3D打印材料的研究与应用

供稿|张文毓 / ZHANG Wen-yu

内容导读

3D打印技术作为具有前沿性、先导性的新兴技术，正在深刻地改变着传统的生产方式和生产工艺。其独特的“制造灵活性”和“大幅节省原材料”必将在制造业掀起一场革命。当前可用于3D打印的材料已超过200种，其中金属材料(钛合金、不锈钢、高温合金、铝合金、镁合金、金)、高分子材料(ABS、PA和光敏树脂UV)、陶瓷、复合材料及生物材料等为最常见的3D打印材料。3D打印技术在生物医疗、智能制造、食品、航空航天、海军舰艇、核电、模具、汽车制造业、土木建筑、轨道交通、功能性纺织品、激光3D打印玻璃、考古文物、教育行业、珠宝、鞋类、工业设计、地理信息系统、枪支以及其他领域都有所应用。本文概述了3D打印技术和材料类型，对国内外研究现状进行了介绍，对3D打印材料和技术的应用进展进行了综述。

3D打印是根据所设计的3D模型，通过3D打印设备逐层增加材料来制造三维产品的技术。3D打印技术综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多领域的前沿技术，是快速成型技术的一种，被誉为“第三次工业革命”的核心技术。目前，3D打印已应用于产品原型、模具制造、艺术创意产品、珠宝制作等领域，3D打印可以在很大程度上提升制作的效率和精密程度，可替代这些领域所依赖的传统精细加工工艺。

3D打印技术和材料类型

3D 打印技术作为快速原型制造技术领域的新技术，正在迅猛发展，它包括许多既定制造技术和大量的实验技术。目前应用较多的3D 打印技术包括：光固化(SLA)、选择性激光烧结(SLS)、熔融沉积成型(FDM)、分层实体制造(LOM)和3D喷印技术等[1]。

3D打印材料是3D打印技术发展的重要物质基础，如表1所示[2]。3D打印材料主要包括工程塑料、光敏树脂、橡胶类材料、金属材料和陶瓷材料等。除此之外，彩色石膏材料、人造骨粉、细胞生物原料以及砂糖等食品材料也在3D打印领域得到了应用。

按照材料的物理状态分类，3D打印材料可分为液体材料、粉末材料、丝状材料、块状材料等。按照化学性能分类，3D打印材料可分为高分子类材料(如树脂、石蜡等)、金属材料(如铝、钛合金等)、无机非金属材料(如石膏、陶瓷等)及复合材料。常用3D打印材料分类及技术应用分类如表2所示[2]。

研究现状

国外研究现状

美国3D打印在技术和市场方面都领先于世界其他国家，其中以立体光刻技术作为其核心技术的3D Systems公司和以FDM技术为核心技术的Stratasys公司是领军者。美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的研究团队在预测和最小化金属增材制造零部件无效缺陷、表面粗糙度方面的最新进展，有可能加快3D打印技术的应用[3]。美国哈佛大学工程与应用科学学院的一个研究小组展示了一种名为“旋转3D打印”的新型3D打印技术，其喷嘴的速度和旋转经过精确设计，能对聚合物基质中嵌入纤维的排列进行编程，是生物复合材料设计的一大飞跃。美国陆军研究实验室(ARL)的材料科学家正在使用最先进的3D成像原子探针技术分析原子级的金属和陶瓷样品。这项研究旨在解决下一代防弹衣系统的材料内部结构，以保证士兵安全。南加州大学维特比工程学院的研究人员开发出了可自修复的3D打印橡胶材料，可实现快速制造，这种材料遭遇破裂或刺穿可以进行自我修复。这种材料将为鞋类、轮胎、软机器人甚至电子设备制造带来改变契机，在缩短制造时间的同时提高产品的使用寿命。

表 1 3D打印技术和材料类型[2]

表 2 3D打印材料分类及应用[2]

加拿大的3D打印发展走简易低廉路线。加拿大复合材料专家耐森·阿姆斯朗领导的3D打印技术项目研究出可用连续增强纤维材料生产复合材料零部件。加拿大萨斯喀彻温省的赖兰·格雷森发明了世界上第一台售价100美元的3D打印机—PeachyPrinter。此外，加拿大的Print Alive Bioprinter的团队开发了皮肤3D生物打印，用于为烧伤的受害者打印出新的皮肤。

