第4章 增材制造材料
黄卫东 王理林 王猛
4.1 增材制造材料的国内外研究进展与前沿动态 045
4.2 我国在该领域的地位及发展动态 071
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 076
4.4 增材制造材料与技术2035年展望与未来 079
4.1
增材制造材料的国内外研究进展与前沿动态
4.1.1 总体趋势
增材制造（亦称 3D 打印，本章后面根据方便将不加区别地采用其中一种术语）技术是 20 世纪 80 年代后期发展起来的新型制造技术，是当前国际先进制造技术发展的前沿，同时也是目前智能制造体系的重要组成部分。世界科技强国都将增材制造技术作为未来产业发展 新的增长点加以培育和支持，欧美等发达国家纷纷制定了发展增材制造技术的国家战略，美国“America Makes”、欧盟“Horizon 2020”、德国“工业 4.0”等战略计划均将其列入提升国家竞争力、应对未来挑战亟需发展的先进制造技术。我国也将增材制造列入了“中国制造 2025”强国战略，在“十三五”期间进行了重点支持和发展。
增材制造产业经历了持续三十余年的高速发展，在各个领域均取得了良好的应用效果， 新的增材制造技术和产业需求不断涌现，在全球经济发展中占据了重要地位。统计数据表明， 1988 ～ 2020 年全球增材制造产业直接总产值的年复合增长率为 26%，其中 2015 ～ 2020 年 的年复合增长率为 19.8%，2020 年全球增材制造产业直接总产值达到 127.58 亿美元 [1]。
2020 年全球增材制造材料总产值达到 21.05 亿美元 [1]，占增材制造产业直接总产值的 16.5%，其中 2015 ～ 2020 年的年复合增长率为 22.3%，显著高于同期增材制造总产值的增长率。图 4-1 给出了 2017 ～ 2020 年全球增材制造材料产值数据，其中高分子材料（包括光敏 高分子、高分子粉末、高分子丝材）仍然占据绝大部分份额，产值由 2017 年的 9.25 亿美元提升至 2020 年的 16.78 亿美元，年复合增长率为 22.0%，在 2020 年产值中占比为 79.7%；金属材料产值由 2017 年的 1.84 亿美元提升至 2020 年的 3.83 亿美元，年复合增长率为 27.7%， 高于增材制造材料总产值的增长率，在 2020 年产值中占比为 18.2%。回顾 2015 年，3D 打印金属与高分子材料产值的份额分别为 11.5% 和 85.5%，可见，虽然高分子材料的份额迄今依然占据绝大多数，但金属材料的份额增长却非常快，与高分子材料份额相比出现彼消此长的态势。2020 年其他 3D 打印材料总计只占约 2.1% 的份额，还远不能同高分子与金属材料相提并论。
图 4-1 全球增材制造材料产值变化
增材制造材料种类层出不穷，从高分子材料、金属材料到陶瓷材料，种类和应用规模均持续快速增长。据 Wohlers Associates 统计，截至 2020 年 3 月全球商业化销售的增材制造材料已有 2486 个牌号，总牌号数量比 2017 年的 1139 个增加了一倍有余 (118%)，其中 49% 为 高分子材料，40% 为金属材料，9% 为复合材料，其他 2% 为陶瓷、砂和蜡等 [1]。
我国增材制造产业近年来以显著高于世界平均的水平高速发展。根据 2020 年 2 月赛迪顾问 (CCID) 发布的《2019 ～ 2020 年中国增材制造（3D 打印 ) 产业发展研究年度报告》， 2019 年中国增材制造产业规模为 157.5 亿元 [2]，约占全球当年总产值的 20%，较 2018 年增长 31.1%。其中增材制造设备市场规模最大，2019 年市值为 70.86 亿元，工业级设备单价高，部 分高端设备仍依赖进口；增材制造服务市场规模次之，2019 年的产值为 45.67 亿元，主要用于满足工业零部件定制化需求；增材制造材料 2019 年产值约 40.97 亿元，占我国增材制造产 业总产值的 26%，显著高于同期全球增材制造材料在产业规模中的占比（16%），这在很大程度上是由于我国增材制造材料研发水平较低，所使用的增材制造材料中有相当比例依赖进口， 造成了原材料成本偏高的问题。
增材制造技术也是学术界持续关注的热点，用“3D Printing”关键词在 Science 和 Nature 杂志及其关联媒体上搜索，结果如图 4-2 所示，从图中可以看出与增材制造相关的文章数自 2012 年以来呈现快速增长趋势。
图 4-2 Science 和Nature 杂志及关联媒体上包含“3D Printing”的文章数统计
早在 1998 年 Science 就刊出文章介绍可用于制造空间三维复杂结构的立体光刻技术 [3] ；2014 年 Science 刊出文章介绍了纳米金属网格的“Laser Shock Imprinting”打印技术 [4]。
增材制造技术与材料研发密切关联，互为促进，协同发展。2015 年 Science 刊出文章介绍了基于增材制造技术实现的梯度材料软体机器人 [5]，同年介绍了可大幅度提高光固化成形 效率的 CLIP 技术 [6]，为了实现该技术，需要匹配相应的打印窗口材料和光固化材料。2016 年 Science 刊发综述文章，介绍结合多种增材制造技术和多种材料制造复杂功能部件 [7]，以及利用可光固化的高分子前驱体打印陶瓷结构件 [8]。组织器官则需要使用支撑结构、凝胶和活性细胞进行打印 [9-12]。
Nature 杂志于 1999 年刊出了题为“Printing a heart”的新闻稿 [13]，报道通过更换打印材料，原本用于军用装备或导弹的“3D powder printing”技术可以实现高复杂性人体器官的制备；2000 年刊出“Rapid prototyping of patterned functional nanostructures”[14]，使用一种具备自组装特性的有机硅“墨水”实现了具备功能特性的分级组织结构的快速打印；Nature 杂志 于 2013 年称科学家正在应用 3D 打印技术加速人类胚胎干细胞的研究 [15]，3D 打印的柔性材料气管结构已经开始帮助初生婴儿进行呼吸 [16]。Scientific Reports 于 2014 年刊出文章，介绍了一种利用药物分层打印的技术，认为其在医疗应用当中具有广阔应用前景 [17] ；Nature Communications 发文介绍使用脱细胞胞外基质生物墨水打印三维组织模拟物 [18]。Nature Biotechnology 刊出综述文章，介绍 3D 生物打印技术在多种组织的生成和移植中的应用，如 皮肤、骨骼、血管移植物、气管夹板、心脏组织和软骨结构，同时也被用于制作研究、药物 发现和毒理学的高通量 3D 生物打印组织模型 [19]。为了提升生物凝胶组织的强度，有研究者 尝试用 3D 打印的纤维结构对其进行强化 [20] ；通过结构设计和局部组织控制，可以打印出具备复杂空间结构，且能够随环境改变的类生物形态 [21]，通过控制打印材料成分，可以实现 3D 打印结构的可控条件降解 [22]。
Nature Materials 于 2006 年 刊 出“Controlled insulator-to-metal transformation in printable polymer composites with nanometal clusters”[23]，利用金属团簇 / 聚合物纳米粒子进行打印，并结合后处理可实现绝缘态 / 导电态的切换；利用类似方法，可以打印出有机晶体管和塑料微 电子机械装置，实现无线电能传输 [24]。2015 年 Nature 报道，利用半导体材料增材制造技术制备出了发光二极管结构 [25]。
18918818796