《中国新材料研究前沿报告2021》增材制造材料——增材制造材料与技术近期发展重点

作者：黄卫东、王理林、王猛
来源：日新材料

4.3增材制造材料与技术的近期发展重点的战略思考建议
增材制造材料近期发展的战略重点，建议围绕增材制造材料方向最有价值的科学、技术和产业问题，进行系统的顶层设计与有效的组织实施。

4.3.1 / 推进系统的顶层设计与有效的组织实施
根据我国增材制造行业当前的优势和短板，近期发展的战略重点首先应该是进行系统的顶层设计，并有效地组织我国增材制造领域庞大的研发和产业力量，围绕增材制造材料方向最有价值的科学、技术和产业问题进行研究和发展。在中央政府层面，应当把增材制造作为一个综合性的重大新技术来安排国家科技支持计划，要改变目前这种把增材制造仅仅放在制造口而无法安排增材制造材料类项目的局面。或者在未来新的可能实施的材料类重大专项中，把增材制造材料作为一个重要方向予以支持。在增材制造领域已经有很多布局和应用的航空航天大型单位、已有的重要研发平台，特别是国家级平台层面，可以根据中国国情并借鉴发达国家经验，进行与自己相关领域的增材制造材料发展的顶层设计和组织实施。实际上，我国当前还缺少能够代表国家整体的增材制造行业发展，并能够有效组织增材制造行业的各方面力量进行协同创新的国家级平台。率先布局这种实质性的国家级行业发展平台的地区，将通过支撑中国增材制造技术与材料在世界级竞争中的跨越式发展，而对区域创新和产业发展起到重要支持作用。

4.3.2 / 强化增材制造材料科学研究
从科学基础层面系统深入地理解增材制造的材料行为，是发展先进的增材制造材料技术， 增强我国增材制造材料技术的原始创新能力，更充分地发挥增材制造技术优越性的根本保证。

增材制造材料存在一些共性的科学问题，各类增材制造材料还有其特殊关注的重点科学问题。需要重点关注的增材制造共性的材料科学问题主要是：材料的工艺性、服役性能、安全性和可靠性的检测与评价方法的科学基础。作为一种全新的制造技术，不能完全采用已有的检测与评价方法来考核增材制造材料的工艺性、服役性能、安全性和可靠性。只有建立起针对增材制造材料检测与评价的可靠科学基础，才能形成增材制造可以广泛应用的系统的标准体系，解决当前增材制造在很多领域还不能推广应用的一个关键障碍。

金属增材制造需要重点关注的材料科学问题包括：增材制造全过程非平衡相变及组织演化行为；增材制造热 - 组织 - 应力耦合机制及变形、开裂机理；基于金属增材制造非均匀非平衡组织特征的材料合金化及构件强韧化机理；增材制造冶金缺陷形成机制和评价方法。深刻理解这些科学问题，将为优化现有金属合金的增材制造工艺、大幅度拓展可打印合金的种类，以及大规模研发增材制造专用合金奠定科学基础。

高分子增材制造需要重点关注的材料科学问题包括：增材制造过程中高分子材料的流变、 结晶、固化、降解等规律，特别是热、力历史对上述行为的影响机理；打印件在不同载荷和长期服役条件下的力学、化学、物理响应行为。深刻理解这些科学问题，将为优化高分子材料增材制造工艺、大幅度拓展可打印高分子材料的种类，以及大规模研发增材制造专用高分子材料奠定科学基础。

生物医学增材制造需要重点关注的材料科学问题包括：生物增材制造过程中，打印材料与活性物（蛋白质、核酸等）及活体物（细胞等）的界面及相互作用规律，涉及包括材料生 物相容性、材料免疫应答、生长发育等基本材料及生物学问题；研究打印材料在人体生理动、 静态下的失效模式，材料降解行为及降解产物在人体内长期安全性等重要问题。这些科学问题的研究可为高相容性、高仿生的新型生物墨水材料开发提供理论支撑。

4.3.3 / 重点发展可以推动增材制造技术重大进步的增材制造材料技术

（1）增材制造专用材料设计
根据增材制造工艺特性，设计具有优良的原材料（液料、粉末、丝材等）可制备性、优良的打印工艺性、最优使用性能和成本低廉的增材制造专用材料，解决限制增材制造更广泛应用的材料方面的瓶颈问题。
① 在增材制造金属材料方面，特别关注：适合于 SLM 技术应用的 500 ～ 600MPa 级别的铝合金材料；适合于 SLM 和 DED 技术应用的航空发动机和燃气轮机热端部件（特别是涡 轮叶片）用高温合金材料；适合于 SLM 和 DED 技术，综合性能（特别是低周疲劳性能）达 到锻件水平的钛合金材料；适合于 SLM 和 DED 技术应用的2000MPa 以上级别的钢铁材料。

② 在增材制造高分子材料方面，特别关注：具有低黏度、高性能（高强度、高模量和耐 高温）、可以实现高精度打印的光敏树脂及其复合树脂；适用于 ME 技术的低成本、高热稳定性、高尺寸精度的线材和颗粒料；适用于 PBF 技术的具有高流动性（粉体 / 熔体）、高复用率、宽烧结窗口、高力学性能、低成本的高分子粉体材料。

