2016年終盤點(diǎn)新材料趨勢，賦予3D打印更多附加值

眾所周知,，材料是限制3D打印進(jìn)步的最大因素,，而同時(shí)材料也是解放3D打印潛力的神奇鑰匙,。制造定制化產(chǎn)品和復(fù)雜的產(chǎn)品是3D打印一大吸引力,，然而這些優(yōu)勢如何突破原型制造的應(yīng)用，在最終產(chǎn)品的生產(chǎn)領(lǐng)域有多大的發(fā)展空間很大程度上取決于材料技術(shù)的發(fā)展,。南極熊也看到在2016年一年中有許多的新材料的出現(xiàn),，接下來我們整理了3D打印材料的發(fā)展趨勢,，通過這些發(fā)展趨勢讓我們共同來體會(huì)一下材料是如何推動(dòng)3D打印技術(shù)走向生產(chǎn)的。

不僅僅是滿足生產(chǎn)需求,，創(chuàng)造功能與產(chǎn)品生命周期價(jià)值

塑料 – 走向工程級(jí)別應(yīng)用
熱塑性絲材和液體樹脂占據(jù)了塑料3D打印的主要市場,，塑料絲材應(yīng)用于基于材料擠出的FFF（電熔制絲）和FDM（熔融擠出）3D打印技術(shù)，樹脂材料光固化材料應(yīng)用于SLA,、DLP,、Polyjet 等3D打印技術(shù)中。

絲材
不少材料都可以作為熱塑性塑料絲來進(jìn)行打印,，但最常見的是ABS和PLA絲材,，ABS是一種應(yīng)用廣泛的工程塑料，日常生活中大量的塑料玩具和生活用品都是用ABS塑料制造的,，因此3D打印材料制造商無需進(jìn)行強(qiáng)度,、耐久性、安全性與其他屬性的大量測試,。而隨著3D打印精度的提升,，在小批量生產(chǎn)ABS產(chǎn)品的時(shí)候，3D打印具有比注塑更經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢,。不過,，針對(duì)3D打印這個(gè)工藝，ABS絲材還有一些需要改善的問題存在,，如ABS材料在冷卻時(shí)容易收縮和翹曲,。PLA是一種可降解的生物材料，比ABS更加環(huán)保,，在加熱時(shí)不會(huì)發(fā)出有毒氣體,，冷卻收縮率小，透明容易染色,，但是聚乳酸材料也存在力學(xué)性能差,易發(fā)生脆性斷裂等缺點(diǎn),，導(dǎo)致3D打印PLA 材料的應(yīng)用范圍受到限制。

可見,，F(xiàn)FF或FDM 3D打印技術(shù)若要在生產(chǎn)領(lǐng)域獲得更大空間,，則需要一批收縮率小、力學(xué)性能好的絲材,。國內(nèi)的3D的打印材料企業(yè)已著手開發(fā)改性的ABS或PLA材料,，或推出新的高分子材料，例如,，深圳光華偉業(yè)在進(jìn)行聚乳酸材料改性時(shí)加入了低熔點(diǎn)樹脂包覆的無機(jī)粉體，從而降低降低材料的收縮率并加速材料的冷卻,，制備出來的PLA打印線材具有較好韌性,，具有收縮率低,、不翹邊、 不開裂,、冷卻快,、外觀好等優(yōu)點(diǎn)。上海Polymaker開發(fā)了PolySher,能對(duì)打印件噴涂特制的酒精氣溶膠,，從而消除打印件表面的層狀痕跡,，顯著提高表面質(zhì)量，令打印件變得像注塑件一樣光滑,。PolySmooth的定位是達(dá)到ABS的機(jī)械性能同時(shí)又像PLA一樣的容易打印,。

隨著近幾年材料與材料擠出3D打印設(shè)備的發(fā)展，不僅是打印質(zhì)量表面越來越光滑,，而且在打印的長絲材料方面,，越來越走向復(fù)合材料打印，使得這些打印出來的產(chǎn)品擁有了注塑產(chǎn)品都難以達(dá)到的工程級(jí)性能,。

例如可用于FDM 3D打印技術(shù)的碳纖維復(fù)合絲材,，3DXTECH用伊士曼化工的PETG材料結(jié)合高模量碳纖維制成復(fù)合材料。PETG這種材料,，本身就有很好的延展性,，而且它能在承受更高的CF負(fù)載的同時(shí)保持一定的延展性和抗沖擊性。它能夠很好地粘附在多種構(gòu)建平臺(tái)上,，同時(shí)也具有優(yōu)異的層粘合,，而碳纖維的加入不僅增加了它的剛性和尺寸穩(wěn)定性。