日本3D打印发展方向为个人化和小型化，将3D打印技术应用于人与宠物模型打印，希望凭借本国技术优势和3D金属打印机的研发来赶超其他国家。

德国弗劳恩霍夫模具和成型技术研究所开发出一套新的3D打印系统，能高速、低成本打印塑料零部件，效率是传统3D打印技术的8倍。该研究所发布公报说，这套名为“螺旋挤压增材制造”的新系统能在18 min内打印出30 cm高的塑料零部件，并可进行批量生产。德国联邦材料测试和研究所(Empa)利用木质纳米纤维素，通过3D打印技术制成移植用的人造耳朵，可以作为先天性耳廓畸形儿童的移植物[4]。

2013年4月，英国研究人员首次用3D打印机打印出胚胎干细胞，干细胞鲜活且保有发展为其他类型细胞的能力。英国伦敦Softkill Design建筑设计工作室还首次建立了一个3D打印房屋概念。BAE系统公司在2014年1月5日表示，前1个月安装了3D打印金属组件的“狂风”战斗机成功地进行了飞行测试。BAE公司称，这驾“狂风”战斗机装备了3D打印的驾驶舱电台防护罩、起落架防护罩和进气口支撑柱。2014年10月3日，英国科学家为苏格兰一名5岁的残疾女孩安装了由3D打印技术制作的手掌。

全球3D打印材料产业发展迅速，在2010～2016年期间，产业规模从2.66亿美元(约16.8亿元人民币)增至8亿美元(约50.4亿元人民币)，年均增长24.6%。据预测，到2022年全球打印材料的市场规模将达到16亿美元。

国内研究现状

近年来，我国积极探索3D打印技术的研发，自20世纪90年代初以来，清华大学、西安交通大学、华中科技大学、中国科技大学、北京航天航空大学、西北工业大学等多所高校积极致力于3D打印技术的自主研发，在3D打印设备制造技术、3D打印材料技术、3D设计与成型软件开发、3D打印工业应用研究等方面取得了不错的成果，部分技术已经处于世界先进水平，但总体而言，国内3D打印技术的研发水平与国外还有较大差距。

我国3D打印技术正处于从起步到快速发展的过渡阶段，许多3D打印的公司相继成立，其中一些依托高校成立的公司如北京殷华(依托于清华大学)、陕西恒通智能机器(依托西安交通大学)、湖北滨湖机电(依托华中科技大学)，已拥有3D打印设备生产和材料加工的能力。其中，激光直接加工金属技术发展较快，已基本满足特种零部件的机械性能要求，有望率先应用于航天、航空装备制造；生物细胞3D打印技术取得显著进展，已可以制造立体的模拟生物组织，为我国生物、医学领域尖端科学研究提供关键的技术支撑。

目前国内有能力研发生产打印材料的企业较少，很多打印材料严重依赖于进口，尤其是金属打印材料有90%来源于进口，造成了3D打印产品成本较高，影响了其产业化进程。国内增材制造主要应用在航空航天、电子消费品、医疗器械、工业设备等领域，需要的材料也集中在工程塑料、光敏树脂和金属材料等。数据显示，2012～2016年国内3D打印材料产业市场规模由2.6亿元增长到21.52亿元，平均增长率为75%，因此，随着增材制造行业的快速发展，3D打印材料行业的市场规模也在快速增长[5]。

应用进展

金属材料

随着3D打印技术的快速发展，航空航天、汽车、电工电子等领域对3D打印技术的需求促使金属材料在3D打印领域的应用发展，其中钛合金的应用最为广泛，其次有铝合金、不锈钢、高温合金、镁合金等。

金属3D打印材料产业在近几年快速发展，Ti-6Al-4V合金、Inconel718(镍基高温合金)、Inconel625(镍基高温合金)和316L不锈钢等金属材料的研究比较成熟。瑞典Arcam公司、Hoganas公司，德国EOS公司以及英国的LPW均已对3D打印金属粉末材料进行商品化生产，并处于国际领先地位。

(1)钛合金。

钛手表的3D打印技术主要是利用激光逐层熔融钛粉，直至形成最终的形状。英国的Metalysis公司利用钛金属粉末成功打印了叶轮和涡轮增压器等汽车零件。此外，钛金属粉末耗材在3D打印汽车、航空航天和国防工业上都将有很广阔的应用前景。

