《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近期發(fā)展重點

作者：黃衛(wèi)東、王理林、王猛
來源：日新材料

4.3增材制造材料與技術的近期發(fā)展重點的戰(zhàn)略思考建議
增材制造材料近期發(fā)展的戰(zhàn)略重點，建議圍繞增材制造材料方向最有價值的科學、技術和產業(yè)問題，進行系統(tǒng)的頂層設計與有效的組織實施。

4.3.1 / 推進系統(tǒng)的頂層設計與有效的組織實施
根據我國增材制造行業(yè)當前的優(yōu)勢和短板，近期發(fā)展的戰(zhàn)略重點首先應該是進行系統(tǒng)的頂層設計，并有效地組織我國增材制造領域龐大的研發(fā)和產業(yè)力量，圍繞增材制造材料方向最有價值的科學、技術和產業(yè)問題進行研究和發(fā)展。在中央政府層面，應當把增材制造作為一個綜合性的重大新技術來安排國家科技支持計劃，要改變目前這種把增材制造僅僅放在制造口而無法安排增材制造材料類項目的局面�；蛘咴谖磥硇碌目赡軐嵤┑牟牧项愔卮髮ｍ椫校�把增材制造材料作為一個重要方向予以支持。在增材制造領域已經有很多布局和應用的航空航天大型單位、已有的重要研發(fā)平臺，特別是國家級平臺層面，可以根據中國國情并借鑒發(fā)達國家經驗，進行與自己相關領域的增材制造材料發(fā)展的頂層設計和組織實施。實際上，我國當前還缺少能夠代表國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)的各方面力量進行協(xié)同創(chuàng)新的國家級平臺。率先布局這種實質性的國家級行業(yè)發(fā)展平臺的地區(qū)，將通過支撐中國增材制造技術與材料在世界級競爭中的跨越式發(fā)展，而對區(qū)域創(chuàng)新和產業(yè)發(fā)展起到重要支持作用。

4.3.2 / 強化增材制造材料科學研究
從科學基礎層面系統(tǒng)深入地理解增材制造的材料行為，是發(fā)展先進的增材制造材料技術， 增強我國增材制造材料技術的原始創(chuàng)新能力，更充分地發(fā)揮增材制造技術優(yōu)越性的根本保證。

增材制造材料存在一些共性的科學問題，各類增材制造材料還有其特殊關注的重點科學問題。需要重點關注的增材制造共性的材料科學問題主要是：材料的工藝性、服役性能、安全性和可靠性的檢測與評價方法的科學基礎。作為一種全新的制造技術，不能完全采用已有的檢測與評價方法來考核增材制造材料的工藝性、服役性能、安全性和可靠性。只有建立起針對增材制造材料檢測與評價的可靠科學基礎，才能形成增材制造可以廣泛應用的系統(tǒng)的標準體系，解決當前增材制造在很多領域還不能推廣應用的一個關鍵障礙。

金屬增材制造需要重點關注的材料科學問題包括：增材制造全過程非平衡相變及組織演化行為；增材制造熱 - 組織 - 應力耦合機制及變形、開裂機理；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件強韌化機理；增材制造冶金缺陷形成機制和評價方法。深刻理解這些科學問題，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，以及大規(guī)模研發(fā)增材制造專用合金奠定科學基礎。

高分子增材制造需要重點關注的材料科學問題包括：增材制造過程中高分子材料的流變、 結晶、固化、降解等規(guī)律，特別是熱、力歷史對上述行為的影響機理；打印件在不同載荷和長期服役條件下的力學、化學、物理響應行為。深刻理解這些科學問題，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，以及大規(guī)模研發(fā)增材制造專用高分子材料奠定科學基礎。

生物醫(yī)學增材制造需要重點關注的材料科學問題包括：生物增材制造過程中，打印材料與活性物（蛋白質、核酸等）及活體物（細胞等）的界面及相互作用規(guī)律，涉及包括材料生 物相容性、材料免疫應答、生長發(fā)育等基本材料及生物學問題；研究打印材料在人體生理動、 靜態(tài)下的失效模式，材料降解行為及降解產物在人體內長期安全性等重要問題。這些科學問題的研究可為高相容性、高仿生的新型生物墨水材料開發(fā)提供理論支撐。

4.3.3 / 重點發(fā)展可以推動增材制造技術重大進步的增材制造材料技術

（1）增材制造專用材料設計
根據增材制造工藝特性，設計具有優(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用材料，解決限制增材制造更廣泛應用的材料方面的瓶頸問題。
① 在增材制造金屬材料方面，特別關注：適合于 SLM 技術應用的 500 ～ 600MPa 級別的鋁合金材料；適合于 SLM 和 DED 技術應用的航空發(fā)動機和燃氣輪機熱端部件（特別是渦 輪葉片）用高溫合金材料；適合于 SLM 和 DED 技術，綜合性能（特別是低周疲勞性能）達 到鍛件水平的鈦合金材料；適合于 SLM 和 DED 技術應用的2000MPa 以上級別的鋼鐵材料。

② 在增材制造高分子材料方面，特別關注：具有低黏度、高性能（高強度、高模量和耐 高溫）、可以實現(xiàn)高精度打印的光敏樹脂及其復合樹脂；適用于 ME 技術的低成本、高熱穩(wěn)定性、高尺寸精度的線材和顆粒料；適用于 PBF 技術的具有高流動性（粉體 / 熔體）、高復用率、寬燒結窗口、高力學性能、低成本的高分子粉體材料。

