賦予3D列印更多附加值，2016年終盤點新材料趨勢

眾所周知，材料是限制3D列印進步的最大因素，而同時材料也是解放3D列印潛力的神奇鑰匙。製造定製化產品和複雜的產品是3D列印一大吸引力，然而這些優勢如何突破原型製造的應用，在最終產品的生產領域有多大的發展空間很大程度上取決於材料技術的發展。3D科學谷整理了3D列印材料的發展趨勢，通過這些發展趨勢讓我們共同來體會一下材料是如何推動3D列印技術走向生產的。

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不僅僅是滿足生產需求

創造功能與產品生命周期價值

塑料 - 走向工程級別應用

熱塑性絲材和液體樹脂佔據了塑料3D列印的主要市場，塑料絲材應用於基於材料擠出的FFF（電熔制絲）和FDM（熔融擠出）3D列印技術，樹脂材料光固化材料應用於SLA、DLP、Polyjet 等3D列印技術中。

絲材

不少材料都可以作為熱塑性塑料絲來進行列印，但最常見的是ABS和PLA絲材，ABS是一種應用廣泛的工程塑料，日常生活中大量的塑料玩具和生活用品都是用ABS塑料製造的，因此3D列印材料製造商無需進行強度、耐久性、安全性與其他屬性的大量測試。而隨著3D列印精度的提升，在小批量生產ABS產品的時候，3D列印具有比注塑更經濟的優勢。不過，針對3D列印這個工藝，ABS絲材還有一些需要改善的問題存在，如ABS材料在冷卻時容易收縮和翹曲。PLA是一種可降解的生物材料，比ABS更加環保，在加熱時不會發出有毒氣體，冷卻收縮率小，透明容易染色，但是聚乳酸材料也存在力學性能差,易發生脆性斷裂等缺點，導致3D列印PLA 材料的應用範圍受到限制。

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可見，FFF或FDM 3D列印技術若要在生產領域獲得更大空間，則需要一批收縮率小、力學性能好的絲材。國內的3D的列印材料企業已著手開發改性的ABS或PLA材料，或推出新的高分子材料，例如，深圳光華偉業在進行聚乳酸材料改性時加入了低熔點樹脂包覆的無機粉體，從而降低降低材料的收縮率並加速材料的冷卻，製備出來的PLA列印線材具有較好韌性，具有收縮率低、不翹邊、 不開裂、冷卻快、外觀好等優點。上海Polymaker開發了PolySher,能對列印件噴塗特製的酒精氣溶膠，從而消除列印件表面的層狀痕迹，顯著提高表面質量，令列印件變得像注塑件一樣光滑。PolySmooth的定位是達到ABS的機械性能同時又像PLA一樣的容易列印。

隨著近幾年材料與材料擠出3D列印設備的發展，不僅是列印質量表面越來越光滑，而且在列印的長絲材料方面，越來越走向複合材料列印，使得這些列印出來的產品擁有了注塑產品都難以達到的工程級性能。

例如可用於FDM 3D列印技術的碳纖維複合絲材，3DXTECH用伊士曼化工的PETG材料結合高模量碳纖維製成複合材料。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負載的同時保持一定的延展性和抗衝擊性。它能夠很好地粘附在多種構建平台上，同時也具有優異的層粘合，而碳纖維的加入不僅增加了它的剛性和尺寸穩定性。詳見3D科學谷的市場研究十種你應該知道的熱熔擠出3D列印長絲。

樹脂

樹脂光固化3D列印技術逐漸走向生產，主要源自兩個發展趨勢的推動，一種趨勢是具有更高表面細節和良好力學性能的樹脂材料的出現，另一種是樹脂材料列印速度的大幅提升。在樹脂材料領域，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度、剛度和長期的熱穩定性，適用於汽車和航空工業的模具和發熱機械零件的生產。Formlabs、塑成科技、MadeSolid等公司也推出了可與ABS注塑件對標的硬性樹脂材料。

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Carbon已將樹脂3D列印技術滲透到了生產領域，投資Carbon的股東之一寶馬集團已使用Carbon3D印表機生產汽車上的個性化零部件。國內企業中，大族激光率先推出了商業化的高速度樹脂3D印表機，由於列印所需時間短，列印效率高，特別適用於產品的批量定製化生產。光敏樹脂材料與設備的技術提升是相輔相成的過程，隨著新設備的湧現，更多工程級別應用的新材料將被研發出來。詳見3D科學谷的市場研究9種你需要知道的適用於桌面級3D列印的光敏樹脂.