北京航空航天大学王华明团队利用钛合金打印的“飞机钛合金大型复杂整体构件”是迄今为止3D打印制作的最大构件，已获得成功应用。

3D打印钛合金材料的生物医学植入物，能够根据患者不同的要求进行个性化设计。3D打印钛合金支架医学临床应用有：脊柱骨科、关节骨科、骨创伤、肿瘤骨科等。另外，3D打印的钛合金物件由于密度小、强度高、重量更轻，应用于运动器械上有着独特的优势，在自行车、网球拍和高尔夫球杆等方面获得了广泛的应用。

(2)不锈钢。

不锈钢具有耐化学腐蚀、耐高温和力学性能良好等特性，由于其粉末成型性好、制备工艺简单且成本低廉，是最早应用于3D金属打印的材料。不锈钢具有各种不同的光面和磨砂面，常被用作珠宝、功能构件和小型雕刻品等的3D打印材料。

(3)高温合金。

镍基合金是一类发展最快、应用最广的高温合金，在650～1000 ℃高温下有较高的强度和一定的抗氧化腐蚀能力，广泛用于航空航天、石油化工、船舶、能源等领域。例如，镍基高温合金可以用在航空发动机的涡轮叶片与涡轮盘。常用的3D打印镍基合金牌号有Inconel625、Inconel718及Inconel939等。

钴基合金也可作为高温合金使用，由于钴基合金具有比钛合金更良好的生物相容性，目前多作为医用材料使用，用于牙科植入体和骨科植入体的制造。目前常用的3D打印钴基合金牌号有Co 212、Co 452、Co 502和CoCr28Mo6等[6]。

2015年，美国GE航天增材中心利用钴铬高温合金材料进行3D打印，生产出T25传感器壳体、燃油喷嘴等构件，并将其应用到空客发动机制造中，实现对飞机发动机燃料燃烧、动力的有效控制。我国在高温合金零部件的3D打印方面，中航迈特等公司也开发出Nickelalloy IN718(镍合金)、Si3N4、Mg4Al3等合金材料，用于航空航天零件、工业配件及雕刻品的制造，且具有形态稳定、强度高、质量轻等优点。

(4)铝合金。

镁铝合金因其质轻、强度高等优越性能，在制造业的轻量化需求中得到了大量应用。在3D打印技术中，它也毫不例外地成为各大制造商所中意的备选材料。3D打印铝合金零件组织致密、细小，力学性能则堪比铸件甚至优于铸造成型零件，且相较于传统工艺零部件其质量可减少22%，成本可减少30%。

(5)金。

3D打印的产品在时尚界的影响力越来越大。受益最大的似乎就是世界各地的珠宝设计师将3D打印快速原型技术作为一种强大且可方便替代其他制造方式的创意产业，除了利用3D打印设计制作金制品外，还有纯银和黄铜制品。

高分子材料

一直以来聚合物都是3D打印的热门材料，因其强度高、性能好、成本低而被广泛应用，目前最常用的是ABS、PA和光敏树脂UV。

热塑性高分子聚合物以其容易加工的特点发展最为成熟，多为丝状的耗材形式，主要包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(塑料，ABS)、聚碳酸酯(PC)、聚酰胺(尼龙，PA)、聚醚醚酮(PEEK)、聚乳酸(PLA)、聚已内酯(PCL)和光敏树脂[7]。

陶瓷

目前，3D打印陶瓷技术主要有喷墨打印技术(Ink-jet printing, IJP)、熔化沉积成型技术(Fused deposition modeling, FDM)、光固化成型技术(Stereo lithography, SLA)、分层实体制造技术(Laminated object manufacturing, LOM)和激光选区烧结技术(Selective laser sintering, SLS)。

硅酸铝陶瓷粉末为原料3D打印的陶瓷制品不透水、耐热(可达600 ℃)、可回收、无毒，但其强度不高，可作为理想的炊具、餐具(杯、碗、盘子、蛋杯和杯垫)和烛台、瓷砖、花瓶、艺术品等家居装饰材料。

