增材制造技术的应用与挑战＊

文/陈雪

0 引言

增材制造(additive manufacturing，AM)俗称3D打印，用于从三维模型数据中制造各种结构和复杂几何形状，这一过程主要由打印连续的材料层相互叠加而成。3D打印涉及各种方法、材料和设备，经过多年的发展，已经具备了改造制造和物流流程的能力，目前广泛应用于建筑、成型、生物力学等各个行业。

随着新型材料的出现和AM方法的不断发展，3D打印机成本逐步降低，相关技术在学校、家庭、图书馆和实验室等已得到应用。与传统技术相比，3D制造系统具有几个优势：高精度复杂几何结构的制造、最大限度地节省材料、设计的灵活性和个性化定制。目前广泛应用于3D打印的材料包括金属、聚合物、陶瓷和混凝土，但在各个行业用于3D打印的材料仍相对有限，因此，有必要开发合适的材料用于3D打印。本文旨在对3D打印技术的现状及其在各个行业的应用进行综述，介绍采用该技术的研究空白和面临的挑战。

1 增材制造概述

最常见的3D打印方法主要是使用聚合物丝，被称为熔融沉积模型(FDM)，此外还有选择性激光烧结(SLS)、选择性激光熔炼(SLM)或液体结合在三维打印(3DP)中的粉末添加剂制造，主要方法包括喷墨打印、轮廓加工、立体雕版、直接能量沉积(DED)和层压对象制造(LOM)。为满足精细印刷复杂结构的要求，实现快速成型、增强打印大型结构的能力、减少打印缺陷和提高机械性能是驱动AM技术发展的一些关键因素。

2 增材制造的主要应用

2.1 生物材料

沃勒斯（Wohlers Associates）被公认为世界上卓越的3D打印行业市场研究机构之一，根据沃勒斯最近的一份报告显示，生物医药市场目前占AM总市场份额的11%，将成为AM发展和增长的驱动力之一。

AM在生物医学的应用有其独特特性：一是高复杂性。生物医学研究面临着复杂性和创新性挑战，AM可以用于开发新的生物医学植入物、工程组织和器官，以及控制药物输送系统。AM的灵活性允许通过工程新型材料(如半晶聚合物复合材料)来制造极其复杂的形状。二是定制病人指定的必需品。从植入物到药物剂量，生物医学应用必须针对患者定制，AM在定制患者的生物医学产品方面具有巨大的潜力，从助听器到生物医学植入物，从定制矫正器到假肢；AM还用于规划手术，提高效率和效果，减少进一步手术的必要性，使植入物适配。三是小批量生产。与传统的生产方法相比，AM具有更低的生产成本，这在生物医药行业是很具代表性的，而且允许制造复杂的产品，不需要每次准备新的工装夹具。与传统的制造方法相比，AM可以更快地完成零件的原型制造，如模塑、锻造和铣削等。四是方便人们使用。AM CAD文件可以很容易地在研究人员之间共享，以重现相同的设计，例如，由美国国立卫生研究院(NIH)发起的免费共享AM文件的3D打印交换项目。

随着应用AM技术的新型给药系统的开发，药物生产和输送系统将发生根本性的变化。美国食品和药物管理局(FDA)在2015年批准了第一种AM药物。AM可以通过改变药物的三维形态、药物传递系统的微观结构以及活性药物的位置来控制药物的释放谱，新的剂型包括微胶囊、抗生素微模式、合成细胞外基质、介孔生物活性玻璃支架、纳米悬浮液和多层药物传递装置等。预计将有可能按需生产个性化的药物，包括剂量和特殊的药物基因图谱，根据年龄、种族或性别等因素制造最有效的药物；也可以将更多的药物组合在一个药片中，并控制单个药物的释放。另一个随需应变的应用是制造保质期有限的不稳定药物，如甾体抗炎药、对乙酰氨基酚、茶碱、咖啡因等，计算模型可以帮助预测AM给药系统的释放谱。

