增材制造技術(shù)的應(yīng)用與挑戰(zhàn)＊

文/陳雪

0 引言

增材制造(additive manufacturing，AM)俗稱3D打印，用于從三維模型數(shù)據(jù)中制造各種結(jié)構(gòu)和復(fù)雜幾何形狀，這一過程主要由打印連續(xù)的材料層相互疊加而成。3D打印涉及各種方法、材料和設(shè)備，經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)具備了改造制造和物流流程的能力，目前廣泛應(yīng)用于建筑、成型、生物力學(xué)等各個(gè)行業(yè)。

隨著新型材料的出現(xiàn)和AM方法的不斷發(fā)展，3D打印機(jī)成本逐步降低，相關(guān)技術(shù)在學(xué)校、家庭、圖書館和實(shí)驗(yàn)室等已得到應(yīng)用。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，3D制造系統(tǒng)具有幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：高精度復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的制造、最大限度地節(jié)省材料、設(shè)計(jì)的靈活性和個(gè)性化定制。目前廣泛應(yīng)用于3D打印的材料包括金屬、聚合物、陶瓷和混凝土，但在各個(gè)行業(yè)用于3D打印的材料仍相對(duì)有限，因此，有必要開發(fā)合適的材料用于3D打印。本文旨在對(duì)3D打印技術(shù)的現(xiàn)狀及其在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用進(jìn)行綜述，介紹采用該技術(shù)的研究空白和面臨的挑戰(zhàn)。

1 增材制造概述

最常見的3D打印方法主要是使用聚合物絲，被稱為熔融沉積模型(FDM)，此外還有選擇性激光燒結(jié)(SLS)、選擇性激光熔煉(SLM)或液體結(jié)合在三維打印(3DP)中的粉末添加劑制造，主要方法包括噴墨打印、輪廓加工、立體雕版、直接能量沉積(DED)和層壓對(duì)象制造(LOM)。為滿足精細(xì)印刷復(fù)雜結(jié)構(gòu)的要求，實(shí)現(xiàn)快速成型、增強(qiáng)打印大型結(jié)構(gòu)的能力、減少打印缺陷和提高機(jī)械性能是驅(qū)動(dòng)AM技術(shù)發(fā)展的一些關(guān)鍵因素。

2 增材制造的主要應(yīng)用

2.1 生物材料

沃勒斯（Wohlers Associates）被公認(rèn)為世界上卓越的3D打印行業(yè)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)之一，根據(jù)沃勒斯最近的一份報(bào)告顯示，生物醫(yī)藥市場(chǎng)目前占AM總市場(chǎng)份額的11%，將成為AM發(fā)展和增長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力之一。

AM在生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用有其獨(dú)特特性：一是高復(fù)雜性。生物醫(yī)學(xué)研究面臨著復(fù)雜性和創(chuàng)新性挑戰(zhàn)，AM可以用于開發(fā)新的生物醫(yī)學(xué)植入物、工程組織和器官，以及控制藥物輸送系統(tǒng)。AM的靈活性允許通過工程新型材料(如半晶聚合物復(fù)合材料)來制造極其復(fù)雜的形狀。二是定制病人指定的必需品。從植入物到藥物劑量，生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用必須針對(duì)患者定制，AM在定制患者的生物醫(yī)學(xué)產(chǎn)品方面具有巨大的潛力，從助聽器到生物醫(yī)學(xué)植入物，從定制矯正器到假肢；AM還用于規(guī)劃手術(shù)，提高效率和效果，減少進(jìn)一步手術(shù)的必要性，使植入物適配。三是小批量生產(chǎn)。與傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法相比，AM具有更低的生產(chǎn)成本，這在生物醫(yī)藥行業(yè)是很具代表性的，而且允許制造復(fù)雜的產(chǎn)品，不需要每次準(zhǔn)備新的工裝夾具。與傳統(tǒng)的制造方法相比，AM可以更快地完成零件的原型制造，如模塑、鍛造和銑削等。四是方便人們使用。AM CAD文件可以很容易地在研究人員之間共享，以重現(xiàn)相同的設(shè)計(jì)，例如，由美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院(NIH)發(fā)起的免費(fèi)共享AM文件的3D打印交換項(xiàng)目。