氧化铝是市面上最常见的陶瓷原料。氧化铝陶瓷具备很多优点，如机械强度好、抗弯折、硬度高、耐磨损等。

磷酸三钙陶瓷材料近年来越来越广泛地应用于医疗领域。利用喷墨沉积3D打印技术可以实现磷酸三钙陶瓷支架的打印，并得以应用。利用3D打印技术生产的ZrO2义齿、TCP陶瓷支架、心脏起搏器泵等，可以有效辅助医生开展牙齿、骨组织、动脉血管等的治疗，帮助患者实现身体康复[8]。

复合材料

美国硅谷Arevo实验室实现了3D打印高强度碳纤维增强复合材料。相比于传统的挤出或注塑定型方法，3D打印时通过精确控制碳纤维的取向，优化特定机械、电和热性能，能够严格设定其综合性能。由于3D打印的复合材料零件一次只能制造一层，每一层可以实现任何所需的纤维取向，因此增强聚合物材料打印的复杂形状零部件具有出色的耐高温和抗化学性能。Arevo使用该材料有望打印“更轻、更强、更持久”的航空航天、国防和医疗应用的零部件产品[9]。

仿生3D打印材料

生物材料的3D打印技术，可以实现生物支架打印、细胞打印，还可以打印出活的细胞，以及聚合物药物生长因子，实现特定位置的3D打印技术。现今比较前沿的3D打印技术可以打印出生物组织和器官。通过选取合适的生物材料、活细胞等，可以直接在体外模拟真实形态的器官及血管网络并打印用于组织工程。基于3D打印高度集成化的特点，可以用于制备人造电子皮肤、肌肉乃至仿生机器人。

应用领域

基于3D打印这一新型的技术方法，有望实现快速大规模制备石墨烯基功能复合材料、生物医疗材料，制造高性能电子元件、柔性储能器件、智能传感器件等。3D打印在催化和吸附领域、凝汽器冷却管的应用等领域有着广阔的前景。

生物医疗领域

打印材料是制约3D打印发展的主要因素之一，目前应用于医学领域的3D打印材料主要包括工程塑料、金属、陶瓷、光敏树脂以及高分子凝胶等。生物医疗领域的应用包括生物医用支架材料的打印、人造组织器官的打印、组织器官模型制造、药物制作与筛查等[10]。

随着时间的发展，针对3D打印生物医学研究领域应用，人们对3D打印技术的研究逐渐增多，主要方向有：(1)体外医疗器械和医疗模型制造；(2)永久化、个性化的组织工程植入；(3)制作人体器官模型等，应用前景极为广泛。

体外医疗器械包括医疗模型、医疗器械——如假肢、助听器、齿科手术模板等。根据美国组织AmputeeCoalition的统计，目前美国约有200万人使用3D打印假肢[10]。

细胞3D打印技术是目前生物3D打印技术的最前沿技术，也是实现器官打印的最大潜在技术。例如，全球首枚“生物墨水”3D打印人类眼角膜问世。更高端一点的应用，如还可打印完全不成熟的细胞。Organovo公司宣称用3D打印机完整打印一个有正常生命机能的肝脏，为肝脏移植患者提供帮助。

智能制造

张海鸥团队研制的“智能微铸锻”技术，是将铸造、锻造、铣削三个典型的成形过程合在一起，即增材、等材、减材一体化的智能制造技术。基板上面是焊枪，熔化送入枪下面的金属丝，在熔化的金属还没有冷却时，趁热打铁对其进行连续的锻打。通过此技术在世界上首次实现了铸锻一体化3D打印，打印出高性能金属锻件[11]。这一技术的创新性在于改变国内外传统制造铸锻分离的历史，实现铸锻合一，边熔边锻，突破3D打印不能打印锻件的瓶颈；同时也颠覆了国内外传统机械制造工艺流程和装备，有望变革传统重工业制造方式，大幅度提高效率，降低成本，提升我国国防和民用制造技术水平。

食品领域

2011年7月，英国研发团队研制出世界上第一台3D巧克力打印机。这意味着3D打印技术可以在不久的将来改变人们制作食品的传统方式。食品3D打印在高品质、低容量食品制造方面表现出很大的优点，尤其对于食品的定制服务。将3D打印技术引入营养健康食品加工领域，采用多品种的原料混合复配，使蛋白、脂肪、碳水化合物、维生素、矿物质及其他功能因子等营养素成分按照需求比例加以平衡，在满足原料3D加工适宜性的前提下，打印成为营养均衡、美味可口、外观优美、方便食用的新型食品，实现对团体人群或个性化精准营养的配餐供应，应用前景十分广阔[12]。

