《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(shù) 2035 年展望

作者：黃衛(wèi)東、王理林、王猛
來源：日新材料

4.4增材制造材料與技術(shù) 2035 年展望與未來

按照當(dāng)前的發(fā)展速度，到 2035 年中國增材制造產(chǎn)業(yè)的總產(chǎn)值將突破萬億元人民幣，其中，增材制造材料的總產(chǎn)值將超過 2700 億元人民幣，預(yù)計增材制造材料的種類可以擴展 10 倍以上。增材制造行業(yè)的發(fā)展速度，還可能因為一些重大的技術(shù)進步而出現(xiàn)爆發(fā)式增長。

航空航天工業(yè)將因為增材制造材料與技術(shù)的發(fā)展而實現(xiàn)革命性進步，相應(yīng)地也將促進增材制造在航空航天工業(yè)中的普及式應(yīng)用。增材制造支撐的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計，已經(jīng)在航空航天結(jié)構(gòu)減重和一些重要功能實現(xiàn)中展示了巨大的價值，但因為當(dāng)前增材制造材料性能在很多方面還不能充分滿足航空航天應(yīng)用的嚴(yán)苛要求，還無法支撐航空航天結(jié)構(gòu)實現(xiàn)普遍的和整體性的創(chuàng)新設(shè)計。預(yù)計到 2035 年，一大批增材制造專用材料已經(jīng)可以充分滿足航空航天應(yīng)用要求， 支撐航空航天結(jié)構(gòu)實現(xiàn)普遍的和整體性的創(chuàng)新設(shè)計，航空航天器的設(shè)計、功能和性能將可能因此而根本改觀。600MPa 級別的增材制造鋁合金，將可能成為飛機鋁合金結(jié)構(gòu)的主體材料， 使飛機結(jié)構(gòu)實現(xiàn)大幅度減重；包括疲勞性能在內(nèi)的綜合性能與鍛件相當(dāng)?shù)脑霾闹圃焘伜辖鸷?2000MPa 以上級別的增材制造超高強鋼，將使飛機關(guān)重件可以普遍采用增材制造，從而帶來減重和功能提升上的顯著進步；增材制造專用高溫合金，將可能大規(guī)模應(yīng)用到包括渦輪葉片在內(nèi)的航空發(fā)動機熱端部件上，使航空發(fā)動機的制造擺脫當(dāng)前空心單晶渦輪葉片制造上面臨的大量難題；高性能塑料 3D 打印聲學(xué)結(jié)構(gòu)件，將可能使飛機艙內(nèi)實現(xiàn)閱覽室般的安靜舒適環(huán)境，免除長程航空旅行的噪聲困擾，而使中國的民航客機具有世界競爭力。

在未來的 14 年間，高分子增材制造將在材料與技術(shù)上取得長足進步，并由此大幅度擴展應(yīng)用市場，包括：在超大和微納尺寸兩個方向發(fā)展，面成形將取代點掃描成為最主要的打印方式，在大幅度提高打印效率的同時，打印精度和打印件性能也顯著提升，成為兼顧效率、 精度和性能的先進制造技術(shù)；隨著顆粒料擠出打印技術(shù)的發(fā)展，可打印高分子材料的種類將覆蓋絕大多數(shù)高分子材料體系，而且材料成本可以降低到注塑原材料的水平，使得 3D 打印可以占據(jù)很大一部分注塑件的市場，實現(xiàn)大規(guī)模定制化工業(yè)生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于民用、工業(yè)、 國防、航空航天及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，極大地擴展高分子 3D 打印的應(yīng)用市場；高強度、耐高溫、 低成本高分子 3D 打印材料，將取代一部分金屬材料，廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)減重，在減少碳排放方面做出重要貢獻；雙光子聚合、軸向計算光刻和一些新的高分子打印技術(shù)，可能成為可以產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的技術(shù)，使高分子 3D 打印在打印精度和效率等方面發(fā)展到前所未有的高水平。