尼龍

尼龍燒結方面，義大利CRP Technology則產生了需要卓越的機械和美學特性的全球產品，而且他們的塑料產品可以被CNC機床進行加工。譬如說新一代的聚醯胺材料windform FX，特點是耐反覆彎曲和扭轉，顯示出優異的耐衝擊性，即使在低溫下，它的一致性類似於聚丙烯和注射成型零件。詳見3D科學谷發表的惠普時代，SLS激光燒結技術是否有翻身可能性？

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金屬材料-與應用深度結合

春江水暖鴨先知，以應用驅動材料與設備技術已蔚然成風。

包括GE對金屬3D列印企業的收購以及對塑料3D列印企業的投資，這些都與GE的下游應用業務相互呼應，使得GE獲得一手的設備優勢的同時，又通過自身在應用領域的前沿探索助推設備的研發速度，而GE收購的Arcam又有金屬粉末的生產業務，這進一步形成了應用-設備-粉末的良性互動。詳見GE 的增材製造版圖是怎樣「煉成」的？

GKN打造了三個增材製造卓越中心：GKN美國辛辛那提增材製造卓越中心，GKN 瑞典Trollh?tten增材製造卓越中心，GKN英國Filton增材製造卓越中心。不僅僅是應用，應用是GKN的商業模式也是感受市場需求的「探測頭」，通過航空航天、動力、粉末三大業務部門，每個業務部門相互滋養，並與應用端緊密相連。與此同時，給GKN這些卓越中心不斷「輸血」的是GKN與其全球20所高校及科研機構的聯合開發模式.詳見3D科學谷研究揭秘GKN的增材製造布局。

美鋁是另外一家形成企業內生態圈的企業，通過收購，美鋁快速發展了貫穿增材製造整個工藝鏈的工程能力，他們不僅僅對增材製造有著基於大量操作實踐的了解，還在包括熱等靜壓這些後處理工藝上進行了大量的投資。美鋁自身的能力就可以滿足對增材製造流程中每個環節的把控，而他們甚至可以根據特定的加工需求來開發特定的金屬粉末，然後通過增材製造的工藝將其製造出來，再進行後處理和質量檢測。詳見看美鋁要分拆的Arconic如何玩金屬3D列印？

國內打造企業內部生態圈的典型企業是西安鉑力特，其三大業務板塊：粉末材料、設備、列印服務，這幾個板塊的業務相輔相成，不斷增強其核心技術的市場競爭力。通過研究粉末材料來理解設備，通過滿足應用端的需求來推動粉末材料、加工工藝、設備的發展。詳見鉑力特-好基因更要靠後天努力。

一個有趣的現象，目前金屬3D列印多為大型的工業設備，需要高功率的激光器在高溫環境下將金屬粉末進行熔融成型。納米級金屬材料將使金屬材料的熔點顯著降低，例如金屬銅的熔點是1000°C，但是20nm 銅顆粒的熔點為280°C。探索納米級金屬3D列印材料成為這個領域滿足特殊應用的一個有趣趨勢。

除了粉末狀的納米材料，液態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體(precursors)的形式存在，例如可溶解的有機鈷化合物、鹽或絡合物。詳見揭開神秘面紗, 看Xjet改變3D列印遊戲規則的潛力.