航空航天领域

近年来，3D打印技术已广泛应用于国内外的航空航天领域，尤其是在大尺寸零件一体化制造、异型复杂结构件制造、变批量定制结构件的制造等方面显示出巨大的竞争优势。2016 年，美国五角大楼公布了一段关于蜂群无人机的视频资料。这种3D打印微型无人机既可以由F-16 和FA/18 战机发射，也可以由地面投掷或像弹弓一样的装置发射升空。同年，美国国家航空航天局(NASA)对3D打印出的火箭发动机涡轮泵进行了测试，3D打印方法允许NASA 在制造涡轮泵时少使用约45%的组件，使快速设计、制造和测试两种不同设计的火箭发动机涡轮泵成为可能，3D打印是NASA 包括火星探测在内的未来太空探索的核心所在，会进一步提高NASA执行未来太空探索任务的能力。

泰雷兹阿莱尼亚宇航公司(Thales Alenia Space)和法国3D打印服务公司Poly-Shape SAS采用3D打印制造的天线支架，已于2017年3月随通信卫星Koreasat-7发射升空，这是欧洲采用基于粉末床的金属激光熔融技术制造并送入太空轨道的最大体积零件。其尺寸为447 mm×204.5 mm×391 mm，质量却只有1.13 kg，可以称得上是真正的轻量化部件。

英国Rolle-Royce公司采用3D打印技术制造出TrentXWB-97航空发动机用钛合金前轴承机匣，该机匣尺寸为1500 mm×500 mm，含有48个翼面，是目前航空发动机上最大的3D打印部件，采用3D打印工艺可节省30%的制造时间。Rolle-Royce公司已经对若干个装有该大型部件的TrentXWB-97发动机进行了地面测试，并进行了试飞。还将在近三年采用3D打印方法修复发动机部件。

中国航天科技集团公司上海航天技术研究院研发出一种配备双波长激光器(长波的光纤激光器和短波的二氧化碳激光器)的航天激光金属3D打印机，可打印不锈钢、钛合金、镍基高温合金等，并成功打印出卫星星载设备的光学镜片支架。

中国航天科工三院306所技术人员成功突破TA15和Ti2AINb异种钛合金材料梯度过度复合技术，其采用激光3D打印试制出的具有大温度梯度一体化钛合金结构进气道实验件顺利通过了力热联合实验[13]。

海军舰艇

海上舰艇的日常维护中必不可免的要更换小型零件，在备战期间由于海上地理条件的限制，必要零件难以及时送达，利用3D打印技术快速制造舰艇零件，可以提升执行任务速度并降低成本。美国海军设想使用3D打印来快速制造必要零部件，如何使用3D技术加快这一转化过程是一个重要方向[14]。

核电领域

目前在核电领域，3D打印主要应用在以下方面：原型制造，产品快速研发迭代领域；复杂结构件一体化成型制造；核电厂用备品备件替换；核电部件表面改性、修复/功能屏蔽材料制造。

模具领域

快速模具制造是将3D打印运用到模具制造上的新方法，目前该方法已在工业生产中运用，并具有良好的使用前景。主要有两大类：一类是通过选择激光烧结/熔融(SLS/ SLM)等技术直接成形模具；一类是快速成形原型，通过金属喷涂等手段成形铸模的方法[15]。

3D打印适于小批量、形状相同、结构复杂的产品生产，而模具就具备这样的产品特性，通过实物和虚拟制造有机结合，可以提高模具设计水平，缩短生产周期，提高精准度，减少瑕疵品数量，其特殊材料也可延长模具使用寿命。

汽车制造业

在国外，3D打印技术在汽车零部件的研发和制造方面获得了广泛的应用。这些应用包括汽车仪表盘、装饰件、水箱、油管、车灯配件、进气管路等零件。奥迪、宝马、奔驰、通用、大众、丰田、保时捷等汽车企业都在研发使用3D打印技术。目前，国内包括长安福特、奇瑞汽车、神龙汽车、东风汽车公司、广西玉柴机器有限公司等在内的汽车企业及其零部件供应企业，在缸体、缸盖、变速器齿轮等零部件的研发和生产过程中也已经开始采用3D打印技术。

