文/陳雪

0 引言

增材制造(additive manufacturing，AM)俗稱3D打印，用于從三維模型數(shù)據(jù)中制造各種結(jié)構(gòu)和復雜幾何形狀，這一過程主要由打印連續(xù)的材料層相互疊加而成。3D打印涉及各種方法、材料和設備，經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)具備了改造制造和物流流程的能力，目前廣泛應用于建筑、成型、生物力學等各個行業(yè)。

隨著新型材料的出現(xiàn)和AM方法的不斷發(fā)展，3D打印機成本逐步降低，相關技術(shù)在學校、家庭、圖書館和實驗室等已得到應用。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，3D制造系統(tǒng)具有幾個優(yōu)勢：高精度復雜幾何結(jié)構(gòu)的制造、最大限度地節(jié)省材料、設計的靈活性和個性化定制。目前廣泛應用于3D打印的材料包括金屬、聚合物、陶瓷和混凝土，但在各個行業(yè)用于3D打印的材料仍相對有限，因此，有必要開發(fā)合適的材料用于3D打印。本文旨在對3D打印技術(shù)的現(xiàn)狀及其在各個行業(yè)的應用進行綜述，介紹采用該技術(shù)的研究空白和面臨的挑戰(zhàn)。

1 增材制造概述

最常見的3D打印方法主要是使用聚合物絲，被稱為熔融沉積模型(FDM)，此外還有選擇性激光燒結(jié)(SLS)、選擇性激光熔煉(SLM)或液體結(jié)合在三維打印(3DP)中的粉末添加劑制造，主要方法包括噴墨打印、輪廓加工、立體雕版、直接能量沉積(DED)和層壓對象制造(LOM)。為滿足精細印刷復雜結(jié)構(gòu)的要求，實現(xiàn)快速成型、增強打印大型結(jié)構(gòu)的能力、減少打印缺陷和提高機械性能是驅(qū)動AM技術(shù)發(fā)展的一些關鍵因素。

2 增材制造的主要應用

2.1 生物材料

沃勒斯（Wohlers Associates）被公認為世界上卓越的3D打印行業(yè)市場研究機構(gòu)之一，根據(jù)沃勒斯最近的一份報告顯示，生物醫(yī)藥市場目前占AM總市場份額的11%，將成為AM發(fā)展和增長的驅(qū)動力之一。

AM在生物醫(yī)學的應用有其獨特特性：一是高復雜性。生物醫(yī)學研究面臨著復雜性和創(chuàng)新性挑戰(zhàn)，AM可以用于開發(fā)新的生物醫(yī)學植入物、工程組織和器官，以及控制藥物輸送系統(tǒng)。AM的靈活性允許通過工程新型材料(如半晶聚合物復合材料)來制造極其復雜的形狀。二是定制病人指定的必需品。從植入物到藥物劑量，生物醫(yī)學應用必須針對患者定制，AM在定制患者的生物醫(yī)學產(chǎn)品方面具有巨大的潛力，從助聽器到生物醫(yī)學植入物，從定制矯正器到假肢；AM還用于規(guī)劃手術(shù)，提高效率和效果，減少進一步手術(shù)的必要性，使植入物適配。三是小批量生產(chǎn)。與傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法相比，AM具有更低的生產(chǎn)成本，這在生物醫(yī)藥行業(yè)是很具代表性的，而且允許制造復雜的產(chǎn)品，不需要每次準備新的工裝夾具。與傳統(tǒng)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、鍛造和銑削等。四是方便人們使用。AM CAD文件可以很容易地在研究人員之間共享，以重現(xiàn)相同的設計，例如，由美國國立衛(wèi)生研究院(NIH)發(fā)起的免費共享AM文件的3D打印交換項目。

隨著應用AM技術(shù)的新型給藥系統(tǒng)的開發(fā)，藥物生產(chǎn)和輸送系統(tǒng)將發(fā)生根本性的變化。美國食品和藥物管理局(FDA)在2015年批準了第一種AM藥物。AM可以通過改變藥物的三維形態(tài)、藥物傳遞系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)以及活性藥物的位置來控制藥物的釋放譜，新的劑型包括微膠囊、抗生素微模式、合成細胞外基質(zhì)、介孔生物活性玻璃支架、納米懸浮液和多層藥物傳遞裝置等。預計將有可能按需生產(chǎn)個性化的藥物，包括劑量和特殊的藥物基因圖譜，根據(jù)年齡、種族或性別等因素制造最有效的藥物；也可以將更多的藥物組合在一個藥片中，并控制單個藥物的釋放。另一個隨需應變的應用是制造保質(zhì)期有限的不穩(wěn)定藥物，如甾體抗炎藥、對乙酰氨基酚、茶堿、咖啡因等，計算模型可以幫助預測AM給藥系統(tǒng)的釋放譜。

