《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 2035 年展望

作者：黄卫东、王理林、王猛
来源：日新材料

4.4增材制造材料与技术 2035 年展望与未来

按照当前的发展速度，到 2035 年中国增材制造产业的总产值将突破万亿元人民币，其中，增材制造材料的总产值将超过 2700 亿元人民币，预计增材制造材料的种类可以扩展 10 倍以上。增材制造行业的发展速度，还可能因为一些重大的技术进步而出现爆发式增长。

航空航天工业将因为增材制造材料与技术的发展而实现革命性进步，相应地也将促进增材制造在航空航天工业中的普及式应用。增材制造支撑的结构创新设计，已经在航空航天结构减重和一些重要功能实现中展示了巨大的价值，但因为当前增材制造材料性能在很多方面还不能充分满足航空航天应用的严苛要求，还无法支撑航空航天结构实现普遍的和整体性的创新设计。预计到 2035 年，一大批增材制造专用材料已经可以充分满足航空航天应用要求， 支撑航空航天结构实现普遍的和整体性的创新设计，航空航天器的设计、功能和性能将可能因此而根本改观。600MPa 级别的增材制造铝合金，将可能成为飞机铝合金结构的主体材料， 使飞机结构实现大幅度减重；包括疲劳性能在内的综合性能与锻件相当的增材制造钛合金和 2000MPa 以上级别的增材制造超高强钢，将使飞机关重件可以普遍采用增材制造，从而带来减重和功能提升上的显著进步；增材制造专用高温合金，将可能大规模应用到包括涡轮叶片在内的航空发动机热端部件上，使航空发动机的制造摆脱当前空心单晶涡轮叶片制造上面临的大量难题；高性能塑料 3D 打印声学结构件，将可能使飞机舱内实现阅览室般的安静舒适环境，免除长程航空旅行的噪声困扰，而使中国的民航客机具有世界竞争力。

在未来的 14 年间，高分子增材制造将在材料与技术上取得长足进步，并由此大幅度扩展应用市场，包括：在超大和微纳尺寸两个方向发展，面成形将取代点扫描成为最主要的打印方式，在大幅度提高打印效率的同时，打印精度和打印件性能也显著提升，成为兼顾效率、 精度和性能的先进制造技术；随着颗粒料挤出打印技术的发展，可打印高分子材料的种类将覆盖绝大多数高分子材料体系，而且材料成本可以降低到注塑原材料的水平，使得 3D 打印可以占据很大一部分注塑件的市场，实现大规模定制化工业生产，广泛应用于民用、工业、 国防、航空航天及医学等领域，极大地扩展高分子 3D 打印的应用市场；高强度、耐高温、 低成本高分子 3D 打印材料，将取代一部分金属材料，广泛应用于结构减重，在减少碳排放方面做出重要贡献；双光子聚合、轴向计算光刻和一些新的高分子打印技术，可能成为可以产业化应用的技术，使高分子 3D 打印在打印精度和效率等方面发展到前所未有的高水平。

医疗也将因为增材制造材料与技术的发展而带来革命性变化，相应地也将促进增材制造在临床医疗中的普及性应用，为人类的健康生活提供新的技术保障。特别是，增材制造 + 医 疗的深度融合高度符合当代临床技术个性化、精准化、仿生化的发展潮流。预计到 2035 年， 增材制造有望成为个性化手术规划模型及康复器具最主要的制造方法，一大批满足环保要求 的高性能树脂材料将得到大量应用；同时植入医疗器械（植入物）越来越依赖个性化制造， 增材制造技术将在产业中占主导地位，人体内长期安全的医疗植入级金属材料需求将大幅提 升；为进一步满足组织再生需求，可降解可吸收的一大类新型金属材料与高分子材料也将越 来越受重视。与此同时，面向“活体”构建的生物增材制造技术将取得阶段性突破，最可能率先在体外组织模型、器官芯片等领域大规模应用及产业化，为个性化肿瘤诊断，新药开发等提供全新模式，与此同时活性皮肤、血管、软骨、膀胱等简单结构器官的制造技术逐步成熟，部分进入临床试验和应用；与“活体”制造相匹配的生物打印材料开发将以实现高活性生物功能性为导向，攻关改性水凝胶、类基质材料、自组装材料等新型材料体系的高生物相容性、高仿生材料设计及制备技术，为后续复杂组织器官重建与功能化奠定基础。

