【前沿评论】3D 打印的材料之殇
来源：《新材料产业》，作者：曾昆
随着3D 打印技术的不断进步和成熟，它在航空航天、生物医药、建筑等领域的应用逐步拓宽，其方便快捷、能够提高材料利用率等优势不断显现，与传统制造的结合也更加紧密，不断推动传统制造业的转型升级。目前，我国的3D 打印技术在某些领域处于世界领先水平，但在产业化应用方面与国外的差距较大，除了产学研用相脱节等问题，上游原材料制约也是阻碍3D打印产业化发展的重要原因。
2.种类有增多趋势，应用领域逐步拓宽 随着3D 打印需求的日益增加，可用的材料种类逐渐增多，从最初的树脂、塑料拓展到金属、陶瓷等。目前，可供3D 打印使用的材料主要有3大类：一类是金属材料，如钛合金、铜铝合金、镍铬合金等，应用于航空航天、医药等高端领域；一类是高分子材料，如ABS 、PLA、PC、尼龙粉、石膏粉、光敏树脂、PVC 等；还有一类是无机非金属，如陶瓷。3D 打印材料种类的增加直接带动了下游应用领域的拓展，如钛合金和不锈钢材料在3D 打印领域的使用，促使波音公司尝试使用3D 打印技术来生产飞机机翼，而我国也已经能够使用3D 技术生产飞机钛合金铸件。
3.需求不断增加，市场价值日益凸显 随着3D 打印技术的成熟和市场开拓力度的加大，3D 打印的需求不断增加，市场价值逐渐提升。从品种来看，金属和塑料的需求较高，如2012 年塑料材料市场需求达到7000 万美元。有专家估算，到2018 年，来自金属和塑料材料的市场需求将达到4 亿美元，其中塑料市场需求规模将达到2 亿美元；2013-2018 年，塑料市场需求将保持20% 左右的增长。从应用领域来看，医疗和牙科领域市场需求较高， 其次是珠宝首饰、建筑、航空航天、汽车等领域。从区域分布来看，美国、日本、中国、英国、德国对3D 打印材料的需求较大，2012 年北美和亚太地区3D 打印材料销售收入占全球的68% 。其中，北美地区市场收入最高，其次是亚太地区。预计，未来随着3D 打印在亚太地区的推广，亚洲有望成为3D 打印材料需求增长最快的地区。
2.可用材料种类偏少，难以满足3D 打印需求 目前，无论是从家用还是工业用的角度来看，与种类繁多、用途广泛的传统材料相比，3D 打印材料的种类都比较少，无法满足普通民众和工业生产的需求。比如，适用于家用3D 打印的材料主要有石膏、光敏树脂、塑料等；适用于工业用3D 打印的金属材料有10 多种，并且只有专用的金属粉末材料才能满足工业生产要求。即使是掌握打印材料最多的以色列Object 公司，也仅能在14 种基本材料基础上组合出107 种材料，这与工业和民用领域成千上万种材料需求相比还远远不够。
3.材料成本较高，限制了应用领域 尽管3D 打印减少了切削、成型等方面的制造成本，却增加了材料、软件、设计等环节的成本，其中对材料成本的影响较大。由于适用于3D 打印技术的材料有限，并且现阶段的3D 打印更多是为了满足个性化生产需求，材料的专用性较强，无法实现规模化生产，这也致使3D 打印材料成本居高不下。比如，2013 年7 月由美国北卡罗来纳州立大学研究出来的可用于液态打印的金属材料价格大约是塑料的100 倍，要想通过该材料来实现生产柔性金属设备，如何降低材料成本就成为关键。较高的材料成本也限制了3D 打印的应用，特别是在民用领域的应用，比如一台民用3D 打印机的价格在2万元左右，而材料的价格却从最便宜的每千克几百元到最贵的四万元左右不等。
4.我国部分3D 打印材料依赖进口，限制了产业化应用 由于3D 打印技术还处于起步发展阶段，产业规模偏小，所以国内专业从事3D 打印材料生产的企业不多。同时，3D 打印材料也大多由3D 打印设备制造企业直接提供，没有实现第三方供应，部分材料国内还没有生产，或是生产的材料精度和强度都较低，难以满足实际应用需要，只能进口。国内3D 打印材料技术研发基础比较薄弱，光面树脂就遇到研发时间长、材料配比技术难掌握等研发难题，不得不从国外进口实验材料。有关3D 打印用粉末材料的研究少，对粉末成份、物理性能对3D 打印技术的影响及适应性的研究还没有广泛开展，也限制了3D 打印技术的产业化应用。此外，国外对部分3D 打印材料采取搭售策略，如在销售3D 打印设备时搭售价格较高的金属粉末材料，限制了我国3D 打印材料生产企业的发展，致使对外依赖性较高。
