《中國新材料研究前沿報告2021》增材制造材料——我國在該領域的地位及發(fā)展動態(tài)

作者：黃衛(wèi)東、王理林、王猛
來源：日新材料

4.2我國在該領域的地位及發(fā)展動態(tài)
中國增材制造材料的發(fā)展總體上處于世界先進水平，表現(xiàn)在以下幾個方面。
① 產(chǎn)業(yè)應用體量上僅次于美國，居世界第二位，而且發(fā)展速度明顯快于世界平均水平。根據(jù) Wohlers Report 2021，自 1988 年到 2020 年，世界各國累積安裝工業(yè)級 3D 打印機的數(shù)量 比例居前四位的國家分別是，美國 33.6%，中國 10.6%，日本 9.3%，德國 8.1% ；而在 1988年到 2013 年期間，這一數(shù)據(jù)是，美國 38.0%，日本 9.4%，德國 9.1，中國 8.8%。工業(yè)級 3D 打印機安裝數(shù)量總體上體現(xiàn)了高端 3D 打印材料的工業(yè)應用，說明中國在高端 3D 打印材料的產(chǎn)業(yè)應用上發(fā)展很快，從八年前的世界第四位上升到去年的世界第二位。雖然與處于世界第 一的美國還有很大差距，但這種差距正在快速縮小。中國在桌面級 3D 打印機生產(chǎn)方面占據(jù) 了世界絕大部分的份額，估計達到 80% ～ 90%，大部分銷往國外。桌面級 3D 打印機所用的 高分子絲材，估計中國生產(chǎn)量占世界總量的份額超過 50%，以至于在中美貿易戰(zhàn)中，美國把來自中國的 3D 打印絲材作為控制進口的材料。桌面級 3D 打印機的數(shù)量體現(xiàn)了低端 3D 打印材料的產(chǎn)業(yè)應用，說明中國在低端 3D 打印材料的發(fā)展上占據(jù)了世界主流。

② 增材制造材料的研究和應用面非常寬，不但全面覆蓋了金屬、高分子、陶瓷、生物材料和復合材料等所有大類材料，而且各類材料中都涉及很廣泛的具體材料類型。除了少數(shù)高端材料還需要進口外，絕大多數(shù)增材制造材料，包括很多高端材料都可以實現(xiàn)國產(chǎn)供給。在 高端增材制造材料上受到的限制，主要來自于國外 3D 打印設備廠商捆綁銷售打印材料的商 業(yè)策略。雖然我國增材制造設備的發(fā)展非�？�，有很多高端設備已經(jīng)接近甚至于達到了世界先進水平，但總體來說在設備品牌上差距還很大。世界頂級增材制造設備廠商利用其強大的品牌效應采用捆綁銷售打印材料的策略，是一個很普遍的現(xiàn)象。由于我國高端工業(yè)應用還大量采用進口國外增材制造設備，導致進口高端增材制造材料的數(shù)量長期居高不下，也在很大 程度上提高了我國增材制造材料應用的成本，成為限制我國增材制造實現(xiàn)更廣泛的產(chǎn)業(yè)化應用的一個重要因素。國內有能力以應用自產(chǎn)或國產(chǎn)材料為主實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的增材制造企業(yè)，主要是擁有自產(chǎn)高水平設備，同時又有強大的材料開發(fā)能力的公司。例如，西安鉑 力特公司實現(xiàn)了 50 多種增材制造金屬材料的大規(guī)模航空航天應用，其中 80% 為自產(chǎn)材料， 多種自行研發(fā)和生產(chǎn)的金屬材料增材制造成形制件性能遠超同期進口粉末；寧夏共享集團形成了以自行研制的系列鑄造砂型 3D 打印材料與自產(chǎn)砂型打印設備的配套應用，建立了多條高度智能化的砂型 3D 打印生產(chǎn)線，實現(xiàn)了單條砂型 3D 打印生產(chǎn)線年產(chǎn)達 15000t 鑄造砂型 的世界最大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應用，自產(chǎn)材料成本僅是進口材料成本的 1/4，支撐了處于世界領先水平的智能化鑄造工廠建設。

③ 增材制造材料的科學技術研究隊伍具有很大的規(guī)模，絕大多數(shù)工科大學都有團隊涉足增材制造材料研究，增材制造材料的科學技術研究已具有很大的廣度和深度。在科學基礎和創(chuàng)新性技術研究方面具有代表性的工作如下。

● 南京航空航天大學顧冬冬團隊提出了“材料 – 結構 – 性能一體化增材制造”（MSPI-AM） 這一整體性概念，其概念性創(chuàng)新在于：變革傳統(tǒng)的串聯(lián)式增材制造路線，發(fā)展新的材 料 – 結構 – 工藝 – 性能一體化“并行模式”，在復雜整體構件內部同步實現(xiàn)多材料設計與布局、多層級結構創(chuàng)新與打印，以主動實現(xiàn)構件的高性能和多功能。相關論文于 2021 年發(fā)表于 Science。