3D 打印高性能陶瓷件将在航空航天、高端武器、船舶、汽车、电子等尖端领域得到广泛应用，包括轻量化和整体化陶瓷件、结构功能一体化陶瓷件和异质材料功能梯度陶瓷基零件等。生物陶瓷材料增材制造将在生物医学领域得到广泛应用，包括：具有优异的生物相容性的 3D 打印羟基磷灰石，将成为应用广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钙（TCP），将成为广泛应用的人体硬组织修复材料和骨组织工程支架材料，用 TCP 粉材和脂肪酸制成的生物墨水，可制备有骨髓和血管的 3D 打印植入体；氧化锆、氧化 铝和氮化硅等材料，将广泛应用于 3D 打印义齿。3D 打印陶瓷件也将与传统陶瓷工艺相结合， 实现陶瓷制品的快速定制生产，在传统陶瓷工业的升级转型中脱颖而出。

微纳增材制造将实现线宽小于 5μm 的微细结构制造，在广泛的领域和产品中得到应用， 诸如微纳机电系统、电子电路（三维立体电路 / 共形天线、柔性和硬质多层电路板、透明电极等）、3D 结构电子、生物医疗（组织支架、毛细血管、组织器官等）、柔性电子、智能传 感（电子皮肤、智能可穿戴设备、3D 传感器等）、大尺寸高清显示（OLED、QLED、Micro- LED）、软体机器人、新能源（柔性太阳能电池、固态电场、微能源等）、超材料等。

混凝土 3D 打印将从当前的示范性应用进入实际的商业化应用。由于不方便添加钢筋， 混凝土 3D 打印更依赖于高性能的混凝土材料。通过混入不同类型的增强纤维的超高性能混凝土（UHPC）将成为未来混凝土 3D 打印的主要原材料。针对不同的用途，UHPC 通过混入金属纤维（主要是钢纤维）、无机纤维（如玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维）以及有机纤维（如 聚乙烯纤维、聚丙烯纤维等）来增强混凝土的强韧性。混凝土 3D 打印的应用领域主要包括：打印风力发电塔基座，显著提高风电塔的高度，从而使风机进入更高风速的高空，增大发电量；打印高端建筑的外装饰，例如超高镂空率的立面装饰纤网，这种高度艺术性的装饰风格 被许多世界级建筑大师青睐；山区推进乡村振兴建设现代化的民居，是混凝土 3D 打印大有可为的领域；边境地区，特别是环境较为严酷区域的临时掩体、营房等需要抢修抢建的军用设施建设的快速建造；大型城市雕塑和公园中的艺术性建筑等。

4D 打印将在高分子、金属和陶瓷等广泛的材料上快速发展。基于 4D 打印，从微观到宏观的 3D 打印对象可以被制作成智能器件、超材料、折纸等，在原型、航空航天、生物医学 等领域获得多种多样的功能应用。由于 4D 打印解决了许多通过传统技术无法制造的智能材料和结构的制造问题，将为智能材料和结构的设计和应用开辟一个广阔天地。

致 谢
本章系列内容是中国增材制造行业许多专家集体努力的成果，为本章提供素材和参与撰写的专家包括：清华大学徐弢、林峰，四川大学李光宪，南京航空航天大学顾冬冬，西安交通大学李涤尘、田小永，华中科技大学史玉升，华南理工大学杨永强，西北工业大学林鑫、成来飞、 谭华，南昌航空大学刘奋成，西安航空学院宋梦华，青岛理工大学兰红波，重庆大学黄弘， 南华大学邱长军，中南大学熊翔，西北有色金属研究院汤慧萍，宁夏共享集团刘轶，3D 科学谷王晓燕，空客中国雷鸣，国家增材制造创新中心张丽娟，西安铂力特公司赵晓明，上海聚复公司罗小帆，江苏威拉里新材料公司张维，苏州铼赛公司刘震，易佳三维公司冯涛，昆山博力迈公司王运赣，中交一公院杨敏，西安非凡士公司王辉，3DCERAM 公司马涛，上海复志公司金珉德，在此一并深致感谢！

作者简介
黄卫东，西北工业大学教授，科技部 3D 打印专家组组长，中国机械工程学会增材制造分会副理事长，国家杰出青年科学基金获得者，教育部长江学者奖励计划特聘教授。1995 年创造性地提出金属高性能增材制造（3D 打印）的技术构思，率领团队坚持自主创新，突破了一系列核心关键技术，建立了 从材料、工艺、装备到重大工程型号应用的全链条金属高性能激光增材制造的技术体系，为我国航空航 天等高技术领域的跨越式进步提供了变革性的制造技术途径。