而除了材料本身，加工工藝與材料深度結合起來，納米材料增強合金、等軸細晶合金、梯度合金、非晶態金屬、自癒合合金、超導材料、金屬有機骨架材料的研發從微觀層面上呈現出材料技術的潛能。拓撲優化、胞元結構又從結構學角度上展現出材料與結構學結合的無限可能，詳見3D科學谷發表的晶格建模與製造中的學問，你get了嗎？。

另外，除了塑料與金屬，石墨烯材料的開發，極高耐高溫陶瓷材料的開發，納米顆粒與納米纖維材料開發，生物列印材料以及再生醫學材料的開發都在推動整個3D列印行業材料的發展趨勢。詳見3D列印納米陶瓷增強合金技術研發國內進行時，記憶合金，國內發展到那個地步了？...

定製化材料

用戶對材料的特定需求也可以拉動3D列印技術在生產中的應用，工程師在設計的早期階段就考慮材料選用和製造工藝，並從概念設計到具體和最終詳細設計階段作為設計內容而加以考慮和確定，如果涉及到使用3D列印工藝，那麼3D列印材料設計師可以通過改變材料的韌性、彈性、導電性等性能設計出滿足用戶生產需求的材料。

Graphene 3D Lab公司推出一種石墨烯複合材料G6-Impact3D列印絲材，配方中含有HIPS樹脂、碳纖維和石墨烯納米顆粒，適用於那些需要在剛性表面進行減振的應用，例如運動器材、電力工具手柄、汽車零部件和航空航天部件等。Graphene 3D Lab可以根據客戶的目標應用需求提供定製的聚合物基複合材料。

多材料與功能化

目前的3D列印技術主要是列印單一的材料和製造單獨的零部件，在列印完成之後與其他零部件裝配在從而形成完整的機械或電子產品。多材料3D列印技術的出現，可以同時完成塑料和金屬材料的3D列印，有望一次性製造出完整的產品。

可以說多材料正在引領從塑料到金屬發展趨勢，並在列印的過程中賦予了產品更巧妙的功能。這其中就包括：

麻省理工和新加坡科技設計大學開創的3D列印熱響應性聚合物材料，能夠記得原來的形狀，即使被暴露在極端壓力和扭轉彎曲成無用的形狀，只要把對象放回他們的響應溫度下，立即在幾秒鐘內回到原來的形式。這種材料在太陽能、醫療和太空探索領域具有應用前景，包括軟性驅動器、藥物膠囊、太陽能板角度調節器等；

弗吉尼亞理工大學通過微光固化技術列印了毫米大小的3D對象，材料是離子液體製成的導電聚合物。列印對象小到25μm，潛在的應用涉及到人類細胞。事實上，這種技術可以讓工程師列印導電元件甚至組織支架；

約翰霍普金斯大學的研究人員研發出了一個成功的3D列印材料配方：混合至少30%粉碎的天然骨粉與一些特殊的人造塑料，並通過3D列印技術創建所需的形狀；

Additive Elements研發了食品級材料由專門的惰性材料和原材料主城，而且可完全回收並且對環境無害；美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）與加州大學聖克魯茲分校的科學家們通過3D列印石墨烯超級電容讓定製化電子產品成為可能；

澳大利亞斯威本大學（Swinburne University）的研究人員通過3D列印石墨烯薄片，發明了一種全新而且應用廣泛的能源存儲技術（從技術上講，是一種超級電容器），可容納更大的電荷能量，並且在一秒鐘內完成充電；

蘇黎世聯邦理工大學的「納米液滴」3D列印，能夠以金、銀納米顆粒為原料3D列印出超薄的「納米牆；

加利福尼亞州Malibu的HRL 實驗室發明了可兼容與光固化/3D列印的樹脂配方，這種樹脂在3D列印後經過過火可以生成緻密的陶瓷部件，為航天軍工應用打開了潛能空間；

MIT研發的Cilllia毛髮是通過光敏樹脂固化的技術列印出來的，通過將3D列印的精度控制到極其細微的程度。這對於動力學是個創新領域，改變了以往我們需要電機或者其他的動力裝置才能使得物體發生移動的現狀；

