香港城市大學呂堅院士團隊頂刊綜述：結構材料的增材制造

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：香港城市大學機械工程系，沈陽材料科學國家研究中心大灣區(qū)研究部，國家貴
金屬材料工程技術研究中心香港分中心，香港城市大學深圳福田研究院


2021 年 4 月 1 日，香港城市大學呂堅院士團隊在 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域的發(fā)展歷史，材料選擇，4D 打印，應用前景，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，其應用被認為是繼蒸汽機，計算機，和互聯(lián)網(wǎng)之后的又一項工業(yè)革命。AM 技術在過去的 30 年發(fā)展迅速，尤其是在近 5 年 AM 技術一直在加速其應用。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計（CAD）模型的指導下連續(xù)逐層添加材料來構造三維結構。

AM 是一種面向材料的制造技術，在各種材料（包括聚合物，金屬，陶瓷，玻璃，和復合材料等）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，預應力，或其組合的刺激下，實現(xiàn)構型和功能的變化。本文總結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，伴隨著各種變形系統(tǒng)的開發(fā)，驅動著研究者在高維 AM 領域實現(xiàn)概念突破及實際應用。該綜述對結構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)展為其在不同領域的結構應用提供了巨大潛力，包括航空航天領域，生物醫(yī)療領域，電子設備，核工業(yè)，柔性可穿戴設備，軟質(zhì)傳感器/驅動器/機器人技術，珠寶和藝術裝飾品，陸地運輸，水下設備，和多孔結構。此項研究獲廣東省重點領域研發(fā)計劃，深港科技創(chuàng)新合作區(qū)深圳園區(qū)項目，國家自然科學基金重大項目，國家重點研發(fā)計劃，和大學教育資助委員會（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 打印驅動刺激的關系圖

△結構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 利用多領域多學科融合的思路，在開發(fā)專用材料，新型工藝以及制造結構上的相關進展，同時高熵合金，金屬玻璃（非晶合金），貴金屬，金屬結構材料的功能特性等方面前景廣大，但仍需進一步發(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 領域的優(yōu)勢和應用，總結了直寫打印的特點和所需的墨水條件，并對陶瓷打印技術將會往打印構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 打印玻璃進行了系統(tǒng)的闡述，介紹了高溫打印/低溫打印/復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 打印玻璃的應用和前景進行了展望。

2.5 復合材料的 AM
該部分第一小節(jié)總結了聚合物-金屬復合打印的策略，介紹了多尺度的層級聚合物-金屬復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。同時，機械超材料憑借特殊的架構設計可實現(xiàn)非凡的剛度，強度和韌性。

該部分第二小節(jié)總結了聚合物-陶瓷復合打印的策略，生物陶瓷通常具有較高的強度和斷裂韌性，這種良好的力學性能主要歸因于其復雜而又巧妙結合的多級結構。3D 打印工藝是一種 “自下而上”制備工藝，能夠很好的應用在仿生陶瓷的制備，例如常見的“Bouligand”結構，“磚-瓦”結構，“交叉疊片”結構等，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)總結了金屬-陶瓷-聚合物復合打印的策略，包括將金屬-陶瓷-聚合物復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-聚合物復合材料的發(fā)展方向。

第四章：AM 的結構材料在不同領域的應用

4.1 航空航天領域
在航天領域，尤其是航天器零部件和天線等結構方面的領域，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。在航空領域，增材制造的應用逐漸成熟，從最初在非關鍵部件上的應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。在可以預見的將來，增材制造將在航空領域大放異彩，乃至于影響到飛機的整體設計。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，顯著提高了新型結構的研發(fā)效率，并實現(xiàn)了應用于可變機翼的全新的結構體系，目前蓬勃發(fā)展中的 4D 打印技術將為可變機翼提供更多先進的技術路徑。

△增材制造在航天領域的應用

△增材制造在航空領域的應用

4.2 生物醫(yī)療領域
增材制造在生物醫(yī)療領域已經(jīng)獲得了廣泛的應用，包括骨科、牙科、軟組織工程、組織修復再生和生物治療等。該部分從打印材料，表面處理，結構設計等角度，總結了在硬組織工程應用中增材制造技術的研究現(xiàn)狀。同時還對目前比較成熟的商業(yè) 3D 打印骨植入物，以及應用增材制造技術的典型病例，進行了介紹與總結。增材制造高精度，多材料的特點為復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域都有著不可替代的優(yōu)勢。

△增材制造在生物醫(yī)療領域的應用

4.3 電子設備
該部分總結了 AM 在包括微波器件，PCB 板，MEMS，微電池，RFID 標簽，以及陶瓷手機背板等電子設備上的應用。在現(xiàn)代微波通訊系統(tǒng)及電磁應用領域中，增材制造技術為器件的小型化、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發(fā)展方面，提升制造質(zhì)量和速度，研發(fā)新材料以適應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。