醫(yī)療也將因為增材制造材料與技術(shù)的發(fā)展而帶來革命性變化，相應(yīng)地也將促進增材制造在臨床醫(yī)療中的普及性應(yīng)用，為人類的健康生活提供新的技術(shù)保障。特別是，增材制造 + 醫(yī) 療的深度融合高度符合當(dāng)代臨床技術(shù)個性化、精準(zhǔn)化、仿生化的發(fā)展潮流。預(yù)計到 2035 年， 增材制造有望成為個性化手術(shù)規(guī)劃模型及康復(fù)器具最主要的制造方法，一大批滿足環(huán)保要求 的高性能樹脂材料將得到大量應(yīng)用；同時植入醫(yī)療器械（植入物）越來越依賴個性化制造， 增材制造技術(shù)將在產(chǎn)業(yè)中占主導(dǎo)地位，人體內(nèi)長期安全的醫(yī)療植入級金屬材料需求將大幅提 升；為進一步滿足組織再生需求，可降解可吸收的一大類新型金屬材料與高分子材料也將越 來越受重視。與此同時，面向“活體”構(gòu)建的生物增材制造技術(shù)將取得階段性突破，最可能率先在體外組織模型、器官芯片等領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化，為個性化腫瘤診斷，新藥開發(fā)等提供全新模式，與此同時活性皮膚、血管、軟骨、膀胱等簡單結(jié)構(gòu)器官的制造技術(shù)逐步成熟，部分進入臨床試驗和應(yīng)用；與“活體”制造相匹配的生物打印材料開發(fā)將以實現(xiàn)高活性生物功能性為導(dǎo)向，攻關(guān)改性水凝膠、類基質(zhì)材料、自組裝材料等新型材料體系的高生物相容性、高仿生材料設(shè)計及制備技術(shù)，為后續(xù)復(fù)雜組織器官重建與功能化奠定基礎(chǔ)。

3D 打印高性能陶瓷件將在航空航天、高端武器、船舶、汽車、電子等尖端領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，包括輕量化和整體化陶瓷件、結(jié)構(gòu)功能一體化陶瓷件和異質(zhì)材料功能梯度陶瓷基零件等。生物陶瓷材料增材制造將在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，包括：具有優(yōu)異的生物相容性的 3D 打印羥基磷灰石，將成為應(yīng)用廣泛的人工骨替代材料；具有良好的生物相容性和可降解性的磷酸三鈣（TCP），將成為廣泛應(yīng)用的人體硬組織修復(fù)材料和骨組織工程支架材料，用 TCP 粉材和脂肪酸制成的生物墨水，可制備有骨髓和血管的 3D 打印植入體；氧化鋯、氧化 鋁和氮化硅等材料，將廣泛應(yīng)用于 3D 打印義齒。3D 打印陶瓷件也將與傳統(tǒng)陶瓷工藝相結(jié)合， 實現(xiàn)陶瓷制品的快速定制生產(chǎn)，在傳統(tǒng)陶瓷工業(yè)的升級轉(zhuǎn)型中脫穎而出。

微納增材制造將實現(xiàn)線寬小于 5μm 的微細結(jié)構(gòu)制造，在廣泛的領(lǐng)域和產(chǎn)品中得到應(yīng)用， 諸如微納機電系統(tǒng)、電子電路（三維立體電路 / 共形天線、柔性和硬質(zhì)多層電路板、透明電極等）、3D 結(jié)構(gòu)電子、生物醫(yī)療（組織支架、毛細血管、組織器官等）、柔性電子、智能傳 感（電子皮膚、智能可穿戴設(shè)備、3D 傳感器等）、大尺寸高清顯示（OLED、QLED、Micro- LED）、軟體機器人、新能源（柔性太陽能電池、固態(tài)電場、微能源等）、超材料等。

