香港城市大學(xué)呂堅院士團隊頂刊綜述：結(jié)構(gòu)材料的增材制造

通訊作者：呂堅
共同第一作者：劉果,，張小鋒,，陳緒梁，何云虎
其他作者：成勵子,，霍夢科,，殷建安，郝鳳乾,，陳思堯,，王培育，易圣輝,，萬鐳,，毛
正義，陳舟,，王旭,，曹趙文博
單位：香港城市大學(xué)機械工程系，沈陽材料科學(xué)國家研究中心大灣區(qū)研究部,，國家貴
金屬材料工程技術(shù)研究中心香港分中心,，香港城市大學(xué)深圳福田研究院


2021 年 4 月 1 日,，香港城市大學(xué)呂堅院士團隊在 Materials Science and Engineering: R: Reports 上發(fā)表綜述論文“Additive manufacturing of structural materials”該論文分別從增材制造領(lǐng)域的發(fā)展歷史,，材料選擇，4D 打印,，應(yīng)用前景,，和趨勢展望等方面做了較為系統(tǒng)的介紹。論文鏈接：

第一章：簡介
增材制造（Additive manufacturing, AM），又稱 3D 打印,，其應(yīng)用被認(rèn)為是繼蒸汽機,，計算機，和互聯(lián)網(wǎng)之后的又一項工業(yè)革命,。AM 技術(shù)在過去的 30 年發(fā)展迅速,，尤其是在近 5 年 AM 技術(shù)一直在加速其應(yīng)用。與減材制造（如常規(guī)機加工,，鑄造,，和鍛造等工藝）不同，AM 通過在計算器輔助設(shè)計（CAD）模型的指導(dǎo)下連續(xù)逐層添加材料來構(gòu)造三維結(jié)構(gòu),。

AM 是一種面向材料的制造技術(shù),，在各種材料（包括聚合物，金屬,，陶瓷,，玻璃，和復(fù)合材料等）中,，普通存在打印精度和打印尺度/速度不可兼得的矛盾,。4D 打印技術(shù)通常指的是經(jīng) 3D 打印成型的物體在外界刺激，例如熱,，磁,，液，電,，光,，氣壓，預(yù)應(yīng)力,，或其組合的刺激下,，實現(xiàn)構(gòu)型和功能的變化。本文總結(jié)了各種刺激方法的常用材料和原理,，對比了不同刺激方法的優(yōu)缺點,。4D 打印材料和技術(shù)，伴隨著各種變形系統(tǒng)的開發(fā),，驅(qū)動著研究者在高維 AM 領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)概念突破及實際應(yīng)用,。該綜述對結(jié)構(gòu)材料的增材制造提出了多元化展望，包括多材料（multi-material）AM,，多模量（multi-modulus）AM,，多尺度（multi-scale）AM，多系統(tǒng)（multi-system）AM,，多維度（multi-dimensional）AM,，和多功能（multi-function）AM,。 AM 材料和方法的迅速發(fā)展為其在不同領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)應(yīng)用提供了巨大潛力，包括航空航天領(lǐng)域,，生物醫(yī)療領(lǐng)域,，電子設(shè)備，核工業(yè),，柔性可穿戴設(shè)備,，軟質(zhì)傳感器/驅(qū)動器/機器人技術(shù)，珠寶和藝術(shù)裝飾品,，陸地運輸,，水下設(shè)備，和多孔結(jié)構(gòu),。此項研究獲廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃,，深港科技創(chuàng)新合作區(qū)深圳園區(qū)項目，國家自然科學(xué)基金重大項目,，國家重點研發(fā)計劃,，和大學(xué)教育資助委員會（香港）聯(lián)合實驗室資助計劃的項目支持。

△增材制造的技術(shù)路線圖

△各種增材制造材料和工藝普通存在打印精度和打印尺度/速度不可兼得的矛盾

△各種 4D 打印驅(qū)動刺激的關(guān)系圖

△結(jié)構(gòu)材料增材制造的多元化展望

△多維度增材制造：更高的維度,，更高的打印效率

△3D 打印機有望借助自我打印能力而實現(xiàn)打印萬物

以下為該綜述部分章節(jié)的簡要介紹：

第二章：不同材料的 AM
2.1 聚合物材料的 AM
該部分主要概述了聚合物 AM 的制造方法,、材料種類以及 AM 聚合物的性能及使用領(lǐng)域，提出了聚合物 AM 的不足之處,，并給出了解決方法,。該部分同時展望了聚合物 AM 的良好發(fā)展前景。

2.2 金屬材料的 AM
該部分介紹了金屬 AM 利用多領(lǐng)域多學(xué)科融合的思路,，在開發(fā)專用材料,，新型工藝以及制造結(jié)構(gòu)上的相關(guān)進(jìn)展，同時高熵合金,，金屬玻璃（非晶合金）,，貴金屬，金屬結(jié)構(gòu)材料的功能特性等方面前景廣大,，但仍需進(jìn)一步發(fā)展,。

