3D打印材料产业发展现状及建议卢迪

3D打印材料产业发展现状及建议卢迪

卢迪

（南方增材科技有限公司）

摘要：3D打印技术是制造业的革命，促进了多个行业领域的发展，材料是3D打印技术的核心，3D打印的材料包括陶瓷、金属和聚合物等，并且近年来也出现了一些新兴的材料。

关键词：3D打印；材料产业；发展

增材制造具有制造周期短、易于复杂结构成型、节材节能等优势，因此，受到国内外广泛关注。近年来，增材制造已广泛应用于航空航天、医疗器械、电子消费品和工业机械等领域。3D打印材料是增材制造发展的基础，我国3D打印材料基础研究与制备技术发展相对滞后、材料种类少且性能无法达到标准、材料产业发展不成熟、专业人才培养机制匮乏等问题逐渐显现。

1.3D打印技术

3D打印，是一种增材制造方法，相对于传统机械加工“减材制造”技术而言，是一项制造业领域的技术革命，展现了新时代个性化创造的活力和潜力。3D打印技术起源于美国，这项新技术的出现，不仅给予了创新主体一个全新的视角，同时也吸引了大众的高度关注。3D打印技术在20世纪末期逐渐得到推广，又被称为第3次工业革命的重要标志之一。该技术可以应用到生产加工、建筑工程等领域，利用该技术制造材料，不用加工模具和大型机械设备，甚至不用在大型工厂便可进行生产，3D打印技术将会改变社会发展的方向，并会大大丰富人类社会的生活方式。

2.3D打印的材料

2.1金属材料

近几年来，由于技术的不断更新进步，3D打印技术被用于越来越多的复杂产品加工，尤其是用金属材料直接打印产品，其发展速度更是惊人。在国防、航空领域，国内外的研究机构不惜投入巨资加以研究，将其应用于结构复杂、材料昂贵的金属零部件生产和小批量定制上，3D打印技术的成本、效率和质量优势突出，这也成为近年来大家研究和应用的重点。3D打印所使用的金属粉末一般具有纯净度高、球形度好、粒径分布窄、氧含量低等特点，目前主要应用的金属粉末有钛合金、高温合金、不锈钢和铝合金材料等，此外还有用于打印首饰的金、银等贵金属粉末材料。钛合金具有强度高、耐蚀性好、耐热性高的特性，被广泛用于制作飞机发动机、火箭和导弹的各种结构件。除了航空航天、汽车等方面的应用，钛合金因其良好的生物相容性和耐腐蚀性，也被广泛应用于医学领域，成为人工关节、骨创伤、脊柱矫形内固定系统、手术器械等医用产品的首选材料。3D打印钛合金材料的植入物，能够根据个人不同的要求进行个性化设计。除此之外，3D打印的钛合金物件由于密度小、强度高、重量更轻，应用于运动器械上有着独特的优势，在自行车、网球拍和高尔夫球杆方面获得了广泛的应用。

2.2塑料类材料

目前最常用的塑料类材料为聚碳酸酯（PC）、尼龙(PA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)树脂。首先，ABS树脂材料被称为绿色材料，其材料强度高、韧性好、热塑性强、耐冲击性优良，并且可以通过添加添加剂对材料的颜色进行选择，是3D打印技术中得以广泛应用的材料，如桌面式打印机最常采用的就是ABS材料。其次，PC由于其在某些方面的优异性能，近期也是炙手可热的3D打印材料。同ABS树脂相比，PC的机械强度更高，并且其耐燃性高，使得材料的安全性得以提升、且不易收缩变形，因此在制造强度要求高的产品应用更为广泛。第三，相比前2种塑料类材料，PA在力学性能方面的优势更为明显。PA树脂家族中的PA66塑料材料，在韧性、延展性和耐磨性方面都表现出极好的性能，但是也存在比较明显的劣势，就是熔点高，不易于加工。所以，科研人员常对PA进行改性加工。如在其中加入PVA等改性材料，使得PVA同PA的分子链产生结合，络合形成网络状结构，覆盖PA材料的表面，进而提升PA材料的弯曲强度、分子粘度与内聚力。在商业领域，许多公司的科研工作者研发出了越来越适合应用的塑料类材料。

2.3无机非金属材料

用于增材制造的无机非金属材料多为浆料或粉末状态，常用材料有陶瓷、原砂、石膏、水泥等，其中陶瓷材料以其高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀等优点而广泛的应用于机械工程、航空航天、医疗、建筑艺术等领域，但陶瓷硬而脆、加工困难。3D打印技术可直接成形制造结构复杂的部件，免去陶瓷材料的后续加工，促进了陶瓷3D打印技术的发展。常用的陶瓷3D打印技术为SLA、SLS、LOM、FDM、3DP，陶瓷材料有Al2O3、SiC、SiO2、ZrO2、Si3N4等，通常用陶瓷粉末与粘结剂混合或者在陶瓷颗粒表面覆膜粘结剂进行打印。

3.国内3D打印材料产业发展现状

3.1仍处于产业发展的初始阶段

国内对3D打印材料的研究起步较晚，但随着增材制造技术在各领域中广泛的应用，引起国内各界广泛关注，并被列入《国家高技术研究发展计划》（863计划），中国制造强国战略中也提到“要增加增材制造等前沿技术和装备的研发，推动优势和战略产业快速发展”，这些政策促进了我国3D打印材料产业的发展，部分技术甚至处于世界领先水平。但是，增材制造材料产业仍处于产业发展的初始阶段。虽然产业发展潜力巨大，但市场规模仍然较小，在基础理论研究、原材料生产工艺、材料制备装备开发等多方面，都有待进一步探索。目前国内有能力研发生产打印材料的企业较少，很多打印材料严重依赖于进口，尤其是金属打印材料有90%来源于进口，造成了3D打印产品成本较高，影响了其产业化进程。

3.2企业规模小社会影响力有限

国内的增材制造材料行业整合度较低，与国外相比，我国3D打印材料产业缺少具有影响力和创造力的龙头企业。国内大部分3D打印材料企业处于发展初级阶段，规模超千万的企业数量很少。这些中小企业受自身技术和资金基础的限制，研发投入也较少，材料产品种类有限，性能无法满足需求，多数产品只能进入低端市场，且市场占有率和品牌知名度不高，在国际增材制造材料市场上没有核心竞争力。

3.3应该建立科学的人才培养机制

一是加强3D打印材料人才培养平台与师资队伍建设。加大投资力度，鼓励有条件的高校开设与打印材料基础理论、材料制备与成型技术相关的学科，设立打印材料创新研发实验室，着力培养优秀的师资团队。二是国外高端人才引进。通过国际交流、合作研发项目等方式引进海外高端人才，加快材料研发团队及高水平师资队伍建设。三是深化校企合作，建立产、学、研一体化育人模式。建立企业需求与人才培养机制相结合的快速育人与成果转化机制，共建协同创新合作研究中心和成果转化中心。跟踪产业前沿动态，产学研对接加快3D打印材料研发、制造等人才培养，同时助推成果的快速转化

结语

我们应该积极响应国家号召，提升现有3D打印材料质量的同时，充分发挥新能源的优势，开发更多的新材料，进一步探索成本更低、相容性更好、实用性更强的3D打印材料，使打印技术更好地服务于社会、企业和家庭。

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