AM已经应用于生物医药行业，并成为产业未来发展的趋势，但也面临一些风险和挑战。 一是监管问题。在美国，AM生物医药产品需要FDA批准，而中国尚没形成成熟的监管体系。二是可使用生物材料有限。传统的生物材料往往不能进行3D打印，而性能最好的AM材料则不具有生物相容性，开发新的技术和材料成为关键环节。三是质量难确定。AM材料的力学性能尚未得到恰当的表征，材料和工艺参数会极大地影响最终产品的属性。

2.2 航空航天

AM技术非常适合航空航天部件的制造，由于航天部件具有以下的特点：一是复杂的几何形状，这是集成功能的必要条件，例如，美国GE航空正在开发具有优化气流的风扇叶片边缘；此外，可以通过组合多个组件来简化部件，如GE燃料喷嘴。二是难加工和高买飞比。航空航天工业使用先进而昂贵的材料，如钛合金、镍基超合金、高强度钢合金或超高温陶瓷，这些材料很难制造且在制造过程中会产生大量废料（高达95%），而AM可以减少浪费（减少到10%～20%左右），并提供复杂的形状。三是定制生产。航空工业的特点是生产小批量零件，由于不需要昂贵的模具等设备，AM比传统的小批量生产技术更经济方便。四是按需生产。飞机的使用寿命长达30年。保留旧部件会产生显著的库存成本，但AM能够按需制造部件，从而减少维护时间。五是高性能重量比。航空部件需要重量轻，并具有高强度和刚度重量比，以减少成本和排放。例如，进入近地轨道(LEO)的空间旅行成本，即在2000千米的高度绕地球公转的费用约为每千克2500美元。

航空航天应用的金属和非金属（如超材料）部件均可使用AM制造或修理，如航空发动机部件、涡轮叶片和热交换器。非金属AM方法，如立体光刻法、多射流建模法和熔融沉积建模法(FDM)，用于零件的快速成型，以及制造由塑料、陶瓷和复合材料制成的夹具和内饰。Piper Aircraft、Bell Helicopter、美国宇航局（NASA）等多家航空航天公司合作，采用FDM进行快速成型、制造工具和零部件生产。例如，NASA使用Stratasys FDM技术打印了“火星漫游者”的70个组件，以获得一个轻量级和坚固的结构。Bell直升飞机使用FDM为V-22鱼鹰飞机制造聚碳酸酯电线导管，同时将制造时间从6周减少到2.5天。美国宇航局航空研究所正试图开发一种AM非金属燃气涡轮发动机。轻质、耐高温的复合材料正在开发中，采用FDM和喷枪工艺制备了聚合物基体、聚醚亚胺和陶瓷基复合材料。超高温陶瓷的AM(如ZrB2、ZrC、TiC等)目前是一个重要的研究领域。

2.3 建筑

近年来，随着3D打印技术的应用，建筑自动化建设受到越来越多的关注。它可能会给建筑业带来革命性的变革，并能让宇航员在月球上更容易地施工，大大减少施工时间和人力。3D打印技术在建筑行业可以应用于一些有限制的领域，比如几何复杂性和中空结构。第一个3D打印住宅结构是2014年在阿姆斯特丹开发的，使用的是FDM方法，该项目是由Dus architects的建筑师推动的，他们想用最少的材料浪费和运输成本来展示打印机的移动性，从而为建筑行业铺平道路。3D打印也成为文化保存和复制的重要过程。现已开发出一种再现历史建筑构件的方法，其中3D扫描与基于水泥砂浆的3D打印集成在一起，与传统方法相比，采用这种技术可节省成本和劳力；研究人员发现，这项技术可以为重型机械、建筑设备的低需求提供机会，并有可能使用回收材料。

由于使用3D打印的原材料和制造过程与传统的施工方法不同，需要熟练工人将机器人和土木工作结合起来，这是AM在建筑业面临的重要障碍。要提高3D打印技术在大型建设项目中的适用性，最好对3D打印技术有全面的了解，以便充分发挥其潜力，特别是制备具有定制孔径分布的轻质混凝土复合材料以及地聚合物混凝土的自由配合比设计是AM未来进一步发展的有趣概念。虽然调幅技术在建造业仍处于起步阶段，但可以看出，利用这项技术，传统的建筑工序有可能得到改善。