樹脂
樹脂光固化3D打印技術(shù)逐漸走向生產(chǎn),，主要源自兩個(gè)發(fā)展趨勢的推動(dòng),，一種趨勢是具有更高表面細(xì)節(jié)和良好力學(xué)性能的樹脂材料的出現(xiàn)，另一種是樹脂材料打印速度的大幅提升,。在樹脂材料領(lǐng)域,，美國Carbon公司推出的氰酸酯（Cyanate Ester）耐高溫樹，在高溫下保持良好的強(qiáng)度,、剛度和長期的熱穩(wěn)定性,，適用于汽車和航空工業(yè)的模具和發(fā)熱機(jī)械零件的生產(chǎn)。Formlabs,、塑成科技,、MadeSolid等公司也推出了可與ABS注塑件對(duì)標(biāo)的硬性樹脂材料。

Carbon已將樹脂3D打印技術(shù)滲透到了生產(chǎn)領(lǐng)域,，投資Carbon的股東之一寶馬集團(tuán)已使用Carbon3D打印機(jī)生產(chǎn)汽車上的個(gè)性化零部件,。國內(nèi)企業(yè)中，大族激光率先推出了商業(yè)化的高速度樹脂3D打印機(jī),，由于打印所需時(shí)間短,，打印效率高,，特別適用于產(chǎn)品的批量定制化生產(chǎn)。光敏樹脂材料與設(shè)備的技術(shù)提升是相輔相成的過程,，隨著新設(shè)備的涌現(xiàn),，更多工程級(jí)別應(yīng)用的新材料將被研發(fā)出來。詳見南極熊盤點(diǎn)—9種適用于桌面級(jí)3D打印的光敏樹脂

尼龍
尼龍燒結(jié)方面,，意大利CRP Technology則產(chǎn)生了需要卓越的機(jī)械和美學(xué)特性的全球產(chǎn)品,，而且他們的塑料產(chǎn)品可以被CNC機(jī)床進(jìn)行加工。譬如說新一代的聚酰胺材料windform FX,，特點(diǎn)是耐反復(fù)彎曲和扭轉(zhuǎn),，顯示出優(yōu)異的耐沖擊性，即使在低溫下,，它的一致性類似于聚丙烯和注射成型零件,。

金屬材料-與應(yīng)用深度結(jié)合
春江水暖鴨先知，以應(yīng)用驅(qū)動(dòng)材料與設(shè)備技術(shù)已蔚然成風(fēng),。

包括GE對(duì)金屬3D打印企業(yè)的收購以及對(duì)塑料3D打印企業(yè)的投資,，這些都與GE的下游應(yīng)用業(yè)務(wù)相互呼應(yīng)，使得GE獲得一手的設(shè)備優(yōu)勢的同時(shí),，又通過自身在應(yīng)用領(lǐng)域的前沿探索助推設(shè)備的研發(fā)速度,，而GE收購的Arcam又有金屬粉末的生產(chǎn)業(yè)務(wù)，這進(jìn)一步形成了應(yīng)用-設(shè)備-粉末的良性互動(dòng),。

GKN打造了三個(gè)增材制造卓越中心：GKN美國辛辛那提增材制造卓越中心,，GKN 瑞典Trollhätten增材制造卓越中心，GKN英國Filton增材制造卓越中心,。不僅僅是應(yīng)用,，應(yīng)用是GKN的商業(yè)模式也是感受市場需求的“探測頭”，通過航空航天,、動(dòng)力,、粉末三大業(yè)務(wù)部門，每個(gè)業(yè)務(wù)部門相互滋養(yǎng),，并與應(yīng)用端緊密相連,。與此同時(shí)，給GKN這些卓越中心不斷“輸血”的是GKN與其全球20所高校及科研機(jī)構(gòu)的聯(lián)合開發(fā)模式.詳見3D科學(xué)谷研究揭秘GKN的增材制造布局,。

美鋁是另外一家形成企業(yè)內(nèi)生態(tài)圈的企業(yè),，通過收購，美鋁快速發(fā)展了貫穿增材制造整個(gè)工藝鏈的工程能力,，他們不僅僅對(duì)增材制造有著基于大量操作實(shí)踐的了解,，還在包括熱等靜壓這些后處理工藝上進(jìn)行了大量的投資。美鋁自身的能力就可以滿足對(duì)增材制造流程中每個(gè)環(huán)節(jié)的把控，而他們甚至可以根據(jù)特定的加工需求來開發(fā)特定的金屬粉末,，然后通過增材制造的工藝將其制造出來,，再進(jìn)行后處理和質(zhì)量檢測,。