△增材制造在電子設備的應用

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)中的應用。從復合材料及材料結構方面對中子屏蔽材料的性能及應用進行研究，并展望多功能復合材料在核工業(yè)中的潛在應用。

△增材制造在核工業(yè)的應用

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

△增材制造在柔性可穿戴設備的應用

4.6 軟質(zhì)傳感器/驅動器/機器人技術
4D 打印濕度、溫度響應水凝膠發(fā)展迅速，各種幾何形狀、復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用潛能。

△增材制造在軟質(zhì)傳感器/驅動器/機器人技術的應用

4.7 珠寶和藝術裝飾品
3D 打印技術由于制造周期短、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。3D 打印技術通過電腦建�？梢栽O計結構復雜的珠寶和裝飾，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裝飾品的應用

4.8 陸地運輸
增材制造技術在陸地交通領域有著巨大的應用前景。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，增材制造技術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計的普遍應用。

4.9 水下設備
3D打印在航海領域的價值不斷在開發(fā)，從服務水面船艦維護到深海水下探測。受益于 3D 金屬材料打印技術的成熟和海上環(huán)境 3D 打印技術的研發(fā)，未來遠洋船艦中極可能標配 3D 打印設備，為遠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構。該領域的潛在可觀的市場也將吸引和促進 3D 打印技術在動態(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�用場�?/div>
4.10 多孔結構
隨著各種 3D 打印技術的飛速發(fā)展，作為多孔結構的不同微觀結構變得越來越重要。通過使用 AM 技術，多孔結構有廣闊的應用前景，特別是在醫(yī)療領域，如骨支架。利用3D 打印技術，可以個性化地制造出不同的尺寸和形態(tài)的結構。

呂堅院士簡介

呂堅院士現(xiàn)任香港城市大學機械工程系講座教授，先進結構材料研究中心（CASM）主任，國家貴金屬材料工程技術研究中心香港分中心 (NPMM)主任，香港工程科學院院士，法國國家技術科學院院士。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納米結構材料的制備和力學性能，實驗力學，材料表面工程和仿真模擬，生物與仿生材料力學，航空航天材料與結構預應力工程，3D 打印先進材料與產(chǎn)品集成設計等。


相關論文及鏈接
[1] G. Liu*, X. Zhang*, X. Chen*, Y. He*, L. Cheng, M. Huo, J. Yin, F. Hao, S. Chen, P. Wang, S. Yi, L. Wan, Z. Mao, Z. Chen, X. Wang, Z. Cao, J. Lu†. Additive manufacturing of structural materials, Materials Science and Engineering: R: Reports. Online Apr 2021.論文鏈接

[2] G. Liu, Y. Zhao, G. Wu, J. Lu†. Origami and 4D printing of elastomer-derived ceramicstructures, Science Advances. 4(8), eaat0641, Aug 2018.
論文鏈接

[3] G. Liu*, Y. He*, P. Liu*, Z. Chen, X. Chen, L. Wan, Y. Li, J. Lu†. Development of bioimplants with 2D, 3D, and 4D additive manufacturing materials, Engineering. 6(11), 1232-1243, Nov 2020.
論文鏈接

[4] Z. Mao, K. Zhu, L. Pan, G. Liu, T. Tang, Y. He, J. Huang, J. Hu†, K. Chan†, J. Lu†. Direct‐ink written shape‐morphing film with rapid and programmable multimotion, Advanced Materials Technologies. 5(2), 1900974, Jan 2020.
論文鏈接

[5] Z. Li, P. Liu, X. Ji, J. Gong, Y. Hu, W. Wu, X. Wang, H. Peng, R. Kwok, J. Lam†, J. Lu, B.Tang†. Bioinspired simultaneous changes in fluorescence color, brightness, and shape of hydrogels enabled by AIEgens, Advanced Materials. 32(11), 1906493, Feb 2020.
論文鏈接

[6] X. Yan, S. Yin†, C. Chen, R. Jenkins, R. Lupoi, R. Bolot, W. Ma, M. Kuang, H. Liao, J. Lu†, M. Liu†. Fatigue strength improvement of selective laser melted Ti6Al4V using ultrasonic surface mechanical attrition, Materials Research Letters. 7(8), 327-333, Apr 2019.
論文鏈接

[7] L. Cheng, T. Tang, H. Yang, F. Hao, G. Wu, F. Lyu, Y. Bu, Y. Zhao, Y. Zhao, G. Liu, X.
Cheng, J. Lu†. The twisting of dome-like metamaterial from brittle to ductile, Advanced Science. Accepted Jan 2021.