③ 在增材制造生物医学材料方面，特别关注：具有高纯净度、高质量控制和高稳定性的可打印生物医用原材料及生物墨水。

（2）增材制造材料的信息化处理技术
增材制造材料的信息化处理的目标是，实现从零件结构设计、材料配制、打印工艺、零件服役全链条、全生命周期的数据化，获取增材制造的材料、结构、工艺、质量和服役信息的大数据，借助集成计算和人工智能分析方法，建立增材制造的材料、结构、工艺、质量控制和服役性能不断优化的集成技术体系。

当前的零件结构设计的主流软件，一般只能处理单一材料均匀性能的结构设计，不能发挥增材制造技术最重要的优势。增材制造当前正在朝向“材料 - 结构 - 性能一体化增材制造” 发展，需要能够实现多材料、多功能、多尺度和多层次处理的结构设计软件。

对增材制造的原材料，要求具有材料的成分（包括微量杂质）、微观组织结构和处理历史的完整信息。

根据打印件结构设计、材料信息和打印工艺设计，建立增材制造过程的“数字孪生”模 型，是实现增材制造过程完备的信息化处理的重要手段。当前的增材制造工艺仿真软件，还 不能充分耦合材料的微观组织结构和打印过程参数与相关物理场和化学场的演变历史。可以预计，传统的数值仿真方法在相当长的时间里还不能单独支撑建立增材制造过程的“数字孪生”模型。因此，需要结合当前正在发展的数值仿真方法，融合增材制造的大数据，采用人工智能方法，在不断迭代优化的过程中，逐渐建立增材制造的“数字孪生”模型。

对增材制造过程进行充分的实时监测，获取尽可能完备的过程参数，是增材制造材料大数据的核心内容，也是与当前“数字孪生”模型耦合促其迭代优化的关键环节。增材制造结构件在服役过程中的材料行为，也是增材制造材料大数据的重要组成部分。

（3）当前一些需要重点关注的增材制造材料技术
① 3D 打印成形的多孔金属或陶瓷坯体的少 / 无变形致密化技术。粉末床黏结剂喷射和 ME 金属 3D 打印是近期非常引人瞩目的，被称为“间接金属打印”的高效率低成本金属 3D 打印技术，它的成功有可能大幅度扩展金属 3D 打印的应用领域，例如应用到普通汽车或一般机械工业的金属零件制造。这项技术当前亟需解决的难题是多孔金属坯体在后续烧结致密化过程中的大幅度体积收缩很容易导致零件的变形。粉末床黏结剂喷射陶瓷 3D 打印，以及通过光固化或SLS成形的多孔陶瓷坯体的致密化也有同样的问题。采用聚合物转化陶瓷方法， 是获得高密度 3D 打印陶瓷素坯的方法之一；以 RMI、CVI 或 PIP 为代表的后处理工艺，可以达到近净尺寸致密化，也是需要重点关注的 3D 打印多孔坯体致密化技术。同时，这种致密化技术还需要特别关注如何达到与烧结致密化工艺相媲美的材料性能。

② 高分子材料的面成形打印技术，可以大幅度提高打印效率，同时还能保持甚至提高打印精度，是近期高分子材料增材制造技术发展的一个重要方向。当前典型的高分子面成形打 技术包括光固化打印里的 CLIP 技术和 DLP 技术，粉末床打印里的惠普 MJF 技术和 EOS 的 LPF 技术等。面成形打印技术发展的一个十分重要的目标，是使高分子 3D 打印可以部分 进入高端注塑件的领域，从而极大地扩展高分子材料 3D 打印的市场份额。然而无论是光 化还是粉末床高分子打印，其原材料种类少、成本高昂都是难以从根本上解决的问题。发面成形ME打印技术，则有望覆盖极宽的原材料范围，而且可以达到同注塑原材料同样的成本，这应该是十分值得关注的高分子材料3D打印技术。

③ 我国在增材制造生物医学材料原材料开发及打印工艺关键技术方面部分达到国际并跑甚至国际领先水平，但该领域的原材料产业化程度较低，仍长期被进口垄断。因此，亟需开展现有生物 3D 打印原材料的产业转化关键技术研究，针对国内已部分实现产业化的聚己内酯、聚乳酸等有机高分子材料，开展质量控制、批量稳定制备等产业转化技术研究，解决国 内现有材料稳定性差、纯净度低等“卡脖子”问题，打破“进口依赖”困境。同时，开展新型生物 3D 打印材料开发与改进关键技术研究。以生物功能性为导向，攻关改性水凝胶、类基质功能材料等新型材料体系的高生物相容性、高仿生改进技术，合成高分子材料的表面生物活化改性、材料界面融合等技术，提升材料生物相容性、可打印性与打印结构稳定性、力学性能等。

④ 在微纳 3D 打印材料技术方面，重点关注：面向微细电路 3D 打印的高性能导电材料和介电材料的研制，尤其是低温烧结高固含量抗堵塞纳米银浆，攻克微纳 3D 打印的重要卡脖子难题；实现高效大尺寸亚微米尺度结构制造的微立体光刻 3D 打印新技术和新材料的开发，突破 100nm 分辨率双光子聚合3D 打印新技术和新材料；发展高生物活性材料的微纳增 材制造方法，实现对人体组织内的微纳结构的精准重建。