國內(nèi)打造企業(yè)內(nèi)部生態(tài)圈的典型企業(yè)是西安鉑力特,，其三大業(yè)務(wù)板塊：粉末材料、設(shè)備,、打印服務(wù),，這幾個(gè)板塊的業(yè)務(wù)相輔相成，不斷增強(qiáng)其核心技術(shù)的市場競爭力,。通過研究粉末材料來理解設(shè)備,，通過滿足應(yīng)用端的需求來推動(dòng)粉末材料、加工工藝,、設(shè)備的發(fā)展,。詳見鉑力特-好基因更要靠后天努力。

一個(gè)有趣的現(xiàn)象,，目前金屬3D打印多為大型的工業(yè)設(shè)備,，需要高功率的激光器在高溫環(huán)境下將金屬粉末進(jìn)行熔融成型。納米級(jí)金屬材料將使金屬材料的熔點(diǎn)顯著降低,，例如金屬銅的熔點(diǎn)是1000°C,，但是20nm 銅顆粒的熔點(diǎn)為280°C。探索納米級(jí)金屬3D打印材料成為這個(gè)領(lǐng)域滿足特殊應(yīng)用的一個(gè)有趣趨勢,。

除了粉末狀的納米材料,，液態(tài)納米材料也正在浮出水面，Xjet的碳化鎢/鈷油墨組合物中包括作為載體起作用的液體媒介物,，作為亞微米顆粒,、納米粒子的碳化鎢(WC)和鈷(Co)。鈷也可以在油墨中以前驅(qū)體(precursors)的形式存在,，例如可溶解的有機(jī)鈷化合物,、鹽或絡(luò)合物。詳見揭開神秘面紗, 看Xjet改變3D打印游戲規(guī)則的潛力,。

而除了材料本身,，加工工藝與材料深度結(jié)合起來，納米材料增強(qiáng)合金,、等軸細(xì)晶合金,、梯度合金、非晶態(tài)金屬,、自愈合合金,、超導(dǎo)材料、金屬有機(jī)骨架材料的研發(fā)從微觀層面上呈現(xiàn)出材料技術(shù)的潛能。拓?fù)鋬?yōu)化,、胞元結(jié)構(gòu)又從結(jié)構(gòu)學(xué)角度上展現(xiàn)出材料與結(jié)構(gòu)學(xué)結(jié)合的無限可能,，詳見3D科學(xué)谷發(fā)表的晶格建模與制造中的學(xué)問，你get了嗎,？

另外,，除了塑料與金屬，石墨烯材料的開發(fā),，極高耐高溫陶瓷材料的開發(fā),，納米顆粒與納米纖維材料開發(fā),，生物打印材料以及再生醫(yī)學(xué)材料的開發(fā)都在推動(dòng)整個(gè)3D打印行業(yè)材料的發(fā)展趨勢,。

定制化材料
用戶對(duì)材料的特定需求也可以拉動(dòng)3D打印技術(shù)在生產(chǎn)中的應(yīng)用，工程師在設(shè)計(jì)的早期階段就考慮材料選用和制造工藝,，并從概念設(shè)計(jì)到具體和最終詳細(xì)設(shè)計(jì)階段作為設(shè)計(jì)內(nèi)容而加以考慮和確定,，如果涉及到使用3D打印工藝,，那么3D打印材料設(shè)計(jì)師可以通過改變材料的韌性、彈性,、導(dǎo)電性等性能設(shè)計(jì)出滿足用戶生產(chǎn)需求的材料,。

Graphene 3D Lab公司推出一種石墨烯復(fù)合材料G6-Impact3D打印絲材，配方中含有HIPS樹脂,、碳纖維和石墨烯納米顆粒,，適用于那些需要在剛性表面進(jìn)行減振的應(yīng)用，例如運(yùn)動(dòng)器材,、電力工具手柄,、汽車零部件和航空航天部件等。Graphene 3D Lab可以根據(jù)客戶的目標(biāo)應(yīng)用需求提供定制的聚合物基復(fù)合材料,。

多材料與功能化
目前的3D打印技術(shù)主要是打印單一的材料和制造單獨(dú)的零部件,，在打印完成之后與其他零部件裝配在從而形成完整的機(jī)械或電子產(chǎn)品。多材料3D打印技術(shù)的出現(xiàn),，可以同時(shí)完成塑料和金屬材料的3D打印,，有望一次性制造出完整的產(chǎn)品。