2.3 陶瓷材料的 AM
該部分介紹了不同種類（粉基/漿基，鍍膜基,，聚合物前驅(qū)體基）的陶瓷打印材料的特點,，重點概述了聚合物衍生陶瓷在陶瓷 AM 領(lǐng)域的優(yōu)勢和應(yīng)用，總結(jié)了直寫打印的特點和所需的墨水條件,，并對陶瓷打印技術(shù)將會往打印構(gòu)型更大和打印速度更快兩個方向的發(fā)展做了展望,。

2.4 玻璃材料的 AM
該部分對 3d 打印玻璃進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述，介紹了高溫打印/低溫打印/復(fù)合玻璃材料打印三種類型,，對比了不同打印方式下產(chǎn)品的透光度和性能的差異,，并對 3d 打印玻璃的應(yīng)用和前景進(jìn)行了展望。

2.5 復(fù)合材料的 AM
該部分第一小節(jié)總結(jié)了聚合物-金屬復(fù)合打印的策略,，介紹了多尺度的層級聚合物-金屬復(fù)合材料能突破機械性能（例如強度-密度,，強度-韌性）之間的耦合，特征尺寸可以跨越 7 個數(shù)量級,，充分利用“越小越強”的尺寸效應(yīng),。同時，機械超材料憑借特殊的架構(gòu)設(shè)計可實現(xiàn)非凡的剛度,，強度和韌性,。

該部分第二小節(jié)總結(jié)了聚合物-陶瓷復(fù)合打印的策略，生物陶瓷通常具有較高的強度和斷裂韌性,，這種良好的力學(xué)性能主要歸因于其復(fù)雜而又巧妙結(jié)合的多級結(jié)構(gòu),。3D 打印工藝是一種 “自下而上”制備工藝，能夠很好的應(yīng)用在仿生陶瓷的制備,，例如常見的“Bouligand”結(jié)構(gòu),，“磚-瓦”結(jié)構(gòu)，“交叉疊片”結(jié)構(gòu)等,，為人們制備高性能仿生陶瓷提供了有效途徑,。

該部分第三小節(jié)總結(jié)了金屬-陶瓷-聚合物復(fù)合打印的策略，包括將金屬-陶瓷-聚合物復(fù)合材料粉末混合打印,，以及將金屬-陶瓷-聚合物材料分層打印,，并展望未來 3D 打印金屬-陶瓷-聚合物復(fù)合材料的發(fā)展方向。

第四章：AM 的結(jié)構(gòu)材料在不同領(lǐng)域的應(yīng)用

4.1 航空航天領(lǐng)域
在航天領(lǐng)域,，尤其是航天器零部件和天線等結(jié)構(gòu)方面的領(lǐng)域,，得益于太空的零（微）重力環(huán)境，在軌增材制造可以打印很多傳統(tǒng)加工方式難以實現(xiàn)的零部件,。在航空領(lǐng)域,，增材制造的應(yīng)用逐漸成熟，從最初在非關(guān)鍵部件上的應(yīng)用逐漸過渡到例如發(fā)動機核心部件的制造,。例如使用增材制造燃油噴嘴,，在減少部件的同時，提高燃油效率,。在可以預(yù)見的將來,，增材制造將在航空領(lǐng)域大放異彩，乃至于影響到飛機的整體設(shè)計,。另外,，3D 打印為新型可變機翼的研發(fā)提供了強大的加工能力，顯著提高了新型結(jié)構(gòu)的研發(fā)效率,，并實現(xiàn)了應(yīng)用于可變機翼的全新的結(jié)構(gòu)體系,，目前蓬勃發(fā)展中的 4D 打印技術(shù)將為可變機翼提供更多先進(jìn)的技術(shù)路徑,。

△增材制造在航天領(lǐng)域的應(yīng)用

△增材制造在航空領(lǐng)域的應(yīng)用

4.2 生物醫(yī)療領(lǐng)域
增材制造在生物醫(yī)療領(lǐng)域已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用，包括骨科,、牙科,、軟組織工程、組織修復(fù)再生和生物治療等,。該部分從打印材料,，表面處理，結(jié)構(gòu)設(shè)計等角度,，總結(jié)了在硬組織工程應(yīng)用中增材制造技術(shù)的研究現(xiàn)狀,。同時還對目前比較成熟的商業(yè) 3D 打印骨植入物，以及應(yīng)用增材制造技術(shù)的典型病例,，進(jìn)行了介紹與總結(jié),。增材制造高精度，多材料的特點為復(fù)雜的生物支架制備提供了新的選擇,，在人造心臟,，體內(nèi)遙控機器人等高難度領(lǐng)域都有著不可替代的優(yōu)勢。

△增材制造在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

4.3 電子設(shè)備
該部分總結(jié)了 AM 在包括微波器件,，PCB 板,，MEMS，微電池,，RFID 標(biāo)簽,，以及陶瓷手機背板等電子設(shè)備上的應(yīng)用。在現(xiàn)代微波通訊系統(tǒng)及電磁應(yīng)用領(lǐng)域中,，增材制造技術(shù)為器件的小型化,、輕質(zhì)化、高精度,、低成本制造提供了新方法,，可有效降低傳統(tǒng)制造中存在的材料冗余、裝配誤差等缺點,。在未來微波及太赫茲器件的增材制造技術(shù)發(fā)展方面,，提升制造質(zhì)量和速度，研發(fā)新材料以適應(yīng)多功能需求以及實現(xiàn)更高頻器件制造將具有廣闊空間,。隨著 5G 時代的到來和無線充電技術(shù)的發(fā)展,，陶瓷材料的 AM 有望在新型手機背板的開發(fā)上發(fā)揮重要作用。

