《中國新材料研究前沿報(bào)告2021》增材制造材料——增材制造材料與技術(shù)近期發(fā)展重點(diǎn)

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(shù)的近期發(fā)展重點(diǎn)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(diǎn)，建議圍繞增材制造材料方向最有價(jià)值的科學(xué)、技術(shù)和產(chǎn)業(yè)問題，進(jìn)行系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)與有效的組織實(shí)施。

4.3.1 / 推進(jìn)系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)與有效的組織實(shí)施
根據(jù)我國增材制造行業(yè)當(dāng)前的優(yōu)勢(shì)和短板，近期發(fā)展的戰(zhàn)略重點(diǎn)首先應(yīng)該是進(jìn)行系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)，并有效地組織我國增材制造領(lǐng)域龐大的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)力量，圍繞增材制造材料方向最有價(jià)值的科學(xué)、技術(shù)和產(chǎn)業(yè)問題進(jìn)行研究和發(fā)展。在中央政府層面，應(yīng)當(dāng)把增材制造作為一個(gè)綜合性的重大新技術(shù)來安排國家科技支持計(jì)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(xiàng)目的局面。或者在未來新的可能實(shí)施的材料類重大專項(xiàng)中，把增材制造材料作為一個(gè)重要方向予以支持。在增材制造領(lǐng)域已經(jīng)有很多布局和應(yīng)用的航空航天大型單位、已有的重要研發(fā)平臺(tái)，特別是國家級(jí)平臺(tái)層面，可以根據(jù)中國國情并借鑒發(fā)達(dá)國家經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行與自己相關(guān)領(lǐng)域的增材制造材料發(fā)展的頂層設(shè)計(jì)和組織實(shí)施。實(shí)際上，我國當(dāng)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(jìn)行協(xié)同創(chuàng)新的國家級(jí)平臺(tái)。率先布局這種實(shí)質(zhì)性的國家級(jí)行業(yè)發(fā)展平臺(tái)的地區(qū)，將通過支撐中國增材制造技術(shù)與材料在世界級(jí)競(jìng)爭(zhēng)中的跨越式發(fā)展，而對(duì)區(qū)域創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到重要支持作用。

4.3.2 / 強(qiáng)化增材制造材料科學(xué)研究
從科學(xué)基礎(chǔ)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(jìn)的增材制造材料技術(shù)， 增強(qiáng)我國增材制造材料技術(shù)的原始創(chuàng)新能力，更充分地發(fā)揮增材制造技術(shù)優(yōu)越性的根本保證。

增材制造材料存在一些共性的科學(xué)問題，各類增材制造材料還有其特殊關(guān)注的重點(diǎn)科學(xué)問題。需要重點(diǎn)關(guān)注的增材制造共性的材料科學(xué)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(cè)與評(píng)價(jià)方法的科學(xué)基礎(chǔ)。作為一種全新的制造技術(shù)，不能完全采用已有的檢測(cè)與評(píng)價(jià)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(duì)增材制造材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)的可靠科學(xué)基礎(chǔ)，才能形成增材制造可以廣泛應(yīng)用的系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)體系，解決當(dāng)前增材制造在很多領(lǐng)域還不能推廣應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵障礙。

金屬增材制造需要重點(diǎn)關(guān)注的材料科學(xué)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(yīng)力耦合機(jī)制及變形、開裂機(jī)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(gòu)件強(qiáng)韌化機(jī)理；增材制造冶金缺陷形成機(jī)制和評(píng)價(jià)方法。深刻理解這些科學(xué)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(xué)基礎(chǔ)。

高分子增材制造需要重點(diǎn)關(guān)注的材料科學(xué)問題包括：增材制造過程中高分子材料的流變、 結(jié)晶、固化、降解等規(guī)律，特別是熱、力歷史對(duì)上述行為的影響機(jī)理；打印件在不同載荷和長期服役條件下的力學(xué)、化學(xué)、物理響應(yīng)行為。深刻理解這些科學(xué)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(xué)基礎(chǔ)。

生物醫(yī)學(xué)增材制造需要重點(diǎn)關(guān)注的材料科學(xué)問題包括：生物增材制造過程中，打印材料與活性物（蛋白質(zhì)、核酸等）及活體物（細(xì)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(yīng)答、生長發(fā)育等基本材料及生物學(xué)問題；研究打印材料在人體生理動(dòng)、 靜態(tài)下的失效模式，材料降解行為及降解產(chǎn)物在人體內(nèi)長期安全性等重要問題。這些科學(xué)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(diǎn)發(fā)展可以推動(dòng)增材制造技術(shù)重大進(jìn)步的增材制造材料技術(shù)

（1）增材制造專用材料設(shè)計(jì)
根據(jù)增材制造工藝特性，設(shè)計(jì)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(yīng)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(guān)注：適合于 SLM 技術(shù)應(yīng)用的 500 ～ 600MPa 級(jí)別的鋁合金材料；適合于 SLM 和 DED 技術(shù)應(yīng)用的航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)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(shù)，綜合性能（特別是低周疲勞性能）達(dá) 到鍛件水平的鈦合金材料；適合于 SLM 和 DED 技術(shù)應(yīng)用的2000MPa 以上級(jí)別的鋼鐵材料。

② 在增材制造高分子材料方面，特別關(guān)注：具有低黏度、高性能（高強(qiáng)度、高模量和耐 高溫）、可以實(shí)現(xiàn)高精度打印的光敏樹脂及其復(fù)合樹脂；適用于 ME 技術(shù)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(shù)的具有高流動(dòng)性（粉體 / 熔體）、高復(fù)用率、寬燒結(jié)窗口、高力學(xué)性能、低成本的高分子粉體材料。