美國賓夕法尼亞州立大學的科學家使用3D列印技術製作的離子交換膜模型是第一個可以定量降低交換膜電阻的模型。只需一個簡單的並聯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揮的影響；

英國Bristol大學找到了代替熔融長絲的3D列印複合材料的方法，該方法是基於光敏樹脂技術的3D列印技術。通過超聲波用來誘導材料的微觀結構排列，通過激光束用來固化環氧樹脂。

正在完善的材料標準

3D列印技術的工程應用範圍逐漸擴寬，產業及技術發展中面臨的標準需求日益凸顯，3D列印材料、工藝及標準的建立將進一步推動3D列印在生產中應用。

美國材料與試驗協會（ASTM）著手開展相關工作，2009年ASTM國際標準組織組建了F42增材製造技術委員會。F42增材製造標準化專委會已做了細緻的標準工作。從頂層的標準來說包括：常規概念、常規要求、常規應用。到針對於材料到加工工藝等不同階段和不同分類的一般標準，再到針對每個行業的特殊需求所適用的特種材料、工藝以及應用的特殊標準。詳見3D科學谷發表的ASTM增材製造國際標準與行業發展一文。

2011年ISO也成立了針對增材製造的標準化技術委員會TC261 ，同年與ASTM F42簽署合作協議，共同開展增材製造技術領域的標準化工作，並分別於2013年和2015年聯合發布了三份ISO/ASTM標準，分別從術語定義、坐標系定義、增材製造數據格式（AMF）等方面進行了規範。

歐洲SASAM增材製造標準化小組聯合了ISO、ASTM以及CEN多方力量並與2015年6月發布了2015增材製造標準化路線圖。路線圖中除了關於增材製造標準化路線圖的詳細介紹，還闡述了當前歐洲增材製造的優劣勢分析，以及當前發展需要克服的問題。

在我國，全國增材製造標準化技術委員會（TC562）與2016年4月召開成立大會，對口國際標準化組織ISO TC 216，在國家層面上開展增材製造技術標準化工作。目前通過該技術委員會正在制定的標準共有6項，設計增材製造技術術語、文件格式、工藝和材料分類等方面。中國航空綜合技術研究所自2007年就開始了增材製造技術標準化的研究，研究形成了一系列增材製造技術標準，並積極推行行業標準的立項及制定工作，目前正在開展鈦合金零件激光直接沉積工藝、粉末、製件規範等5項行業標準的制定工作。

更加先進的檢測技術

除了材料標準勢在必行，缺乏完善的測試體系，增材製造很難真正意義上理解材料特性對加工的意義，而依靠目前的測試手段已經不能滿足對增材製造的需要了。

3D列印製品在製備和使用過程中，某些缺陷的產生和擴展是無法避免的。無疑，最好的質量控制是過程中控制，但是對於列印結果的檢測仍是必不可少的。而令人頭疼的問題是，現今的無損探傷檢測技術對於金屬3D列印結果來說，並不是萬能的，一個顯著的問題是對於比較簡單的產品設計，現在的NDE方法是沒問題的，但是隨著產品的複雜化，現在的NDE方法遇到了極大的挑戰，這方面，3D科學谷的研究X射線斷層成像作為3D列印的質量利器很好的解釋了檢測技術的發展趨勢。

根據3D科學谷的研究，對於金屬增材製造的複雜性可以區分為五個層面：1 簡單的零件、2 優化的零件、3 帶有嵌入式設計的零件、4 為增材製造設計的零件、5 複雜的胞元結構零件。現在比較普遍應用的檢測技術很難實現對複雜產品的檢測。

為了達到對複雜零件的檢測，賓州大學採取了計算機X射線斷層成像（X-Ray Computed Tomography）檢測技術，該技術不僅被用於列印零件的檢測，還被用於後處理零件的檢測。

檢測技術的提升將進一步推動對材料及加工工藝的理解，從而進一步提升材料技術的發展。

參考資料：

關於增材製造技術標準體系現狀與思考

The rise of 3-D printing marketplaces

3D Printing with Composite Materials

更多資訊請登陸www.51shape.com