△增材制造在電子設(shè)備的應(yīng)用

4.4 核工業(yè)
該部分主要概述了增材制造制備的高分子,、金屬及陶瓷材料在核工業(yè)中的應(yīng)用,。從復(fù)合材料及材料結(jié)構(gòu)方面對中子屏蔽材料的性能及應(yīng)用進(jìn)行研究，并展望多功能復(fù)合材料在核工業(yè)中的潛在應(yīng)用,。

△增材制造在核工業(yè)的應(yīng)用

4.5 柔性可穿戴設(shè)備
3D 打印技術(shù)可應(yīng)用于柔性,、可穿戴電子設(shè)備的制造,，例如應(yīng)變傳感器、納米發(fā)電機,、柔性電極等,。

△增材制造在柔性可穿戴設(shè)備的應(yīng)用

4.6 軟質(zhì)傳感器/驅(qū)動器/機器人技術(shù)
4D 打印濕度、溫度響應(yīng)水凝膠發(fā)展迅速,，各種幾何形狀,、復(fù)雜變形和定向運動都已經(jīng)實現(xiàn),。3D/4D 打印在傳感器,、執(zhí)行器和軟體機器人等各個方面都顯示出了巨大的應(yīng)用潛能。

△增材制造在軟質(zhì)傳感器/驅(qū)動器/機器人技術(shù)的應(yīng)用

4.7 珠寶和藝術(shù)裝飾品
3D 打印技術(shù)由于制造周期短,、可根據(jù)客戶需求精確定制,、制造過程具有零浪費等特點，成為了珠寶和裝飾行業(yè)興起的新型制造技術(shù),。3D 打印技術(shù)通過電腦建�,？梢栽O(shè)計結(jié)構(gòu)復(fù)雜的珠寶和裝飾，并且以高分子,、金屬,、陶瓷等材質(zhì)直接打印出來，也可以通過打印鑄造珠寶所需的低熔點熔模來間接參與珠寶制作,。

△增材制造在珠寶和藝術(shù)裝飾品的應(yīng)用

4.8 陸地運輸
增材制造技術(shù)在陸地交通領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景,。相較于傳統(tǒng)的陸地交通工具（如汽車、自行車,、高鐵等）的制造技術(shù),，增材制造技術(shù)不僅可以有效地降低制造成本，縮短研發(fā)周期,，提高生產(chǎn)效率,，還能夠推動交通工具定制化設(shè)計的普遍應(yīng)用。

4.9 水下設(shè)備
3D打印在航海領(lǐng)域的價值不斷在開發(fā),，從服務(wù)水面船艦維護到深海水下探測,。受益于 3D 金屬材料打印技術(shù)的成熟和海上環(huán)境 3D 打印技術(shù)的研發(fā)，未來遠(yuǎn)洋船艦中極可能標(biāo)配 3D 打印設(shè)備,，為遠(yuǎn)離陸地補給的船艦即時制備已磨損或需更換的配件或臨時所需的結(jié)構(gòu),。該領(lǐng)域的潛在可觀的市場也將吸引和促進(jìn) 3D 打印技術(shù)在動態(tài)環(huán)境下的發(fā)展。

△增材制造在海陸空交通運輸?shù)臐撛趹?yīng)用場景

4.10 多孔結(jié)構(gòu)
隨著各種 3D 打印技術(shù)的飛速發(fā)展,，作為多孔結(jié)構(gòu)的不同微觀結(jié)構(gòu)變得越來越重要,。通過使用 AM 技術(shù)，多孔結(jié)構(gòu)有廣闊的應(yīng)用前景,，特別是在醫(yī)療領(lǐng)域,，如骨支架,。利用3D 打印技術(shù)，可以個性化地制造出不同的尺寸和形態(tài)的結(jié)構(gòu),。

呂堅院士簡介

呂堅院士現(xiàn)任香港城市大學(xué)機械工程系講座教授,，先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料研究中心（CASM）主任，國家貴金屬材料工程技術(shù)研究中心香港分中心 (NPMM)主任,，香港工程科學(xué)院院士,，法國國家技術(shù)科學(xué)院院士。2006 年及 2017 年曾兩次獲得由法國總統(tǒng)親自任命的“法國政府頒授法國國家榮譽騎士勛章”及“法國國家榮譽軍團騎士勛章”,，2018 年獲得“中國工程界最高獎”第十二屆光華工程科技獎,。呂堅教授的研究方向涉及先進(jìn)納米結(jié)構(gòu)材料的制備和力學(xué)性能，實驗力學(xué),，材料表面工程和仿真模擬,，生物與仿生材料力學(xué)，航空航天材料與結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力工程,，3D 打印先進(jìn)材料與產(chǎn)品集成設(shè)計等,。


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