③ 在增材制造生物醫(yī)學(xué)材料方面，特別關(guān)注：具有高純凈度、高質(zhì)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(shù)
增材制造材料的信息化處理的目標(biāo)是，實(shí)現(xiàn)從零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料配制、打印工藝、零件服役全鏈條、全生命周期的數(shù)據(jù)化，獲取增材制造的材料、結(jié)構(gòu)、工藝、質(zhì)量和服役信息的大數(shù)據(jù)，借助集成計(jì)算和人工智能分析方法，建立增材制造的材料、結(jié)構(gòu)、工藝、質(zhì)量控制和服役性能不斷優(yōu)化的集成技術(shù)體系。

當(dāng)前的零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主流軟件，一般只能處理單一材料均勻性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不能發(fā)揮增材制造技術(shù)最重要的優(yōu)勢(shì)。增材制造當(dāng)前正在朝向“材料 - 結(jié)構(gòu) - 性能一體化增材制造” 發(fā)展，需要能夠?qū)崿F(xiàn)多材料、多功能、多尺度和多層次處理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件。

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

根據(jù)打印件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料信息和打印工藝設(shè)計(jì)，建立增材制造過程的“數(shù)字孿生”模 型，是實(shí)現(xiàn)增材制造過程完備的信息化處理的重要手段。當(dāng)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(jié)構(gòu)和打印過程參數(shù)與相關(guān)物理場(chǎng)和化學(xué)場(chǎng)的演變歷史�？梢灶A(yù)計(jì)，傳統(tǒng)的數(shù)值仿真方法在相當(dāng)長的時(shí)間里還不能單獨(dú)支撐建立增材制造過程的“數(shù)字孿生”模型。因此，需要結(jié)合當(dāng)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(jù)，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(duì)增材制造過程進(jìn)行充分的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，獲取盡可能完備的過程參數(shù)，是增材制造材料大數(shù)據(jù)的核心內(nèi)容，也是與當(dāng)前“數(shù)字孿生”模型耦合促其迭代優(yōu)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。增材制造結(jié)構(gòu)件在服役過程中的材料行為，也是增材制造材料大數(shù)據(jù)的重要組成部分。

（3）當(dāng)前一些需要重點(diǎn)關(guān)注的增材制造材料技術(shù)
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(shù)。粉末床黏結(jié)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(shù)，它的成功有可能大幅度擴(kuò)展金屬 3D 打印的應(yīng)用領(lǐng)域，例如應(yīng)用到普通汽車或一般機(jī)械工業(yè)的金屬零件制造。這項(xiàng)技術(shù)當(dāng)前亟需解決的難題是多孔金屬坯體在后續(xù)燒結(jié)致密化過程中的大幅度體積收縮很容易導(dǎo)致零件的變形。粉末床黏結(jié)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(zhuǎn)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(dá)到近凈尺寸致密化，也是需要重點(diǎn)關(guān)注的 3D 打印多孔坯體致密化技術(shù)。同時(shí)，這種致密化技術(shù)還需要特別關(guān)注如何達(dá)到與燒結(jié)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(shù)，可以大幅度提高打印效率，同時(shí)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(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。當(dāng)前典型的高分子面成形打 技術(shù)包括光固化打印里的 CLIP 技術(shù)和 DLP 技術(shù)，粉末床打印里的惠普 MJF 技術(shù)和 EOS 的 LPF 技術(shù)等。面成形打印技術(shù)發(fā)展的一個(gè)十分重要的目標(biāo)，是使高分子 3D 打印可以部分 進(jìn)入高端注塑件的領(lǐng)域，從而極大地?cái)U(kuò)展高分子材料 3D 打印的市場(chǎng)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(shù)，則有望覆蓋極寬的原材料范圍，而且可以達(dá)到同注塑原材料同樣的成本，這應(yīng)該是十分值得關(guān)注的高分子材料3D打印技術(shù)。

③ 我國在增材制造生物醫(yī)學(xué)材料原材料開發(fā)及打印工藝關(guān)鍵技術(shù)方面部分達(dá)到國際并跑甚至國際領(lǐng)先水平，但該領(lǐng)域的原材料產(chǎn)業(yè)化程度較低，仍長期被進(jìn)口壟斷。因此，亟需開展現(xiàn)有生物 3D 打印原材料的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化關(guān)鍵技術(shù)研究，針對(duì)國內(nèi)已部分實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的聚己內(nèi)酯、聚乳酸等有機(jī)高分子材料，開展質(zhì)量控制、批量穩(wěn)定制備等產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化技術(shù)研究，解決國 內(nèi)現(xiàn)有材料穩(wěn)定性差、純凈度低等“卡脖子”問題，打破“進(jìn)口依賴”困境。同時(shí)，開展新型生物 3D 打印材料開發(fā)與改進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)研究。以生物功能性為導(dǎo)向，攻關(guān)改性水凝膠、類基質(zhì)功能材料等新型材料體系的高生物相容性、高仿生改進(jìn)技術(shù)，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(shù)，提升材料生物相容性、可打印性與打印結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、力學(xué)性能等。

④ 在微納 3D 打印材料技術(shù)方面，重點(diǎn)關(guān)注：面向微細(xì)電路 3D 打印的高性能導(dǎo)電材料和介電材料的研制，尤其是低溫?zé)�結(jié)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(shí)現(xiàn)高效大尺寸亞微米尺度結(jié)構(gòu)制造的微立體光刻 3D 打印新技術(shù)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(shù)和新材料；發(fā)展高生物活性材料的微納增 材制造方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體組織內(nèi)的微納結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)重建。