據(jù)市場研究,，這類3D打印技術(shù)已在電子產(chǎn)品的制造領(lǐng)域得到應(yīng)用,。例如Voxel8 3D打印機(jī)，可以在一次打印中交替進(jìn)行電子產(chǎn)品塑料外殼的打印與金屬導(dǎo)電電路的打印,，在打印中可以插入電子元器件并繼續(xù)完成打印,，從而一次性實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品的外殼制造與產(chǎn)品內(nèi)部的電路互聯(lián)，直接制造出功能性的電子產(chǎn)品,。研發(fā)出可在室溫下進(jìn)行打印并迅速固化的導(dǎo)電油墨材料是實(shí)現(xiàn)這一應(yīng)用的關(guān)鍵,。

可以說多材料正在引領(lǐng)從塑料到金屬發(fā)展趨勢,，并在打印的過程中賦予了產(chǎn)品更巧妙的功能。這其中就包括：

麻省理工和新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)開創(chuàng)的3D打印熱響應(yīng)性聚合物材料,，能夠記得原來的形狀,，即使被暴露在極端壓力和扭轉(zhuǎn)彎曲成無用的形狀，只要把對(duì)象放回他們的響應(yīng)溫度下,，立即在幾秒鐘內(nèi)回到原來的形式,。這種材料在太陽能、醫(yī)療和太空探索領(lǐng)域具有應(yīng)用前景,，包括軟性驅(qū)動(dòng)器,、藥物膠囊,、太陽能板角度調(diào)節(jié)器等,；

弗吉尼亞理工大學(xué)通過微光固化技術(shù)打印了毫米大小的3D對(duì)象，材料是離子液體制成的導(dǎo)電聚合物,。打印對(duì)象小到25μm,，潛在的應(yīng)用涉及到人類細(xì)胞。事實(shí)上,，這種技術(shù)可以讓工程師打印導(dǎo)電元件甚至組織支架,；

約翰霍普金斯大學(xué)的研究人員研發(fā)出了一個(gè)成功的3D打印材料配方：混合至少30%粉碎的天然骨粉與一些特殊的人造塑料，并通過3D打印技術(shù)創(chuàng)建所需的形狀,；

Additive Elements研發(fā)了食品級(jí)材料由專門的惰性材料和原材料主城,，而且可完全回收并且對(duì)環(huán)境無害；美國勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）與加州大學(xué)圣克魯茲分校的科學(xué)家們通過3D打印石墨烯超級(jí)電容讓定制化電子產(chǎn)品成為可能,；

澳大利亞斯威本大學(xué)（Swinburne University）的研究人員通過3D打印石墨烯薄片,，發(fā)明了一種全新而且應(yīng)用廣泛的能源存儲(chǔ)技術(shù)（從技術(shù)上講，是一種超級(jí)電容器）,，可容納更大的電荷能量,，并且在一秒鐘內(nèi)完成充電；

蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)的“納米液滴”3D打印,，能夠以金,、銀納米顆粒為原料3D打印出超薄的“納米墻；

加利福尼亞州Malibu的HRL 實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了可兼容與光固化/3D打印的樹脂配方,，這種樹脂在3D打印后經(jīng)過過火可以生成致密的陶瓷部件,，為航天軍工應(yīng)用打開了潛能空間；

MIT研發(fā)的Cilllia毛發(fā)是通過光敏樹脂固化的技術(shù)打印出來的,，通過將3D打印的精度控制到極其細(xì)微的程度,。這對(duì)于動(dòng)力學(xué)是個(gè)創(chuàng)新領(lǐng)域，改變了以往我們需要電機(jī)或者其他的動(dòng)力裝置才能使得物體發(fā)生移動(dòng)的現(xiàn)狀,；

美國賓夕法尼亞州立大學(xué)的科學(xué)家使用3D打印技術(shù)制作的離子交換膜模型是第一個(gè)可以定量降低交換膜電阻的模型,。只需一個(gè)簡單的并聯(lián)電阻模型就可以描述這些圖案在降低這些新型膜的電阻方面發(fā)揮的影響；

英國Bristol大學(xué)找到了代替熔融長絲的3D打印復(fù)合材料的方法，該方法是基于光敏樹脂技術(shù)的3D打印技術(shù),。通過超聲波用來誘導(dǎo)材料的微觀結(jié)構(gòu)排列,，通過激光束用來固化環(huán)氧樹脂。
正在完善的材料標(biāo)準(zhǔn)
3D打印技術(shù)的工程應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)寬,，產(chǎn)業(yè)及技術(shù)發(fā)展中面臨的標(biāo)準(zhǔn)需求日益凸顯,，3D打印材料、工藝及標(biāo)準(zhǔn)的建立將進(jìn)一步推動(dòng)3D打印在生產(chǎn)中應(yīng)用,。