AM已經(jīng)應用于生物醫(yī)藥行業(yè)，并成為產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的趨勢，但也面臨一些風險和挑戰(zhàn)。 一是監(jiān)管問題。在美國，AM生物醫(yī)藥產(chǎn)品需要FDA批準，而中國尚沒形成成熟的監(jiān)管體系。二是可使用生物材料有限。傳統(tǒng)的生物材料往往不能進行3D打印，而性能最好的AM材料則不具有生物相容性，開發(fā)新的技術(shù)和材料成為關鍵環(huán)節(jié)。三是質(zhì)量難確定。AM材料的力學性能尚未得到恰當?shù)谋碚?，材料和工藝參?shù)會極大地影響最終產(chǎn)品的屬性。

2.2 航空航天

AM技術(shù)非常適合航空航天部件的制造，由于航天部件具有以下的特點：一是復雜的幾何形狀，這是集成功能的必要條件，例如，美國GE航空正在開發(fā)具有優(yōu)化氣流的風扇葉片邊緣；此外，可以通過組合多個組件來簡化部件，如GE燃料噴嘴。二是難加工和高買飛比。航空航天工業(yè)使用先進而昂貴的材料，如鈦合金、鎳基超合金、高強度鋼合金或超高溫陶瓷，這些材料很難制造且在制造過程中會產(chǎn)生大量廢料（高達95%），而AM可以減少浪費（減少到10%～20%左右），并提供復雜的形狀。三是定制生產(chǎn)。航空工業(yè)的特點是生產(chǎn)小批量零件，由于不需要昂貴的模具等設備，AM比傳統(tǒng)的小批量生產(chǎn)技術(shù)更經(jīng)濟方便。四是按需生產(chǎn)。飛機的使用壽命長達30年。保留舊部件會產(chǎn)生顯著的庫存成本，但AM能夠按需制造部件，從而減少維護時間。五是高性能重量比。航空部件需要重量輕，并具有高強度和剛度重量比，以減少成本和排放。例如，進入近地軌道(LEO)的空間旅行成本，即在2000千米的高度繞地球公轉(zhuǎn)的費用約為每千克2500美元。

航空航天應用的金屬和非金屬（如超材料）部件均可使用AM制造或修理，如航空發(fā)動機部件、渦輪葉片和熱交換器。非金屬AM方法，如立體光刻法、多射流建模法和熔融沉積建模法(FDM)，用于零件的快速成型，以及制造由塑料、陶瓷和復合材料制成的夾具和內(nèi)飾。Piper Aircraft、Bell Helicopter、美國宇航局（NASA）等多家航空航天公司合作，采用FDM進行快速成型、制造工具和零部件生產(chǎn)。例如，NASA使用Stratasys FDM技術(shù)打印了“火星漫游者”的70個組件，以獲得一個輕量級和堅固的結(jié)構(gòu)。Bell直升飛機使用FDM為V-22魚鷹飛機制造聚碳酸酯電線導管，同時將制造時間從6周減少到2.5天。美國宇航局航空研究所正試圖開發(fā)一種AM非金屬燃氣渦輪發(fā)動機。輕質(zhì)、耐高溫的復合材料正在開發(fā)中，采用FDM和噴槍工藝制備了聚合物基體、聚醚亞胺和陶瓷基復合材料。超高溫陶瓷的AM(如ZrB2、ZrC、TiC等)目前是一個重要的研究領域。

2.3 建筑

近年來，隨著3D打印技術(shù)的應用，建筑自動化建設受到越來越多的關注。它可能會給建筑業(yè)帶來革命性的變革，并能讓宇航員在月球上更容易地施工，大大減少施工時間和人力。3D打印技術(shù)在建筑行業(yè)可以應用于一些有限制的領域，比如幾何復雜性和中空結(jié)構(gòu)。第一個3D打印住宅結(jié)構(gòu)是2014年在阿姆斯特丹開發(fā)的，使用的是FDM方法，該項目是由Dus architects的建筑師推動的，他們想用最少的材料浪費和運輸成本來展示打印機的移動性，從而為建筑行業(yè)鋪平道路。3D打印也成為文化保存和復制的重要過程?，F(xiàn)已開發(fā)出一種再現(xiàn)歷史建筑構(gòu)件的方法，其中3D掃描與基于水泥砂漿的3D打印集成在一起，與傳統(tǒng)方法相比，采用這種技術(shù)可節(jié)省成本和勞力；研究人員發(fā)現(xiàn)，這項技術(shù)可以為重型機械、建筑設備的低需求提供機會，并有可能使用回收材料。