● 清華大學趙滄博士分析了選區(qū)激光熔化掃描速度和激光功率對氣孔缺陷的影響規(guī)律， 建立金屬增材制造過程同步輻射在線監(jiān)測系統(tǒng)直接觀察匙孔氣泡產(chǎn)生及演化過程，理清了該類氣孔缺陷的產(chǎn)生機理，為未來全致密金屬增材制造提供了理論支撐。相關論文于 2020 年發(fā)表于 Science。

● 西北工業(yè)大學林鑫團隊系統(tǒng)深入揭示了金屬增材制造非平衡物理冶金、近快速凝固與循環(huán)往復固態(tài)相變相互耦合作用下的多尺度組織演化規(guī)律，發(fā)展了高性能專用合金體系，應用于 C919 飛機、“天問一號”火星探測器等 30 余項國家重大重點型號器件。二十余篇高水平金屬增材制造學術論文發(fā)表于 Acta mater 和 Additive manufacturing 等 材料與增材制造頂級學術期刊，SCI 他引達 5796 次。國際多位領域著名學者在 Nature 及相關子刊進行了引用和正面評價。

● 清華大學林峰團隊針對 SEBM 成形過程，西北工業(yè)大學魏雷博士等針對 SLM 成形過程，分別開發(fā)了高水平的多物理場數(shù)值計算方法，形成了可以高效、準確模擬這兩種最重要的金屬增材制造的材料冶金過程數(shù)值模擬軟件。
● 華中科技大學史玉升團隊使用自主研發(fā)的 PS 粉末材料為國內外 300 多家單位包括空客、北京航空材料研究院、中航工業(yè)航空動力機械研究所、二汽、中船重工 12 所等 SLS 打印成形了各種復雜鑄造熔模，所研發(fā)的尼龍及其復合粉末材料已在廣東銀禧科技股份有限公司實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，建成了年產(chǎn) 200t 的生產(chǎn)線；成功制造出直徑超過 1.6m 的大尺寸復雜碳化硅陶瓷復合材料零件，性能優(yōu)于國外產(chǎn)品。

● 西安交通大學田小永團隊提出原位熔融浸漬與擠出成形復合的高性能復合材料結構增材制造新工藝，所制備的 CCF/PA 復合材料纖維含量可達 50%（質量分數(shù)），性能超過鋁合金，并率先實現(xiàn)了 CCF/PEEK 復合材料構件成形。相關研究成果發(fā)表 ESI 高被引 論文 2 篇，獲 2019 Composites Part A 期刊最高被引論文獎。

● 西安交通大學李滌塵團隊提出了一種控性冷沉積增材制造工藝，基于分子結晶與力學性能調控原理，通過設計增材制造過程中的熱工藝參數(shù)（環(huán)境溫度、打印溫度、熱處理方式等），實現(xiàn)不同位置不同結晶度的 PEEK 材料制件，在同一 PEEK 增材制造制件上實現(xiàn)變剛度、變性能的多種性能集成。

● 華南理工大學楊永強團隊研發(fā)了多材料金屬激光選區(qū)熔化設備，可以實現(xiàn)異種材料在 Z 軸方向梯度成形，可以實現(xiàn)單層中多種材料梯度預置，并且在同一層上可以實現(xiàn)不同區(qū)域內的異種材料的成形。

● 四川大學李光憲團隊在增材制造高分子材料領域提出了新的學術思想，研發(fā)了多種高水平增材制造高分子材料，包括：針對 CLIP 技術開發(fā)出多種具有優(yōu)異性能的功能性打印油墨；針對 SLS 技術，提出動態(tài)交聯(lián)高分子 3D 打印的學術思想，解決了 3D 打 印層間黏合作用弱、Z 方向強度低等關鍵難題；通過控制 FDM 過程中的外力場，得到 了具有原位纖維結構、高取向度的串晶結構及附生結晶結構的樣品，制件的力學性能得到大幅提高。

● 中南大學李瑞迪團隊與長沙中車研究院合作，研發(fā)了 AlMgScZr 增材制造專用高強度鋁合金材料，強度（約 520 ～ 540MPa）高于空客增材制造專用高強度鋁合金 Scalmalloy 的強度（約 500 ～ 520MPa），成功應用于民用航空航天全尺寸構件的增材制造。

● 針對大尺寸陶瓷件增材制造后續(xù)燒結往往嚴重變形的問題，西北工業(yè)大學成來飛團隊提出了采用 CVI、PIP 或反應熔體滲透（RMI）等增密方法使 3D 打印陶瓷件致密化。相比于燒結，可以保證不會改變已成形坯體的形狀和尺寸，且同樣可以獲得高性能， 從而實現(xiàn)成形和成性的協(xié)同。采用這一創(chuàng)新性的方法，制備了一系列滿足航空航天應 用的高性能增材制造陶瓷結構件。