混凝土 3D 打印將從當(dāng)前的示范性應(yīng)用進入實際的商業(yè)化應(yīng)用。由于不方便添加鋼筋， 混凝土 3D 打印更依賴于高性能的混凝土材料。通過混入不同類型的增強纖維的超高性能混凝土（UHPC）將成為未來混凝土 3D 打印的主要原材料。針對不同的用途，UHPC 通過混入金屬纖維（主要是鋼纖維）、無機纖維（如玻璃纖維、碳纖維、玄武巖纖維）以及有機纖維（如 聚乙烯纖維、聚丙烯纖維等）來增強混凝土的強韌性�；炷�土 3D 打印的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括：打印風(fēng)力發(fā)電塔基座，顯著提高風(fēng)電塔的高度，從而使風(fēng)機進入更高風(fēng)速的高空，增大發(fā)電量；打印高端建筑的外裝飾，例如超高鏤空率的立面裝飾纖網(wǎng)，這種高度藝術(shù)性的裝飾風(fēng)格 被許多世界級建筑大師青睞；山區(qū)推進鄉(xiāng)村振興建設(shè)現(xiàn)代化的民居，是混凝土 3D 打印大有可為的領(lǐng)域；邊境地區(qū)，特別是環(huán)境較為嚴(yán)酷區(qū)域的臨時掩體、營房等需要搶修搶建的軍用設(shè)施建設(shè)的快速建造；大型城市雕塑和公園中的藝術(shù)性建筑等。

4D 打印將在高分子、金屬和陶瓷等廣泛的材料上快速發(fā)展�；�于 4D 打印，從微觀到宏觀的 3D 打印對象可以被制作成智能器件、超材料、折紙等，在原型、航空航天、生物醫(yī)學(xué) 等領(lǐng)域獲得多種多樣的功能應(yīng)用。由于 4D 打印解決了許多通過傳統(tǒng)技術(shù)無法制造的智能材料和結(jié)構(gòu)的制造問題，將為智能材料和結(jié)構(gòu)的設(shè)計和應(yīng)用開辟一個廣闊天地。

致 謝
本章系列內(nèi)容是中國增材制造行業(yè)許多專家集體努力的成果，為本章提供素材和參與撰寫的專家包括：清華大學(xué)徐弢、林峰，四川大學(xué)李光憲，南京航空航天大學(xué)顧冬冬，西安交通大學(xué)李滌塵、田小永，華中科技大學(xué)史玉升，華南理工大學(xué)楊永強，西北工業(yè)大學(xué)林鑫、成來飛、 譚華，南昌航空大學(xué)劉奮成，西安航空學(xué)院宋夢華，青島理工大學(xué)蘭紅波，重慶大學(xué)黃弘， 南華大學(xué)邱長軍，中南大學(xué)熊翔，西北有色金屬研究院湯慧萍，寧夏共享集團劉軼，3D 科學(xué)谷王曉燕，空客中國雷鳴，國家增材制造創(chuàng)新中心張麗娟，西安鉑力特公司趙曉明，上海聚復(fù)公司羅小帆，江蘇威拉里新材料公司張維，蘇州錸賽公司劉震，易佳三維公司馮濤，昆山博力邁公司王運贛，中交一公院楊敏，西安非凡士公司王輝，3DCERAM 公司馬濤，上海復(fù)志公司金珉德，在此一并深致感謝！

作者簡介
黃衛(wèi)東，西北工業(yè)大學(xué)教授，科技部 3D 打印專家組組長，中國機械工程學(xué)會增材制造分會副理事長，國家杰出青年科學(xué)基金獲得者，教育部長江學(xué)者獎勵計劃特聘教授。1995 年創(chuàng)造性地提出金屬高性能增材制造（3D 打印）的技術(shù)構(gòu)思，率領(lǐng)團隊堅持自主創(chuàng)新，突破了一系列核心關(guān)鍵技術(shù)，建立了 從材料、工藝、裝備到重大工程型號應(yīng)用的全鏈條金屬高性能激光增材制造的技術(shù)體系，為我國航空航 天等高技術(shù)領(lǐng)域的跨越式進步提供了變革性的制造技術(shù)途徑。