1.加强3D 打印材料标准和政策的研究制定 一是加强材料—结构—属性之间的关系研究，提高3D 打印材料性能以满足生产需要；利用研究机构、材料生产企业等多方力量，鼓励他们提供有关3D 打印材料性能的相关数据，加强3D 打印材料标准战略和预先研究，加快3D 打印材料规范性标准的制定和修订，同步开展3D 打印产业上下游各环节、各类产品标准的制定，最终形成3D 打印产业领域标准全面覆盖的局面。二是建立并完善3D 打印材料技术标准体系，提升标准技术水平，完善标准复审制度，实现3D 打印材料行业标准复审的制度化和常态化；开发3D 打印材料质量测试程序和方法，建立行业统一的质量标准体系，保证材料的稳定性和可靠性。三是加强3D 打印材料相关政策的研究，适时出台推动3D 打印材料发展的产业、财政、金融政策，为3D 打印材料发展创造良好的政策环境。
2.加大3D 打印材料研发和人才培养力度 一是加大3D 打印材料的研发投入，借助3D 打印市场规模扩大趋势，发挥企业市场主体的作用，提高企业研发积极性。要鼓励传统材料生产企业参与3D 打印材料的研发和生产，逐步增加研发投入，扩大生产规模。二是发挥科研机构、高校的科研优势，加强与企业的交流合作，通过产学研合作，推动3D 打印材料科研成果的产业化应用。三是加强3D 打印材料人才的培养，一方面，从3D 打印材料研发实力雄厚和市场应用较广的美国、日本等国家引入高端复合型人才，提高国内3D 打印材料研发应用的整体水平；另一方面，通过自主培养方式，加强对科研院所、高校、企业专业型人才的培养与培训，鼓励材料研发人员之间加强交流，利用干中学机会，加强产学研合作，提升我国3D 材料研发和应用水平。
3.推动3D 打印产业上下游领域多方位合作 鉴于3D 打印材料对生产设备和产品的高度依赖性和专用性，要通过加强上游材料、3D 打印机设备，以及下游产品等各个环节的交流合作，推动3D 打印逐步在某些领域实现规模化生产，进而带动材料的规模化生产，降低材料成本。一是鼓励3D 打印材料企业加强与3D 打印设备生产商、下游产品生产商的交流合作，以下游需求为导向，研发生产有市场前景的3D 打印材料，二是鼓励有优势的材料生产企业向下游拓展产业链，加强3D 打印设备或3D 打印制品的研发与生产，积极抢占发展先机。通过上下游合作，逐步形成材料—制造—装备—应用协同发展的全产业链发展模式，壮大3D 打印材料规模，逐步降低3D 打印材料成本，带动3D 打印产业的整体发展。
4.提高我国3D 打印材料的供给保障能力 一是加大“走出去”力度，积极到国外开拓3D 打印材料供给渠道，通过与美国、欧洲、日本等3D 打印材料发展较成熟的国家和地区交流合作，建立长期稳定的原材料供给机制，确保我国3D 打印材料的供给稳定。二是发挥政府的引导调控功能，通过给予税收、金融等优惠政策，吸引更多的企业参与3D 打印材料的生产，扶植国内3D 打印材料企业的成长和壮大，逐步降低对关键材料的进口依赖，提高国内3D 打印材料的自给率。
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一、3D打印简介
3D打印技术从狭义上来说主要是指增材成型技术，是快速成型技术的一种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被誉为“第三次工业革命”的核心技术。从成型工艺上看3D打印突破了传统成型方法，无需先行制作模具和机械加工，通过快速自动成型硬件系统与CAD软件模型结合就能够制造出各种形状复杂的产品，这使得产品的设计生产周期大大缩短，生产成本大幅下降。
3D打印目前的研究热点主要集中在材料和设备，其中设备分为硬件、软件部分：
材料：包括树脂、金属、陶瓷、塑料或天然材料等，通过3D打印技术，这些材料最终将变成实在的功能产品。
设备：硬件系统将材料按照软件（设计数据和制作数据）的要求实现产品成型。
下面将逐一分别介绍：
二、3D打印常用材料