美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）著手開展相關(guān)工作,，2009年ASTM國際標(biāo)準(zhǔn)組織組建了F42增材制造技術(shù)委員會(huì)。F42增材制造標(biāo)準(zhǔn)化專委會(huì)已做了細(xì)致的標(biāo)準(zhǔn)工作,。從頂層的標(biāo)準(zhǔn)來說包括：常規(guī)概念,、常規(guī)要求、常規(guī)應(yīng)用,。到針對(duì)于材料到加工工藝等不同階段和不同分類的一般標(biāo)準(zhǔn),，再到針對(duì)每個(gè)行業(yè)的特殊需求所適用的特種材料、工藝以及應(yīng)用的特殊標(biāo)準(zhǔn),。

2011年ISO也成立了針對(duì)增材制造的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)TC261 ,，同年與ASTM F42簽署合作協(xié)議，共同開展增材制造技術(shù)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化工作,，并分別于2013年和2015年聯(lián)合發(fā)布了三份ISO/ASTM標(biāo)準(zhǔn),，分別從術(shù)語定義、坐標(biāo)系定義,、增材制造數(shù)據(jù)格式（AMF）等方面進(jìn)行了規(guī)范,。

歐洲SASAM增材制造標(biāo)準(zhǔn)化小組聯(lián)合了ISO、ASTM以及CEN多方力量并與2015年6月發(fā)布了2015增材制造標(biāo)準(zhǔn)化路線圖,。路線圖中除了關(guān)于增材制造標(biāo)準(zhǔn)化路線圖的詳細(xì)介紹,，還闡述了當(dāng)前歐洲增材制造的優(yōu)劣勢分析，以及當(dāng)前發(fā)展需要克服的問題,。

在我國,，全國增材制造標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（TC562）與2016年4月召開成立大會(huì)，對(duì)口國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO TC 216,，在國家層面上開展增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作,。目前通過該技術(shù)委員會(huì)正在制定的標(biāo)準(zhǔn)共有6項(xiàng)，設(shè)計(jì)增材制造技術(shù)術(shù)語,、文件格式,、工藝和材料分類等方面。中國航空綜合技術(shù)研究所自2007年就開始了增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的研究,，研究形成了一系列增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),，并積極推行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的立項(xiàng)及制定工作,，目前正在開展鈦合金零件激光直接沉積工藝、粉末,、制件規(guī)范等5項(xiàng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作,。

更加先進(jìn)的檢測技術(shù)
除了材料標(biāo)準(zhǔn)勢在必行，缺乏完善的測試體系,，增材制造很難真正意義上理解材料特性對(duì)加工的意義,，而依靠目前的測試手段已經(jīng)不能滿足對(duì)增材制造的需要了。

3D打印制品在制備和使用過程中,，某些缺陷的產(chǎn)生和擴(kuò)展是無法避免的,。無疑，最好的質(zhì)量控制是過程中控制,，但是對(duì)于打印結(jié)果的檢測仍是必不可少的,。而令人頭疼的問題是，現(xiàn)今的無損探傷檢測技術(shù)對(duì)于金屬3D打印結(jié)果來說,，并不是萬能的,，一個(gè)顯著的問題是對(duì)于比較簡單的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，現(xiàn)在的NDE方法是沒問題的,，但是隨著產(chǎn)品的復(fù)雜化，現(xiàn)在的NDE方法遇到了極大的挑戰(zhàn),，這方面,，X射線斷層成像作為3D打印的質(zhì)量利器很好的解釋了檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢。

據(jù)研究,，對(duì)于金屬增材制造的復(fù)雜性可以區(qū)分為五個(gè)層面：1 簡單的零件,、2 優(yōu)化的零件、3 帶有嵌入式設(shè)計(jì)的零件,、4 為增材制造設(shè)計(jì)的零件,、5 復(fù)雜的胞元結(jié)構(gòu)零件。現(xiàn)在比較普遍應(yīng)用的檢測技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品的檢測,。

為了達(dá)到對(duì)復(fù)雜零件的檢測,，賓州大學(xué)采取了計(jì)算機(jī)X射線斷層成像（X-Ray Computed Tomography）檢測技術(shù)，該技術(shù)不僅被用于打印零件的檢測,，還被用于后處理零件的檢測,。

南極熊覺得檢測技術(shù)的提升將進(jìn)一步推動(dòng)對(duì)材料及加工工藝的理解，從而進(jìn)一步提升材料技術(shù)的發(fā)展,。

參考關(guān)于增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系現(xiàn)狀與思考資料：
關(guān)于增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系現(xiàn)狀與思考
The rise of 3-D printing marketplaces
3D Printing with Composite Materials

來源：3d科學(xué)谷