由于使用3D打印的原材料和制造過程與傳統(tǒng)的施工方法不同，需要熟練工人將機器人和土木工作結(jié)合起來，這是AM在建筑業(yè)面臨的重要障礙。要提高3D打印技術(shù)在大型建設項目中的適用性，最好對3D打印技術(shù)有全面的了解，以便充分發(fā)揮其潛力，特別是制備具有定制孔徑分布的輕質(zhì)混凝土復合材料以及地聚合物混凝土的自由配合比設計是AM未來進一步發(fā)展的有趣概念。雖然調(diào)幅技術(shù)在建造業(yè)仍處于起步階段，但可以看出，利用這項技術(shù)，傳統(tǒng)的建筑工序有可能得到改善。

3 增材制造技術(shù)挑戰(zhàn)

盡管3D打印具有設計自由、定制化和打印復雜結(jié)構(gòu)等優(yōu)點，但仍存在一些缺陷，需要進一步的研究和技術(shù)開發(fā)。

3.1 孔隙

3D打印的主要缺點之一是在隨后的材料層之間形成空洞。由于印刷層之間界面粘結(jié)的減少，AM產(chǎn)生的額外孔隙率會非常高，從而降低機械性能?？紫兜男纬沙潭仍诤艽蟪潭壬先Q于3D打印方法和打印材料。在使用FDM或輪廓加工等材料細絲的方法中，孔隙的形成更為常見，并被認為是導致力學性能低下和各向異性的主要缺陷之一，這種空洞的形成也會導致印刷后層與層之間的分層。在采用FDM方法的3D打印復合材料中，增加長絲厚度會降低復合材料的孔隙率，但會降低復合材料的粘結(jié)力，導致拉伸強度降低、吸水率增加。隨著混凝土層厚度的增加，層與層之間的間隔時間越長，在混凝土增材制造中，層間粘結(jié)效果越好，形成的空隙越小。另一方面，在氧化鋁/玻璃復合材料粉底印刷中，通過減小每一層的高度，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頂層，促進陶瓷粉末在層間的擴散，從而減少層間空隙的形成。

但3D打印零件的高孔隙率并不總是一個缺陷，對于生物復合材料，3D打印的部分高孔隙率可以通過提高保水能力來引入吸濕性能，或者設計組織工程中的多孔支架。

3.2 各向異性組織和力學性能

各向異性是AM的主要挑戰(zhàn)之一，即由于逐層印刷的性質(zhì)，每一層內(nèi)部材料的微觀結(jié)構(gòu)與層與層之間邊界處材料的微觀結(jié)構(gòu)不同。各向異性行為導致三維打印件在垂直拉伸或壓縮下的力學性能與水平方向的力學性能不同。在熱熔合(SLS或SLM) 3D打印的金屬和合金中，后續(xù)層的加入使前一層的邊界重新加熱，由于熱梯度的作用，導致不同的晶粒組織和各向異性行為。激光束對每一層的熱穿透不僅是控制燒結(jié)過程的一個重要因素，也是限制各向異性行為的一個重要因素。

然而，3D打印材料的各向異性行為在某些應用中是有幫助的。例如，通過控制表面3D打印細絲的性能，可以實現(xiàn)表面特殊的各向異性潤濕性，由此開發(fā)了一種超疏水性和各向異性的3D打印聚二甲基硅氧烷薄膜，該薄膜具有良好的熱耐久性，可用于透氣防水表面等應用。

3.3 從設計到執(zhí)行

計算機輔助設計(CAD)軟件是設計3D打印零件的主要工具，它通常使用鑲嵌概念來表達近似模型，然而將CAD轉(zhuǎn)換成3D打印部件常常會導致不準確和缺陷，尤其是在曲面上。一個非常精細的鑲嵌可以在一定程度上解決這個問題，但計算處理和打印將是費時和復雜的。因此，有時考慮通過加熱、激光、化學制品或砂光等后處理來消除這些缺陷。

為了限制從設計到執(zhí)行的缺陷，需要規(guī)劃并找到零件的最佳方向，將零件切割成足夠多層并生成支撐材料，這些支撐材料必須支持后續(xù)層的添加，打印后可以很容易地移除。其中采用粉底法較為便利，其優(yōu)點是采用無粘結(jié)的粉末作為載體，印刷后可通過氣壓輕松去除。此外，印刷工藝參數(shù)如擠出壓力和取向的纖維(FDM、噴墨和柜臺制作)、激光功率(SLM和SLS)、層厚度、印刷方向、溫度和印刷速度以及材料特性(如流變學、熱塑性、粉包裝等等)，可以極大地影響外觀和力學性能的3D打印部分。

4 結(jié)語

綜上所述，增材制造在最近的研究和發(fā)展中作出了重大貢獻，也面臨著一些挑戰(zhàn)，比如有限的材料、成本高、監(jiān)管問題、3D打印零件質(zhì)量不一致等。在不久的將來，世界范圍內(nèi)增加的資金、研究和開發(fā)將進一步促進攻克相關挑戰(zhàn)和問題，引導從傳統(tǒng)的制造方法向3D打印的快速轉(zhuǎn)變。