呂堅院士團隊綜述：結構材料的增材製造
第一章：簡介增材製造（Additive manufacturing, AM），又稱 3D 打印，其應用被認爲是繼蒸汽機，計算機，和互聯網之後的又一項工業革命。AM 技術在過去的 30 年發展迅速，尤其是在近 5 年 AM 技術一直在加速其應用。與減材製造（如常規機加工，鑄造，和鍛造等工藝）不同，AM 通過在計算器輔助設計（CAD）模型的指導下連續逐層添加材料來構造三維結構。
AM 是一種面向材料的製造技術，在各種材料（包括聚合物，金屬，陶瓷，玻璃，和複合材料等）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 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缺點。4D 打印材料和技術，伴隨着各種變形系統的開發，驅動着研究者在高維 AM 領域實現概念突破及實際應用。該綜述對結構材料的增材製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（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展爲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，生物醫療領域，電子設備，核工業，柔性可穿戴設備，軟質傳感器/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計劃，深港科技創新合作區深圳園區項目，國家自然科學基金重大項目，國家重點研發計劃，和大學教育資助委員會（香港）聯合實驗室資助計劃的項目支持。
△增材製造的技術路線圖
△各種增材製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 打印驅動刺激的關係圖
△結構材料增材製造的多元化展望
△多維度增材製造：更高的維度，更高的打印效率
△3D 打印機有望藉助自我打印能力而實現打印萬物
以下爲該綜述部分章節的簡要介紹：
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 的製造方法、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，並給出瞭解決方法。該部分同時展望了聚合物 AM 的良好發展前景。
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，在開發專用材料，新型工藝以及製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 領域的優勢和應用，總結了直寫打印的特點和所需的墨水條件，並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的闡述，介紹了高溫打印/低溫打印/複合玻璃材料打印三種類型，對比了不同打印方式下產品的透光度和性能的差異，並對 3d 打印玻璃的應用和前景進行了展望。
2.5 複合材料的 AM該部分第一小節總結了聚合物-金屬複合打印的策略，介紹了多尺度的層級聚合物-金屬複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，特徵尺寸可以跨越 7 個數量級，充分利用“越小越強”的尺寸效應。同時，機械超材料憑藉特殊的架構設計可實現非凡的剛度，強度和韌性。
該部分第二小節總結了聚合物-陶瓷複合打印的策略，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於其複雜而又巧妙結合的多級結構。3D 打印工藝是一種 “自下而上”製備工藝，能夠很好的應用在仿生陶瓷的製備，例如常見的“Bouligand”結構，“磚-瓦”結構，“交叉疊片”結構等，爲人們製備高性能仿生陶瓷提供了有效途徑。
該部分第三小節總結了金屬-陶瓷-聚合物複合打印的策略，包括將金屬-陶瓷-聚合物複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，並展望未來 3D 打印金屬-陶瓷-聚合物複合材料的發展方向。
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，得益於太空的零（微）重力環境，在軌增材製造可以打印很多傳統加工方式難以實現的零部件。在航空領域，增材製造的應用逐漸成熟，從最初在非關鍵部件上的應用逐漸過渡到例如發動機核心部件的製造。例如使用增材製造燃油噴嘴，在減少部件的同時，提高燃油效率。在可以預見的將來，增材製造將在航空領域大放異彩，乃至於影響到飛機的整體設計。另外，3D 打印爲新型可變機翼的研發提供了強大的加工能力，顯著提高了新型結構的研發效率，並實現了應用於可變機翼的全新的結構體系，目前蓬勃發展中的 4D 打印技術將爲可變機翼提供更多先進的技術路徑。
△增材製造在航天領域的應用
△增材製造在航空領域的應用
4.2 生物醫療領域增材製造在生物醫療領域已經獲得了廣泛的應用，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製造技術的研究現狀。同時還對目前比較成熟的商業 3D 打印骨植入物，以及應用增材製造技術的典型病例，進行了介紹與總結。增材製造高精度，多材料的特點爲複雜的生物支架製備提供了新的選擇，在人造心臟，體內遙控機器人等高難度領域都有着不可替代的優勢。
△增材製造在生物醫療領域的應用
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 標籤，以及陶瓷手機背板等電子設備上的應用。在現代微波通訊系統及電磁應用領域中，增材製造技術爲器件的小型化、輕質化、高精度、低成本製造提供了新方法，可有效降低傳統制造中存在的材料冗餘、裝配誤差等缺點。在未來微波及太赫茲器件的增材製造技術發展方面，提升製造質量和速度，研發新材料以適應多功能需求以及實現更高頻器件製造將具有廣闊空間。隨着 5G 時代的到來和無線充電技術的發展，陶瓷材料的 AM 有望在新型手機背板的開發上發揮重要作用。
△增材製造在電子設備的應用
4.4 核工業該部分主要概述了增材製造製備的高分子、金屬及陶瓷材料在覈工業中的應用。從複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，並展望多功能複合材料在覈工業中的潛在應用。
△增材製造在覈工業的應用
4.5 柔性可穿戴設備3D 打印技術可應用於柔性、可穿戴電子設備的製造，例如應變傳感器、納米發電機、柔性電極等。
△增材製造在柔性可穿戴設備的應用
4.6 軟質傳感器/驅動器/機器人技術4D 打印溼度、溫度響應水凝膠發展迅速，各種幾何形狀、複雜變形和定向運動都已經實現。3D/4D 打印在傳感器、執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。
△增材製造在軟質傳感器/驅動器/機器人技術的應用
4.7 珠寶和藝術裝飾品3D 打印技術由於製造週期短、可根據客戶需求精確定製、製造過程具有零浪費等特點，成爲了珠寶和裝飾行業興起的新型製造技術。3D 打印技術通過電腦建模可以設計結構複雜的珠寶和裝飾，並且以高分子、金屬、陶瓷等材質直接打印出來，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製作。
△增材製造在珠寶和藝術裝飾品的應用
4.8 陸地運輸增材製造技術在陸地交通領域有着巨大的應用前景。相較於傳統的陸地交通工具（如汽車、自行車、高鐵等）的製造技術，增材製造技術不僅可以有效地降低製造成本，縮短研發週期，提高生產效率，還能夠推動交通工具定製化設計的普遍應用。
4.9 水下設備3D打印在航海領域的價值不斷在開發，從服務水面船艦維護到深海水下探測。受益於 3D 金屬材料打印技術的成熟和海上環境 3D 打印技術的研發，未來遠洋船艦中極可能標配 3D 打印設備，爲遠離陸地補給的船艦即時製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 打印技術在動態環境下的發展。
△增材製造在海陸空交通運輸的潛在應用場景
4.10 多孔結構隨着各種 3D 打印技術的飛速發展，作爲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，特別是在醫療領域，如骨支架。利用3D 打印技術，可以個性化地製造出不同的尺寸和形態的結構。
呂堅院士簡介
呂堅院士現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親自任命的“法國政府頒授法國國家榮譽騎士勳章”及“法國國家榮譽軍團騎士勳章”，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製備和力學性能，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 打印先進材料與產品集成設計等。
通訊作者：呂堅共同第一作者：劉果，張小鋒，陳緒樑，何雲虎其他作者：成勵子，霍夢科，殷建安，郝鳳乾，陳思堯，王培育，易聖輝，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，瀋陽材料科學國家研究中心大灣區研究部，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
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編輯：李楠 校對：張強