材料是3D打印的物质基础，也是当前制约3D打印发展的瓶颈。3D打印所用的这些原材料都是专门针对3D打印设备和工艺而研发的，其形态一般有粉末状、丝状、层片状、液体状等。通常，根据打印设备的类型及操作条件的不同，所使用的粉末状3D打印材料的粒径为1～100μｍ不等，而为了使粉末保持良好的流动性，一般要求粉末要具有高球形度。
目前，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。
工程塑料指被用做工业零件或外壳材料的工业用塑料，是强度、耐冲击性、耐热性、硬度及抗老化性均优的塑料。工程塑料是当前应用最广泛的一类3D打印材料，常见的有ABS类材料、PC类材料、尼龙类材料等。ABS材料是fused deposition modeling（FDM，熔融沉积造型）快速成型工艺常用的热塑性工程塑料，具有强度高、韧性好、耐冲击等优点。
光敏树脂即UV树脂，由聚合物单体与预聚体组成，其中加有光（紫外光）引发剂（或称为光敏剂）。在一定波长的紫外光（250０～300ｎｍ）照射下能立刻引起聚合反应完成固化。光敏树脂一般为液态，可用于制作高强度、耐高温、防水材料。目前，研究光敏材料3D打印技术的主要有美国3Dsystem公司和以色列object公司。常见的光敏树脂有somos NEXT材料、树脂somos11122材料、somos19120材料和环氧树脂。
橡胶类材料具备多种级别弹性材料的特征，这些材料所具备的硬度、断裂伸长率、抗撕裂强度和拉伸强度，使其非常适合于要求防滑或柔软表面的应用领域。3D打印的橡胶类产品主要有消费类电子产品、医疗设备以及汽车内饰、轮胎、垫片等。
金属材料：在国防领域，欧美发达国家非常重视3D打印技术的发展，不惜投入巨资加以研究，而3D打印金属零部件一直是研究和应用的重点。3D打印所使用的金属粉末一般要求纯净度高、球形度好、粒径分布窄、氧含量低。目前，应用于3D打印的金属粉末材料主要有钛合金、钴铬合金、不锈钢和铝合金材料等。
陶瓷材料具有高强度、高硬度、耐高温、低密度、化学稳定性好、耐腐蚀等优异特性，在航空航天、汽车、生物等行业有着广泛的应用。但由于陶瓷材料硬而脆的特点使其成形尤其困难。
（1）3D打印用的陶瓷粉末是陶瓷粉末和某一种粘结剂粉末所组成的混合物。陶瓷粉末和粘结剂粉末的配比会影响到陶瓷零部件的性能。粘结剂份量越多，固化比较容易，但在后置处理过程中零件收缩比较大，会影响零件的尺寸精度。粘结剂份量少，则不易固化成形。
（2）由于光敏树脂的熔点较低，液态树脂具有高粘性而导致流动性较差，在每层固化之后液面很难在短时间内迅速抚平，这样将会影响到实体的成型精度。
（3）瓷粉末在激光直接快速烧结时液相表面张力大，在快速凝固过程中会产生较大的热应力，从而形成较多微裂纹。
目前，国内陶瓷直接快速成形工艺尚未成熟，正处于研究阶段。
三、3D打印设备技术
３Ｄ打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。
1）信息技术先进的设计软件及数字 化工具，辅助设计人员制作出产品的三维数字模型，并根据模型自动分析出打印的工序，自动控制打印器材的走向。
２）精密机械，３Ｄ打印技术以“每层的叠加”为加工方式，产品的生产要求高精度，必须对打印设备的精准程度、稳定性有较高的要求。
根据成型原理的差异我们主要介绍一下几种常用的3D打印技术：
1、分层实体成型工艺（LOM），这是历史最为悠久的3D打印成型技术。LOM技术成型多使用纸材、PVC薄膜等材料，价格低廉且成型精度高。如图所示为LOM技术的基本原理
（1）分层实体成型系统主要包括计算机、数控系统、原材料存储与运送部件、热粘压部件、激光切系统、可升降工作台等部分组成。
（2）其中计算机负责接收和存储成型工件的三维模型数据，这些数据主要是沿模型高度方向提取的一系列截面轮廓。原材料存储与运送部件将把存储在其中的原材料（底面涂有粘合剂的薄膜材料）逐步送至工作台上方。
（3）激光切割器将沿着工件截面轮廓线对薄膜进行切割，可升降的工作台能支撑成型的工件，并在每层成型之后降低一个材料厚度以便送进将要进行粘合和切割的新一层材料，最后热粘压部件将会一层一层地把成型区域的薄膜粘合在一起，就这样重复上述的步骤直到工件完全成型。