隨著應(yīng)用AM技術(shù)的新型給藥系統(tǒng)的開發(fā)，藥物生產(chǎn)和輸送系統(tǒng)將發(fā)生根本性的變化。美國(guó)食品和藥物管理局(FDA)在2015年批準(zhǔn)了第一種AM藥物。AM可以通過改變藥物的三維形態(tài)、藥物傳遞系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)以及活性藥物的位置來控制藥物的釋放譜，新的劑型包括微膠囊、抗生素微模式、合成細(xì)胞外基質(zhì)、介孔生物活性玻璃支架、納米懸浮液和多層藥物傳遞裝置等。預(yù)計(jì)將有可能按需生產(chǎn)個(gè)性化的藥物，包括劑量和特殊的藥物基因圖譜，根據(jù)年齡、種族或性別等因素制造最有效的藥物；也可以將更多的藥物組合在一個(gè)藥片中，并控制單個(gè)藥物的釋放。另一個(gè)隨需應(yīng)變的應(yīng)用是制造保質(zhì)期有限的不穩(wěn)定藥物，如甾體抗炎藥、對(duì)乙酰氨基酚、茶堿、咖啡因等，計(jì)算模型可以幫助預(yù)測(cè)AM給藥系統(tǒng)的釋放譜。

AM已經(jīng)應(yīng)用于生物醫(yī)藥行業(yè)，并成為產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的趨勢(shì)，但也面臨一些風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)。 一是監(jiān)管問題。在美國(guó)，AM生物醫(yī)藥產(chǎn)品需要FDA批準(zhǔn)，而中國(guó)尚沒形成成熟的監(jiān)管體系。二是可使用生物材料有限。傳統(tǒng)的生物材料往往不能進(jìn)行3D打印，而性能最好的AM材料則不具有生物相容性，開發(fā)新的技術(shù)和材料成為關(guān)鍵環(huán)節(jié)。三是質(zhì)量難確定。AM材料的力學(xué)性能尚未得到恰當(dāng)?shù)谋碚?，材料和工藝參?shù)會(huì)極大地影響最終產(chǎn)品的屬性。

2.2 航空航天

AM技術(shù)非常適合航空航天部件的制造，由于航天部件具有以下的特點(diǎn)：一是復(fù)雜的幾何形狀，這是集成功能的必要條件，例如，美國(guó)GE航空正在開發(fā)具有優(yōu)化氣流的風(fēng)扇葉片邊緣；此外，可以通過組合多個(gè)組件來簡(jiǎn)化部件，如GE燃料噴嘴。二是難加工和高買飛比。航空航天工業(yè)使用先進(jìn)而昂貴的材料，如鈦合金、鎳基超合金、高強(qiáng)度鋼合金或超高溫陶瓷，這些材料很難制造且在制造過程中會(huì)產(chǎn)生大量廢料（高達(dá)95%），而AM可以減少浪費(fèi)（減少到10%～20%左右），并提供復(fù)雜的形狀。三是定制生產(chǎn)。航空工業(yè)的特點(diǎn)是生產(chǎn)小批量零件，由于不需要昂貴的模具等設(shè)備，AM比傳統(tǒng)的小批量生產(chǎn)技術(shù)更經(jīng)濟(jì)方便。四是按需生產(chǎn)。飛機(jī)的使用壽命長(zhǎng)達(dá)30年。保留舊部件會(huì)產(chǎn)生顯著的庫(kù)存成本，但AM能夠按需制造部件，從而減少維護(hù)時(shí)間。五是高性能重量比。航空部件需要重量輕，并具有高強(qiáng)度和剛度重量比，以減少成本和排放。例如，進(jìn)入近地軌道(LEO)的空間旅行成本，即在2000千米的高度繞地球公轉(zhuǎn)的費(fèi)用約為每千克2500美元。