3 增材制造技术挑战

尽管3D打印具有设计自由、定制化和打印复杂结构等优点，但仍存在一些缺陷，需要进一步的研究和技术开发。

3.1 孔隙

3D打印的主要缺点之一是在随后的材料层之间形成空洞。由于印刷层之间界面粘结的减少，AM产生的额外孔隙率会非常高，从而降低机械性能。孔隙的形成程度在很大程度上取决于3D打印方法和打印材料。在使用FDM或轮廓加工等材料细丝的方法中，孔隙的形成更为常见，并被认为是导致力学性能低下和各向异性的主要缺陷之一，这种空洞的形成也会导致印刷后层与层之间的分层。在采用FDM方法的3D打印复合材料中，增加长丝厚度会降低复合材料的孔隙率，但会降低复合材料的粘结力，导致拉伸强度降低、吸水率增加。随着混凝土层厚度的增加，层与层之间的间隔时间越长，在混凝土增材制造中，层间粘结效果越好，形成的空隙越小。另一方面，在氧化铝/玻璃复合材料粉底印刷中，通过减小每一层的高度，可以大幅度降低AM的高孔隙率。降低的高度可以增加激光穿透顶层，促进陶瓷粉末在层间的扩散，从而减少层间空隙的形成。

但3D打印零件的高孔隙率并不总是一个缺陷，对于生物复合材料，3D打印的部分高孔隙率可以通过提高保水能力来引入吸湿性能，或者设计组织工程中的多孔支架。

3.2 各向异性组织和力学性能

各向异性是AM的主要挑战之一，即由于逐层印刷的性质，每一层内部材料的微观结构与层与层之间边界处材料的微观结构不同。各向异性行为导致三维打印件在垂直拉伸或压缩下的力学性能与水平方向的力学性能不同。在热熔合(SLS或SLM) 3D打印的金属和合金中，后续层的加入使前一层的边界重新加热，由于热梯度的作用，导致不同的晶粒组织和各向异性行为。激光束对每一层的热穿透不仅是控制烧结过程的一个重要因素，也是限制各向异性行为的一个重要因素。

然而，3D打印材料的各向异性行为在某些应用中是有帮助的。例如，通过控制表面3D打印细丝的性能，可以实现表面特殊的各向异性润湿性，由此开发了一种超疏水性和各向异性的3D打印聚二甲基硅氧烷薄膜，该薄膜具有良好的热耐久性，可用于透气防水表面等应用。

3.3 从设计到执行

计算机辅助设计(CAD)软件是设计3D打印零件的主要工具，它通常使用镶嵌概念来表达近似模型，然而将CAD转换成3D打印部件常常会导致不准确和缺陷，尤其是在曲面上。一个非常精细的镶嵌可以在一定程度上解决这个问题，但计算处理和打印将是费时和复杂的。因此，有时考虑通过加热、激光、化学制品或砂光等后处理来消除这些缺陷。

为了限制从设计到执行的缺陷，需要规划并找到零件的最佳方向，将零件切割成足够多层并生成支撑材料，这些支撑材料必须支持后续层的添加，打印后可以很容易地移除。其中采用粉底法较为便利，其优点是采用无粘结的粉末作为载体，印刷后可通过气压轻松去除。此外，印刷工艺参数如挤出压力和取向的纤维(FDM、喷墨和柜台制作)、激光功率(SLM和SLS)、层厚度、印刷方向、温度和印刷速度以及材料特性(如流变学、热塑性、粉包装等等)，可以极大地影响外观和力学性能的3D打印部分。

4 结语

综上所述，增材制造在最近的研究和发展中作出了重大贡献，也面临着一些挑战，比如有限的材料、成本高、监管问题、3D打印零件质量不一致等。在不久的将来，世界范围内增加的资金、研究和开发将进一步促进攻克相关挑战和问题，引导从传统的制造方法向3D打印的快速转变。