● 青島理工大學蘭紅波團隊提出了一種原創(chuàng)性的電場驅動噴射沉積微納增材制造新技術，應用到高性能柔性透明導電膜、透明電極、透明電加熱 / 電磁屏蔽、共形天線、 柔性電子、可降解心血管支架和組織支架、微透鏡、功能梯度材料、3D 結構電子、高分辨率液態(tài)金屬打印等多個領域和行業(yè)。

● 西北有色金屬研究院湯慧萍團隊開發(fā)了分區(qū)跳躍 - 短線程填充掃描技術，解決了 SEBM 成形難熔金屬材料變形開裂的難題，國際上率先實現(xiàn)了鎢（熔點 3410℃）、鉭 （熔點 2996℃）等難熔金屬材料的高質量 SEBM 成形，研制的個性化多孔鉭植入物在國際上率先得到臨床應用。

● 中南大學熊翔團隊采用自行研發(fā)的“粉末擠出打印技術”，針對多種金屬合金、陶瓷以及復合材料打印出滿足工業(yè)生產(chǎn)需求的高性能零件。

● 江蘇威拉里新材料公司自主研發(fā)出單爐 350kg 金屬制粉設備，促進國產(chǎn)設備的高產(chǎn)能、 高指標發(fā)展；建成了國內第一條自動化生產(chǎn)線，將制粉、篩分、后處理和自動化包裝進行有機串聯(lián)，大大提高粉末生產(chǎn)的自動化程度，減少人為因素影響，提升了質量穩(wěn)定性。

● 中國航發(fā)商發(fā)公司揭示了 Hastelloy X 及 IN718 合金材料成分、顯微組織、表面處理與斷裂行為的內在關系規(guī)律，優(yōu)化出航空發(fā)動機 SLM 專用高性能 Hastelloy X 及 IN718 合金粉末成分，獲得了橫縱向、不同成形位置靜態(tài)力學性能離散度小于 5% 的成形構件，并開發(fā)出航空發(fā)動機用 Hastelloy X 及 IN718 合金 SLM 成形工藝和材料性能數(shù)據(jù)庫，解決了行業(yè)缺乏設計許用值的共性問題。

中國增材制造材料與世界最先進水平相比，存在的差距主要體現(xiàn)在材料體系不夠健全和高端材料上有所落后兩個方面。存在這兩方面差距的主要原因是，我國增材制造材料發(fā)展的頂層設計和體系化研究同西方發(fā)達國家相比明顯不足。

西方發(fā)達國家在政府、社會、3D 打印技術領先企業(yè)和大型工業(yè)企業(yè)幾個層面，都對增材制造材料發(fā)展有明確的頂層設計和成體系的研究開發(fā)戰(zhàn)略。

在政府層面，美國國家增材制造創(chuàng)新中心“America Makes”制定了明確的增材制造材料發(fā)展戰(zhàn)略，其目標是建立材料知識的體系，為增材制造材料建立基準特性數(shù)據(jù)，包括創(chuàng)建一個范式轉變，從控制過程參數(shù)來“建立”微觀結構，而不是控制底層物理學上的微觀尺度， 以實現(xiàn)一致的可重復性的微觀結構。要發(fā)展的技術重點和相關的影響分析指標包括：標準化原料、基準材料屬性數(shù)據(jù)、工藝產(chǎn)權結構關系、進程窗口邊界定義、后處理指南和規(guī)范。

歐洲“地平線 2020”之前完成的計劃中，對增材制造材料的開發(fā)支持占到了整個增材制造支持的 29.6%，其中 11.3% 是對金屬材料的開發(fā)支持，7% 是對高分子材料的支持，5.6% 是對生物材料的支持，2.8% 是對陶瓷材料的支持，其他種類材料的開發(fā)支持占 2.9%。
“地平線 2020”計劃關于增材制造材料，也有非常明確具體的規(guī)劃：

● 提高材料的性能：靜態(tài)性能和抗疲勞性能，使增材制造優(yōu)于鑄造和鍛造材料。
● 提高不同機器間的工藝參數(shù)交換能力。
● 適用于不同加工技術的半結晶和非晶態(tài)聚合物的識別。
● 專用的增材制造材料。
● 開發(fā)材料的一致性和可重復性以及與加工參數(shù)配合。
● 分析不同材料的特性和增材制造技術的復合材料驗證。
● 分析和開發(fā)生物材料、超導材料、新磁性材料、高性能金屬合金、非晶態(tài)金屬、復合高溫陶瓷材料、金屬有機骨架、納米顆粒和納米纖維材料。