航空航天應(yīng)用的金屬和非金屬（如超材料）部件均可使用AM制造或修理，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件、渦輪葉片和熱交換器。非金屬AM方法，如立體光刻法、多射流建模法和熔融沉積建模法(FDM)，用于零件的快速成型，以及制造由塑料、陶瓷和復(fù)合材料制成的夾具和內(nèi)飾。Piper Aircraft、Bell Helicopter、美國(guó)宇航局（NASA）等多家航空航天公司合作，采用FDM進(jìn)行快速成型、制造工具和零部件生產(chǎn)。例如，NASA使用Stratasys FDM技術(shù)打印了“火星漫游者”的70個(gè)組件，以獲得一個(gè)輕量級(jí)和堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)。Bell直升飛機(jī)使用FDM為V-22魚鷹飛機(jī)制造聚碳酸酯電線導(dǎo)管，同時(shí)將制造時(shí)間從6周減少到2.5天。美國(guó)宇航局航空研究所正試圖開發(fā)一種AM非金屬燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)。輕質(zhì)、耐高溫的復(fù)合材料正在開發(fā)中，采用FDM和噴槍工藝制備了聚合物基體、聚醚亞胺和陶瓷基復(fù)合材料。超高溫陶瓷的AM(如ZrB2、ZrC、TiC等)目前是一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。

2.3 建筑

近年來，隨著3D打印技術(shù)的應(yīng)用，建筑自動(dòng)化建設(shè)受到越來越多的關(guān)注。它可能會(huì)給建筑業(yè)帶來革命性的變革，并能讓宇航員在月球上更容易地施工，大大減少施工時(shí)間和人力。3D打印技術(shù)在建筑行業(yè)可以應(yīng)用于一些有限制的領(lǐng)域，比如幾何復(fù)雜性和中空結(jié)構(gòu)。第一個(gè)3D打印住宅結(jié)構(gòu)是2014年在阿姆斯特丹開發(fā)的，使用的是FDM方法，該項(xiàng)目是由Dus architects的建筑師推動(dòng)的，他們想用最少的材料浪費(fèi)和運(yùn)輸成本來展示打印機(jī)的移動(dòng)性，從而為建筑行業(yè)鋪平道路。3D打印也成為文化保存和復(fù)制的重要過程?，F(xiàn)已開發(fā)出一種再現(xiàn)歷史建筑構(gòu)件的方法，其中3D掃描與基于水泥砂漿的3D打印集成在一起，與傳統(tǒng)方法相比，采用這種技術(shù)可節(jié)省成本和勞力；研究人員發(fā)現(xiàn)，這項(xiàng)技術(shù)可以為重型機(jī)械、建筑設(shè)備的低需求提供機(jī)會(huì)，并有可能使用回收材料。

由于使用3D打印的原材料和制造過程與傳統(tǒng)的施工方法不同，需要熟練工人將機(jī)器人和土木工作結(jié)合起來，這是AM在建筑業(yè)面臨的重要障礙。要提高3D打印技術(shù)在大型建設(shè)項(xiàng)目中的適用性，最好對(duì)3D打印技術(shù)有全面的了解，以便充分發(fā)揮其潛力，特別是制備具有定制孔徑分布的輕質(zhì)混凝土復(fù)合材料以及地聚合物混凝土的自由配合比設(shè)計(jì)是AM未來進(jìn)一步發(fā)展的有趣概念。雖然調(diào)幅技術(shù)在建造業(yè)仍處于起步階段，但可以看出，利用這項(xiàng)技術(shù)，傳統(tǒng)的建筑工序有可能得到改善。

3 增材制造技術(shù)挑戰(zhàn)

盡管3D打印具有設(shè)計(jì)自由、定制化和打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，但仍存在一些缺陷，需要進(jìn)一步的研究和技術(shù)開發(fā)。

3.1 孔隙

3D打印的主要缺點(diǎn)之一是在隨后的材料層之間形成空洞。由于印刷層之間界面粘結(jié)的減少，AM產(chǎn)生的額外孔隙率會(huì)非常高，從而降低機(jī)械性能?？紫兜男纬沙潭仍诤艽蟪潭壬先Q于3D打印方法和打印材料。在使用FDM或輪廓加工等材料細(xì)絲的方法中，孔隙的形成更為常見，并被認(rèn)為是導(dǎo)致力學(xué)性能低下和各向異性的主要缺陷之一，這種空洞的形成也會(huì)導(dǎo)致印刷后層與層之間的分層。在采用FDM方法的3D打印復(fù)合材料中，增加長(zhǎng)絲厚度會(huì)降低復(fù)合材料的孔隙率，但會(huì)降低復(fù)合材料的粘結(jié)力，導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度降低、吸水率增加。隨著混凝土層厚度的增加，層與層之間的間隔時(shí)間越長(zhǎng)，在混凝土增材制造中，層間粘結(jié)效果越好，形成的空隙越小。另一方面，在氧化鋁/玻璃復(fù)合材料粉底印刷中，通過減小每一層的高度，可以大幅度降低AM的高孔隙率。降低的高度可以增加激光穿透頂層，促進(jìn)陶瓷粉末在層間的擴(kuò)散，從而減少層間空隙的形成。