2、立体光固化成型工艺（SLA），是目前世界上研究最为深入、技术最为成熟、应用最为广泛的一种3D打印技术。SLA工艺以光敏树脂作为材料，在系统控制下紫外激光将对液态的光敏树脂进行扫描从而让其逐层凝固成型，SLA工艺能以简洁且全自动的方式制造出精度极高的几何立体模型。如图所示为SLA技术的基本原理：
（1）液槽中会先盛满液态的光敏树脂，氦—镉激光器或氩离子激光器发射出的紫外激光束在计算机的操纵下按工件的分层截面数据在液态的光敏树脂表面进行逐行逐点扫描，这使扫描区域的树脂薄层产生聚合反应而固化从形成工件的一个薄层。
（2）当一层树脂固化完毕后，工作台将下移一个层厚的距离以使在原先固化好的树脂表面上再覆盖一层新的液态树脂，刮板将粘度较大的树脂液面刮平然后再进行下一层的激光扫描固化。因为液态树脂具有高粘性而导致流动性较差，在每层固化之后液面很难在短时间内迅速抚平，这样将会影响到实体的成型精度。采用刮板刮平后所需要的液态树脂将会均匀地涂在上一叠层上，这样经过激光固化后将可以得到较好的精度，也能使成型工件的表面更加光滑平整。
（3）新固化的一层将牢固地粘合在前一层上，如此重复直至整个工件层叠完毕，这样最后就能得到一个完整的立体模型。
3、选择性激光烧结工艺（SLS）：SLS工艺使用的是粉末状材料，激光器在计算机的操控下对粉末进行扫描照射而实现材料的烧结粘合，就这样材料层层堆积实现成型，如图所示为SLS的成型原理：
（1）先采用压辊将一层粉末平铺到已成型工件的上表面，数控系统操控激光束按照该层截面轮廓在粉层上进行扫描照射而使粉末的温度升至熔化点，从而进行烧结并于下面已成型的部分实现粘合。
（2）当一层截面烧结完后工作台将下降一个层厚，这时压辊又会均匀地在上面铺上一层粉末并开始新一层截面的烧结，如此反复操作直接工件完全成型。
（3）在成型的过程中，未经烧结的粉末对模型的空腔和悬臂起着支撑的作用，因此SLS成型的工件不需要像SLA成型的工件那样需要支撑结构。SLS工艺使用的材料与SLA相比相对丰富些，主要有石蜡、聚碳酸酯、尼龙、纤细尼龙、合成尼龙、陶瓷甚至还可以是金属。
（4）当工件完全成型并完全冷却后，工作台将上升至原来的高度，此时需要把工件取出使用刷子或压缩空气把模型表层的粉末去掉。
4、熔融沉积成型工艺（FDM）将丝状的热熔性材料进行加热融化，通过带有微细喷嘴的挤出机把材料挤出来，熔融的丝材被挤出后随即会和前一层材料粘合在一起。一层材料沉积后工作台将按预定的增量下降一个厚度，然后重复以上的步骤直到工件完全成型。FDM的详细技术原理：
（1）热熔性丝材（通常为ABS或PLA材料）先被缠绕在供料辊上，由步进电机驱动辊子旋转，丝材在主动辊与从动辊的摩擦力作用下向挤出机喷头送出。在供料辊和喷头之间有一导向套，导向套采用低摩擦力材料制成以便丝材能够顺利准确地由供料辊送到喷头的内腔。
（2）喷头的上方有电阻丝式加热器，在加热器的作用下丝材被加热到熔融状态，然后通过挤出机把材料挤压到工作台上，材料冷却后便形形成了工件的截面轮廓。
5、三维印刷工艺（3DP），工作原理类似于喷墨打印机，与SLS工艺也有着类似的地方，采用的都是粉末状的材料，如陶瓷、金属、塑料，但与其不同的是3DP使用的粉末并不是通过激光烧结粘合在一起的，而是通过喷头喷射粘合剂将工件的截面“打印”出来并一层层堆积成型的，如图所示为3DP的技术原理：
首先设备会把工作槽中的粉末铺平，接着喷头会按照指定的路径将液态粘合剂（如硅胶）喷射在预先粉层上的指定区域中，此后不断重复上述步骤直到工件完全成型后除去模型上多余的粉末材料即可。3DP技术成型速度非常快，适用于制造结构复杂的工件，也适用于制作复合材料或非均匀材质材料的零件。
6、PolyJet技术也是当前最为先进的3D打印技术之一，与3DP有点类似，不过喷射的不是粘合剂而是聚合成型材料，如图所示为PolyJet聚合物喷射系统的结构：
（1）PolyJet的喷射打印头沿X轴方向来回运动，工作原理与喷墨打印机十分类似，不同的是喷头喷射的不是墨水而是光敏聚合物。当光敏聚合材料被喷射到工作台上后，UV紫外光灯将沿着喷头工作的方向发射出UV紫外光对光敏聚合材料进行固化。
