料、多尺度复合材料等高性能的新材料。

非金属零件的3D打印

非金属材料3D打印的研究开始较早，至今已经初步形成规模化的产业（例如桌面式3d打印机已较为普及），在新产品设计开发以及文化艺术创意方面具有较多的应用。其主要成型方法包括以下几种：

表1 非金属材料增材制造技术工艺

光固化成形（SLA）

光固化成型基于液态光敏树脂的光固化原理（光引发聚合），如图4所示，紫外光照射树脂槽使光引发剂由基态跃迁到激发态，然后分解成为自由基或阳离子活性种，引发体系中的单体或齐聚物发生聚合及交联反应，迅速固化，层层堆积得到成形零件。

图4 光固化成形（SLA）原理图及零件图

光固化树脂体系很大程度上与光固化涂料相似，由预聚体、活性稀释剂、光引发剂及少量助剂等组成。按照引发产生的活性中心不同，可以分为自由基型光固化体系、阳离子型光固化体系和自由基一阳离子混杂型光固化体系。

目前，将自由基光固化树脂与阳离子光固化树脂混合固化的研究较多。自由基聚合的诱导期短，固化收缩严重，光熄灭后反应立即停止，而阳离子聚合则刚好相反，因此将两者结合，控制比例等影响因素，以期获得性能优异的固化树脂。这类混合聚合的光敏树脂主要由丙烯酸酯，乙烯基醚类和环氧树脂等预聚体和单体组成。
光固化树脂体系直接影响到零件的精度、机械性能和零件的收缩变形，对其的研究，主要集中在提高成型材料的性能、降低成本、进行材料改性等方面。如①为提高制件韧性和可靠性，可在树脂中加人碳化硅晶须；②开发可见光固化的光敏树脂，提升固化速度，减小人体危害等等。

熔融沉积成形（FDM）

熔融沉积成形的工作原理如图5所示，将丝状的热熔性材料(ABS,PLA、蜡等)，经过送丝机构（一般为辊子）送进热熔喷嘴，在喷嘴内丝状材料被加热熔融，同时喷头沿零件层片轮廓和填充轨迹运动，并将熔融的材料挤出，使其沉积在指定的位置后凝固成型，与前一层己经成型的材料粘结，层层堆积最终形成产品模型。

图5 熔融沉积成形（FDM）原理图及零件图

桌面式3D打印机的打印技术大都为熔融沉积成形（FDM）。由于材料丝需在喷头内加热达到熔融状态，因此熔融沉积成形的材料熔点都较低，如蜡丝或ABS塑料丝。但由此会造成成型零件的部分物理性能欠佳（如软化温度、力学强度等），因此，针对材料方面的研究主要是在改善现有材料性能的同时寻找或研发更好的材料。

熔融沉积成型工艺中，熔融丝之间粘结面积、层内应力以及层间应力的变化都会对成型件的机械性能造成影响。因此应研究材料或工艺去增加丝间粘结强度，减小层内、层间的应力集中。

三维立体打印（3DP）

三维立体打印原理来源于喷墨打印机原理：从喷嘴喷射出材料微滴，按一定路径逐层喷射固化堆砌后，得三维实体的器件。

图6 三维立体打印（3DP）原理图及零件图

3DP的成型材料有自己特殊的要求，并不是由简单的粉末构成，它包括粉末材料、与之匹配的粘结溶液以及后处理材料等。为了满足成型要求，需要综合考虑粉末及相应粘结溶液的成分和性能。

其粉末材料可选择陶瓷粉末、聚合物粉末(如聚甲醛、聚乙烯等)、金属氧化物粉末(如氧化铝等)等作为材料的填料主体，其液体粘结剂分为本身不起粘结作用的液体、本身会与粉末反应的液体及本身有部分粘结作用的液体。研究粉末与粘结剂等之间的作用以及墨滴喷射的数值模拟对于改善3DP成型零部件的力学性能具有较大的意义。另外，目前三维立体打印在研究制造药物缓释材料和组织工程材料方面具有深远的意义。

叠层实体造型（LOM）

如图7所示，叠层实体造型技术利用激光等工具逐层面切割、堆积薄板材料，最终形成三维实体，利用纸板、塑料板和金属板可分别制造出木纹状零件、塑料零件和金属零件，各层纸板或塑料板之间的结合常用粘接剂实现。

图7 叠层实体造型（LOM）原理图及零件图

LOM制作的工件抗拉强度和弹性不够好，并且无法成型复杂的零件，材料范围很窄，每层厚度不可调整，精度有限因此研究较少。

生物组织及器官的3D打印

提到可替代生物组织器官，就不得不提到组织工程的概念。组织工程是运用工程学和生命科学的原理和方法，从根本上了解正常和病理组织的结构-功能关系，从而研制出恢复、维持或改进组织功能的生物学替代物的一个新兴技术。生物支架材料、活细胞和生物活性因子是组织工程的三大基本要素。

图8 组织工程原理图

随着组织工程研究的不断深入，表明3D打印技术适用于打印细胞、生物支架材料和细胞活性因子，其在器官打印中的应用也日益受到关注。目前生物组织及器官的3D打印主要分为两类，一类是直接打印生物支架，之后再细胞进行培养；第二类是将生物支架和细胞同时打印。

生物支架是用于支撑组织成长为一个完整的组织的框架材料，是组织工程三要素之一，也是目前3D打印技术研究的热点之一。生物支架材料一般为多孔材料，这样有利于细胞的培养。其3D打印方法较为多样，激光选区熔化（SLS）、光固化成形（SLA）、三维立体打印（3DP）等方法均可制备生物支架，如图9为喷墨打印和激光选区融化技术制备的人耳组织和膝关节生物支架。目前对于硬组织如骨骼的3D打印成型较为成熟，其材料一般为钛镁合金或羟基磷灰石与高分子材料的复合材料，其技术已较为成熟，并被成功的运用于临床。如今年六月份北京大学第三医院成功实施世界首个3D打印人工椎体植入人体手术，并且人工椎体诞生获国家食品药品监督管理总局注册批准。

图9 采用3d打印制备的生物支架材料

将生物支架与细胞同时打印，主要的制备方法是3D喷墨打印（3DP）。利用多个喷头将细胞与生物材料共同打印构建细胞-生物材料3D复合物，可以将细胞和生长因子确定植在3D生物材料支架，这一方法不仅可以控制生物支架的空间结构，而且细胞可以在支架内部增殖分化形成生物组织。目前这项技术还处在起步阶段，还有许多问题亟待解决。

总结

如今，3D打印产业已经进入高速发展的阶段，虽然存在材料种类少、加工成本高等诸多制约产业发展的因素，但相对于传统的制造方式（减材制造），3d打印技术对材料的总体利用率高，可以制造复杂的结构零件，并且无需开模，制造工序少，周期短。其在在航空航天制造领域、生物医疗领域、设计领域优势日益凸显。

除了在材料方面外，3D打印在其他方面也有较大的发展空间，例如可以将3D打印与“互联网+”和“云计算”相结合，实现制造资源的高度共享，进入个性化定制阶段。另外可将3D打印和传统的切削减材相结合，用以保证零件的成型制造精度。总的来看，3D打印技术方兴未艾，希望其能在科技进步的浪潮中越走越远，沧海横流，方显英雄本色，我们且拭目以待。

附录1：“国家增材制造发展推进计划”提出着力突破的增材制造专用材料

附录2：“《中国制造2025》重点领域技术路线图”提出发展的3D打印材料

材料牛新锐作者mengya投稿，材料牛编辑整理。