但3D打印零件的高孔隙率并不總是一個(gè)缺陷，對(duì)于生物復(fù)合材料，3D打印的部分高孔隙率可以通過提高保水能力來引入吸濕性能，或者設(shè)計(jì)組織工程中的多孔支架。

3.2 各向異性組織和力學(xué)性能

各向異性是AM的主要挑戰(zhàn)之一，即由于逐層印刷的性質(zhì)，每一層內(nèi)部材料的微觀結(jié)構(gòu)與層與層之間邊界處材料的微觀結(jié)構(gòu)不同。各向異性行為導(dǎo)致三維打印件在垂直拉伸或壓縮下的力學(xué)性能與水平方向的力學(xué)性能不同。在熱熔合(SLS或SLM) 3D打印的金屬和合金中，后續(xù)層的加入使前一層的邊界重新加熱，由于熱梯度的作用，導(dǎo)致不同的晶粒組織和各向異性行為。激光束對(duì)每一層的熱穿透不僅是控制燒結(jié)過程的一個(gè)重要因素，也是限制各向異性行為的一個(gè)重要因素。

然而，3D打印材料的各向異性行為在某些應(yīng)用中是有幫助的。例如，通過控制表面3D打印細(xì)絲的性能，可以實(shí)現(xiàn)表面特殊的各向異性潤(rùn)濕性，由此開發(fā)了一種超疏水性和各向異性的3D打印聚二甲基硅氧烷薄膜，該薄膜具有良好的熱耐久性，可用于透氣防水表面等應(yīng)用。

3.3 從設(shè)計(jì)到執(zhí)行

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)軟件是設(shè)計(jì)3D打印零件的主要工具，它通常使用鑲嵌概念來表達(dá)近似模型，然而將CAD轉(zhuǎn)換成3D打印部件常常會(huì)導(dǎo)致不準(zhǔn)確和缺陷，尤其是在曲面上。一個(gè)非常精細(xì)的鑲嵌可以在一定程度上解決這個(gè)問題，但計(jì)算處理和打印將是費(fèi)時(shí)和復(fù)雜的。因此，有時(shí)考慮通過加熱、激光、化學(xué)制品或砂光等后處理來消除這些缺陷。

為了限制從設(shè)計(jì)到執(zhí)行的缺陷，需要規(guī)劃并找到零件的最佳方向，將零件切割成足夠多層并生成支撐材料，這些支撐材料必須支持后續(xù)層的添加，打印后可以很容易地移除。其中采用粉底法較為便利，其優(yōu)點(diǎn)是采用無(wú)粘結(jié)的粉末作為載體，印刷后可通過氣壓輕松去除。此外，印刷工藝參數(shù)如擠出壓力和取向的纖維(FDM、噴墨和柜臺(tái)制作)、激光功率(SLM和SLS)、層厚度、印刷方向、溫度和印刷速度以及材料特性(如流變學(xué)、熱塑性、粉包裝等等)，可以極大地影響外觀和力學(xué)性能的3D打印部分。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，增材制造在最近的研究和發(fā)展中作出了重大貢獻(xiàn)，也面臨著一些挑戰(zhàn)，比如有限的材料、成本高、監(jiān)管問題、3D打印零件質(zhì)量不一致等。在不久的將來，世界范圍內(nèi)增加的資金、研究和開發(fā)將進(jìn)一步促進(jìn)攻克相關(guān)挑戰(zhàn)和問題，引導(dǎo)從傳統(tǒng)的制造方法向3D打印的快速轉(zhuǎn)變。