（2）完成一层的喷射打印和固化后，设备内置的工作台会极其精准地下降一个成型层厚，喷头继续喷射光敏聚合材料进行下一层的打印和固化。就这样一层接一层，直到整个工件打印制作完成。
四、3D打印优势与缺陷
1、 优势：
如前所述，与传统制造技术相比，3D打印不必事先制造模具，不必在制造过程中去除大量的材料，也不必通过复杂的锻造工艺就可以得到最终产品，因此，在生产上可以实现结构优化、节约材料和节省能源。3D打印技术适合于新产品开发、快速单件及小批量零件制造、复杂形状零件的制造、模具的设计与制造等，也适合于难加工材料的制造、外形设计检查、装配检验和快速反求工程等。
另外在材料合成上，与传统相比，3D打印将获得更高的灵活性和有效性。这是未来3D打印发展的新领域。
3D打印：
3D打印的共同目标是实现从一台机器中打印出各种复合材料，一次性为项目实现多重制造属性。然而，细观结构材料技术允许我们获得更多单一材料之外的利用价值。相比较于对不同的性能便要依赖不一样的材料，设计师可以利用细观结构材料技术来创造一种拥有各种所需的性能特点的物体。
2、缺陷
（1）3D产品难以批量复制。3D在个性化乃至小规模生产中独具特色，但是在批量生产方面无法实现。
（2）制作过程相对复杂，尤其是对于复杂结构的产品，需要各种结构信息的采集，打印设备的矫正。
（3）材料的突破。3D打印可以应用到很多场景，但是材料和打印工艺、技术与传统制造工艺相比没有优势，这些需要产业界更好的协作推进。
（4）成本较高，不可复制性也是成本提升的重要原因之一。技术标准、政策体系不够完善，教育和培训制度急需加强，专业人才比较缺乏。
（5）实用性不强，对于一些产品往往只能打印外壳或者样机，无法像原型样机那样具有产品的全部功能。
作为快速成型机，3D是用于完成各类制造工程中等级最低的共通部分。这导致的结果是，这些机器可以做很多事，但做得好的却极少。这不是因为材料特殊或控制太先进复杂而造成的困境。而真正制约3D打印技术创新的是我们看待这些技术的方式：只把它看作单一的部件制造，而缺乏系统性。
五、市场分析
美国消费者技术协会(CTA)与联合包裹服务(UPS)近日联合发布名为《3D打印：工业生产下一场革命》的报告，预测未来4年这个市场营收将增长2倍达到210亿美元。去年，3D打印市场价值增长了30%。
3D打印行业今年市场价值将达到73亿美元，包括打印机器、材料以及打印服务等。到2020年，这个行业的价值有望达到210亿美元。其中，消费电子与汽车行业将推动3D打印行业增长40%，医疗设备则推动其增长15%。举例来说，全球98%的助听器正使用3D打印技术制造。
报告中称，目前2/3的制造商已经在某种程度上使用3D打印技术，25%的制造商计划将来采用这种技术。企业采用3D打印技术的最大原因包括：制作原型(占比25%)、产品开发(占比16%)以及创新(占比11%)。
早期采用3D打印技术的企业主要利用其制作产品原型。事实上，3D打印仅占全球制造业市场的0.04%，而且制作原型是最常见使用方式。研究公司Wohlers Associates认为，3D打印技术最终将占全球制造业市场的5%，即其代表6400亿美元的巨大机遇。
六、展望
从应用的角度看，过去十年里，涉及到3D打印的专利申请数量已飙升超过800％，而专利授权数量也大幅上升。目前3D打印仅占全球制造业市场的0.04%，与十万亿美元级别的制造市场相比，差距明显。
不过，与高效率的大规模标准化生产相比，3D打印有其本身的优势，它可以实现定制化甚至以相同的成本来生产个性化的产品，带给消费者更多的个人价值（不会因为产品规模化而价格下降）。在定制化、个性化以及形状复杂化领域包括大规模生产没有利润空间的产品领域，3D打印可以大显身手。未来，3D打印可以在时装、航空航天、医药卫生、食品等定制化需求强盛的领域创造强大的产品类目。
从长远角度看，3D打印将为我们带来分散式的生产工具，分散式的社会化大协作将再次成为主题，未来展现在我们面前的是个性化与社会化创造的时代。3D打印将创建一个全新的功能强大的产品类别，以消除对复杂的供应链和过度浪费的依赖，同时分散生产，财富和知识的潜力。3D打印可以帮助建立一个以生产和消费紧密结合为特征的分散的，自力更生的经济体。
（来源： Medtec China）