③ 在增材制造生物醫(yī)學材料方面，特別關注：具有高純凈度、高質量控制和高穩(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
增材制造材料的信息化處理的目標是，實現(xiàn)從零件結構設計、材料配制、打印工藝、零件服役全鏈條、全生命周期的數(shù)據化，獲取增材制造的材料、結構、工藝、質量和服役信息的大數(shù)據，借助集成計算和人工智能分析方法，建立增材制造的材料、結構、工藝、質量控制和服役性能不斷優(yōu)化的集成技術體系。

當前的零件結構設計的主流軟件，一般只能處理單一材料均勻性能的結構設計，不能發(fā)揮增材制造技術最重要的優(yōu)勢。增材制造當前正在朝向“材料 - 結構 - 性能一體化增材制造” 發(fā)展，需要能夠實現(xiàn)多材料、多功能、多尺度和多層次處理的結構設計軟件。

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

根據打印件結構設計、材料信息和打印工藝設計，建立增材制造過程的“數(shù)字孿生”模 型，是實現(xiàn)增材制造過程完備的信息化處理的重要手段。當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構和打印過程參數(shù)與相關物理場和化學場的演變歷史�？梢灶A計，傳統(tǒng)的數(shù)值仿真方法在相當長的時間里還不能單獨支撐建立增材制造過程的“數(shù)字孿生”模型。因此，需要結合當前正在發(fā)展的數(shù)值仿真方法，融合增材制造的大數(shù)據，采用人工智能方法，在不斷迭代優(yōu)化的過程中，逐漸建立增材制造的“數(shù)字孿生”模型。

對增材制造過程進行充分的實時監(jiān)測，獲取盡可能完備的過程參數(shù)，是增材制造材料大數(shù)據的核心內容，也是與當前“數(shù)字孿生”模型耦合促其迭代優(yōu)化的關鍵環(huán)節(jié)。增材制造結構件在服役過程中的材料行為，也是增材制造材料大數(shù)據的重要組成部分。

（3）當前一些需要重點關注的增材制造材料技術
① 3D 打印成形的多孔金屬或陶瓷坯體的少 / 無變形致密化技術。粉末床黏結劑噴射和 ME 金屬 3D 打印是近期非常引人矚目的，被稱為“間接金屬打印”的高效率低成本金屬 3D 打印技術，它的成功有可能大幅度擴展金屬 3D 打印的應用領域，例如應用到普通汽車或一般機械工業(yè)的金屬零件制造。這項技術當前亟需解決的難題是多孔金屬坯體在后續(xù)燒結致密化過程中的大幅度體積收縮很容易導致零件的變形。粉末床黏結劑噴射陶瓷 3D 打印，以及通過光固化或SLS成形的多孔陶瓷坯體的致密化也有同樣的問題。采用聚合物轉化陶瓷方法， 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，可以達到近凈尺寸致密化，也是需要重點關注的 3D 打印多孔坯體致密化技術。同時，這種致密化技術還需要特別關注如何達到與燒結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，可以大幅度提高打印效率，同時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發(fā)展的一個重要方向。當前典型的高分子面成形打 技術包括光固化打印里的 CLIP 技術和 DLP 技術，粉末床打印里的惠普 MJF 技術和 EOS 的 LPF 技術等。面成形打印技術發(fā)展的一個十分重要的目標，是使高分子 3D 打印可以部分 進入高端注塑件的領域，從而極大地擴展高分子材料 3D 打印的市場份額。然而無論是光 化還是粉末床高分子打印，其原材料種類少、成本高昂都是難以從根本上解決的問題。發(fā)面成形ME打印技術，則有望覆蓋極寬的原材料范圍，而且可以達到同注塑原材料同樣的成本，這應該是十分值得關注的高分子材料3D打印技術。

③ 我國在增材制造生物醫(yī)學材料原材料開發(fā)及打印工藝關鍵技術方面部分達到國際并跑甚至國際領先水平，但該領域的原材料產業(yè)化程度較低，仍長期被進口壟斷。因此，亟需開展現(xiàn)有生物 3D 打印原材料的產業(yè)轉化關鍵技術研究，針對國內已部分實現(xiàn)產業(yè)化的聚己內酯、聚乳酸等有機高分子材料，開展質量控制、批量穩(wěn)定制備等產業(yè)轉化技術研究，解決國 內現(xiàn)有材料穩(wěn)定性差、純凈度低等“卡脖子”問題，打破“進口依賴”困境。同時，開展新型生物 3D 打印材料開發(fā)與改進關鍵技術研究。以生物功能性為導向，攻關改性水凝膠、類基質功能材料等新型材料體系的高生物相容性、高仿生改進技術，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，提升材料生物相容性、可打印性與打印結構穩(wěn)定性、力學性能等。

④ 在微納 3D 打印材料技術方面，重點關注：面向微細電路 3D 打印的高性能導電材料和介電材料的研制，尤其是低溫燒結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；實現(xiàn)高效大尺寸亞微米尺度結構制造的微立體光刻 3D 打印新技術和新材料的開發(fā)，突破 100nm 分辨率雙光子聚合3D 打印新技術和新材料；發(fā)展高生物活性材料的微納增 材制造方法，實現(xiàn)對人體組織內的微納結構的精準重建。