随着世界上第一辆纯3D打印的混合动力车—Urbee以及世界上第一辆3D打印赛车—Arion的问世，3D打印技术在汽车制造业越来越占据着举足轻重的地位。3D打印技术除了能大大提高生产效率以外，还能使汽车的发动机性能、外观造型、内饰设计等方面产生质的飞跃[16]。

硅谷公司AREVO已与精品自行车制造商Franco Bicles达成合作，为Ebikes Franco的新产品线提供世界上第一款由3D打印、连续碳纤维的一体式车架。Franco将以Emery品牌进行销售。2019年4月11—14日，该公司在加利福尼亚州蒙特利举行的海獭经典自行车活动上展示这款Emery ONE Ebike。

土木建筑领域

随着3D打印技术的日臻完善，人们不再只局限于小型物品，开始尝试体积大的实体打印。2014年，在上海制造出第一批3D打印房屋，打印原材料主要包括高标号水泥、建筑垃圾和玻璃纤维等。“百变”3D打印房屋和首座3D打印混凝土自行车桥问世。

在建筑业里，工程师和设计师能够使用3D打印设备制造建筑模型。这样快速、成本低、环保，同时制作精美，能够完全符合设计者的要求，同时也能节省大量的材料。

3D打印在景观设计中的运用，新型的3D 打印技术不仅在建筑领域扮演着重要角色，也逐渐走进现实的景观设计建造中[17]。

轨道交通领域

目前，结合3D打印技术本身的发展现状和轨道交通装备的现实需求，各装备制造企业已开始孵化应用方式多元化、服务模式多方位的发展格局，但基于技术本身的深入研究尚在探索之中。未来，随着原材料种类、设计拓扑优化、检测验证体系的进一步发展，3D打印技术将会发展成为轨道交通装备设计、开发、制造过程中的主要载体之一，来有效补充传统铸造、焊接、锻压技术的发展瓶颈，实现轨道交通轻量化、绿色化、智能化的远景目标[18]。

功能性纺织品领域

可将3D打印材料置于纺织品内部或外部，赋予纺织品新的功能特性。3D结构可黏附在纺织品表面，通过相应功能材料的添加，使纺织品具备期望的物理化学特性。2016年，以色列Nano Dimension公司与一家欧洲的功能性纺织品公司合作，尝试在织物上打印导线，成功获得了具备导电功能的织物。英国Tamicare公司开发出一个制造系统Cosyflex，用于生产3D打印智能纺织品，其可将传感器和导线与织物同时进行打印，制造出一系列导电纺织品[19]。

激光3D打印玻璃应用

有关激光3D打印玻璃的技术仍处于研发阶段，但可以预见，将来的应用前景十分广泛，除了可打印结构复杂、精细度高的精美玻璃制品之外，还可用于打印微流控芯片、光学衍射器件、透镜等精密光学元器件。

考古文物领域

3D打印技术在考古文物领域主要用于修复已经破损的古文物。在应用3D打印技术进行文物修复时，需要使用3D扫描仪扫描破损文物，完成数据采集，并处理数据，建立相应的模型之后进行打印。

教育行业

3D打印技术也为教育的发展开启一个新的方向，许多教育机构和组织正探索如何将3D 技术应用到教育、教学中。学生在学习的过程中不仅可以体会到新技术带来的便利性，而且还可以提高他们的创新性和促进他们学习的积极性[20]。

结束语

3D打印技术的出现和快速发展，伴随着打印材料日益丰富和日趋便宜，将会在各行各业引起广泛应用，预示着工业上会产生一个新的革命，许多产品部件将不再按传统的方式被冲压或浇铸出来；建筑设计上也将不再是纸面上的图型原版，而是全方位立体的实际呈现，将虚拟与现实紧密结合起来；在医用上，假牙、膝盖骨、股骨头的制作等等。3D打印技术的发展对打印材料提出了更高的要求，3D打印材料势必向着力学性能更好、加工性能更高、功能多样化的方向发展。我国的3D打印装备技术水平与国际先进水平差距较小，但在3D打印材料方面差距较大。