同時歐盟對材料數(shù)據(jù)也十分重視，歐盟支持：
● 開發(fā)特定應用、材料及過程的材料性能信息數(shù)據(jù)庫。
● 開發(fā)材料性能比較及分享的在線平臺。

在環(huán)境方面，歐盟也提出了具體要求：
● 批量回收材料的批量驗證和標準化，尤其是高分子材料。
● 原料使用生命周期的系統(tǒng)化的策略，包括：把老化的達到自然使用壽命的零件進行熔融并霧化制粉，在此過程中監(jiān)控和調整材料化學成分。

應該說，中國在國家戰(zhàn)略層面上還是十分重視增材制造的，將其列入了“中國制造 2025”需要支持的新技術，在“十三五”國家重點研發(fā)計劃中支持了“增材制造與激光制造” 專項，首批建立國家增材制造創(chuàng)新中心，等等。但在具體實施過程中，“增材制造與激光制造” 專項被安排在制造類專項中，因此在項目指南中不能發(fā)布材料類項目。在各類國家計劃項目中，增材制造材料只是有一些零散的安排，沒有像美國和歐盟那樣做明確系統(tǒng)的部署。

在社會層面，美國成立了以賓夕法尼亞州立大學為首的增材制造材料聯(lián)盟。該聯(lián)盟由美國國家標準與技術研究所資助，聚集了高端的研究人員，涉及 120 名來自企業(yè)、政府和學校 的核心人員，其中包括來自應用研究實驗室（Applied Research Lab，ARL）、賓夕法尼亞州創(chuàng)新材料中心、哈羅德和 Inge 馬庫斯工業(yè)和制造工程學院的專業(yè)人員，這些專業(yè)研究人員在一起為下一代的增材制造材料制定了“戰(zhàn)略路線圖”，希望通過新材料的發(fā)展來推動美國創(chuàng)新和塑造未來的競爭力。路線圖的組織研究和活動分為五個戰(zhàn)略目標：材料、過程及零件的集 成設計方法；發(fā)展過程 - 結構 - 性能的關系；建立零件和原料測試科學研究報告；開發(fā)增材制造過程分析能力；探索下一代增材制造材料和工藝。路線圖中明確提出要加快設計新的材料，并鼓勵增材制造業(yè)在未來 10 年內廣泛使用這些新材料。

相應地，我國還沒有專門針對增材制造材料的社會力量聯(lián)盟。
在 3D 打印技術領先企業(yè)層面，美國的兩個世界最大規(guī)模的 3D 打印公司“Stratasys”和 “3D Systems”分別都有數(shù)百種商業(yè)牌號的增材制造材料銷售，可以滿足客戶很多方面的材料需求。這也是它們可以采取“捆綁銷售”設備與材料的底氣所在。相比較，我國的金屬增材 制造領先企業(yè)西安鉑力特公司有 50 余種金屬合金具有成熟的打印工藝，可以用于工業(yè)增材制 造應用；而塑料 3D 打印領先企業(yè)華曙高科公司可以為客戶提供近 20 種高分子 3D 打印材料�？梢�，差距還是十分顯著的。這主要是因為這兩個我國 3D 打印領先企業(yè)成立時間比 3D 打印 世界巨頭公司“Stratasys”和“3D Systems”晚了二十多年，在體量、積累和技術實力上都有 明顯差距，短期內尚無足夠的力量進行 3D 打印材料的大規(guī)模開發(fā)。

在大型工業(yè)企業(yè)層面，以其 MJF 技術改變世界 3D 打印格局的世界 500 強企業(yè)惠普公司， 啟動了“3D 打印材料認證計劃”。這項認證計劃為第三方供應商提供了開發(fā) HP Jet Fusion 3D 打印解決方案兼容材料的機會和途徑，使其成為惠普的材料創(chuàng)新合作伙伴，攜手開辟 3D 打印材料的新天地，以此來滿足更廣泛的應用需求，推動性能提升，開發(fā)滿足特定行業(yè)需求的潛在部件屬性，進而挖掘出材料的新型用途。已經(jīng)有許多世界頂級材料企業(yè)參加了這項 認證計劃， 包 括 BASF、ARKEMA、Dressler Group、EVONIK、Henkel、Lehmann & Voss、 Lubrizol 和 SIGMADESIGN。此外，BASF 收購了粉體開發(fā)商 Advanc3D，Evonik 收購了 SLS 技術發(fā)明人 Carl Deckard 參與創(chuàng)立的 SLS 粉體企業(yè) Structured Polymer，大企業(yè)與專業(yè)的材料企業(yè)之間的互動與互補已經(jīng)形成普遍態(tài)勢。而我國大型企業(yè)中，只有萬華在 PBF 聚合物粉體方面有所布局。