影響因子26.625！呂堅院士團隊發表綜述：結構材料的增材製造一

江蘇激光聯盟導讀：

近日，香港城市大學呂堅院士團隊在 Materials Science and Engineering: R: Reports 上發表綜述論文“Additive manufacturing of structural materials”該論文分別從增材製造領域的發展歷史，材料選擇，4D 打印，應用前景和趨勢展望等方面做了較爲系統的介紹。江蘇激光聯盟將陸續對其主要內容進行介紹，本文爲第一部分。

全文概要

增材製造（AM），同時也叫3D打印，其問世已經有 30 多年的歷史，並且它的應用在最近的５年得到了加速發展。AM技術是一種以材料爲導向的製造技術，並且其打印的精度（分辨率）和打印的規模和打印速度之間的矛盾存在於各種不同的材料中，包括聚合物材料，金屬，陶瓷，玻璃和複合材料。４D打印，同各種不同的相變系統一起，驅動着研究人員來獲得和實施大尺寸的打印。結構材料的AM的多個方面曾經被提出和在本綜述中給予了介紹，包括多材料打印 (MMa-AM), 多模量打印(MMo-AM), 多尺度打印(MSc-AM), 多系統打印 (MSy-AM), 多尺度寸打印 (MD-AM)以及多功能打印(MF-AM)等。快速的且大量的AM材料和辦法提供了結構材料應用的巨大潛力，諸如航天領域，生物醫療，運輸，核能，柔性和可穿戴器件，軟體傳感器，激勵器，機器人呢，珠寶和藝術品，陸地運輸，水下器件和多孔材料等。.

引言

使用AM技術被認爲是自汽輪機，計算機和網絡之後新一代工業革命。不像傳統的減材製造，如傳統的機加工，鑄造，鍛造等，AM技術通過構建３D結構，在連續的層層添加的模式下，依據CAD模型來實現三維實體的構建。不同類型的有前途的材料，如聚合物，金屬，陶瓷，玻璃，生物材料和複合材料等，均可以實現採用AM技術進行製造，包括SLA，SLS，FDM，LOM，BJ以及SLM和LMD等等。圖１所示爲各種AM技術的路線圖。

圖１. 各種不同的AM技術的路線圖

４D打印的出現是基於不同類型的形狀記憶系統的引入而實現的一種新的技術。摺紙和剪紙，是一類典型的形狀特徵進行組合的材料。摺紙的技術在於將薄的片狀摺疊成３D物體，而這一折疊的過程包含着豐富的數學算法。剪紙實際上也是一類摺紙，該技術是將材料剪切成可以摺疊的結構。在４D打印過程中，一個3D材料將會自動的和程序化的變化，其變化依據結構和功能而依據環境的刺激而發生相應的變化，例如暴露在熱，磁場，液體，電場，光，氣體和預應力，或者是以上的組合等。在首次展示4D打印的多材料出現在2014年，打印的是字母MIT幾個字，不同的智能材料發展起來用於3D打印和字形狀組裝。

在近年來，越來越多的研究人員進行了AM來開展結構材料的打印，大量的文章發表在期刊中，如圖２所示。在2020年，在《Nature》中的一篇文章中指出，研究人員正在開發的技術朝着快速，大型和更加革新的打印方向發展。在2019年，《 Science》期刊發表了幾個令人激動人心的關於AM技術的文章，包括採用超快３D打印技術進行多尺寸的結構的打印，兩個研究是關於生物打印組織和器官的研究。目前已經有大範圍的材料發展出來用於3D打印，包括聚合物，金屬，陶瓷，玻璃和生物材料以及多材料系統。複合的或者多工藝3D打印技術也對提高材料結構的功能功能化提供了更多的潛力。比較有趣的是，打印軟體材料的發展驅動着4D打印技術的革新。與此同時，加速了AM技術的工業化進程，如ADidas公司正在進行打印鞋子並銷售了多年，波音公司的飛機部件也採用了GE公司打印的部件，同時也意味着我們的這個話題的範圍寬廣和可以提供足夠的建議來爲正在進行的實際應用和技術革新的分析提供足夠的參考。

▲圖2. 自1987年到2019年以關鍵詞“additive manufacturing”進行檢索得到的發表的文章的統計，該數據來源於2020年7月23日自Web of Science Core Collection 上進行統計得到的數據

在本綜述中，我們給大家展現了近年來的關於3D/4D打印方面的不同材料和他們的潛在應用。AM技術用於結構材料的關鍵問題，包括可打印性，打印的分辨率/尺度/打印速度，形狀的複雜性，機械魯棒性以及成本-效益之間的關係均進行了討論，當前的打印技術的限制和未來3D/4D 材料設計的未來方向，超材料，器件和系統均進行了解釋。此外，我們相信AM技術在結構材料中的發展將會轉向多材料打印(MMa-AM), 多模量材料的打印 (MMo-AM),多尺度打印(MSc-AM), 多系統打印(MSy-AM), 多維度打印 (MD-AM), 多功能打印 (MF-AM)等。

2. 用於結構材料的增材製造

目前已經有大量的材料用於3D打印，圖3爲分析的結果。打印系統的打印尺度用打印結構的最大尺寸來表示，而相應的打印速度通過最大速率來表示。打印精度（分辨率）同打印尺度/打印速度之間的協調也進行了觀察，見圖3中的灰度圖，涵蓋了理想的區域用於將來的打印和致力於克服這一協調的問題。

圖3. 打印精度（分辨率）Vs打印尺度/打印速度之間的協調性

2.1. 用於聚合物材料的打印

3D打印技術是基於數字模型文件進行的，並且打印的材料通過層層打印堆積而製造出目標物體，該技術同時也叫AM技術。在當前，這裡有許多技術可以實現聚合物材料的打印，如沉積模具，SLS，墨水3D打印，立體光刻技術和3D繪畫。其他的方法也正在研究和發展當中，只有少數科學家正在開展這方面的工作。在聚合物複合材料的製造過程中，每一技術均具有它本身的優點和缺點。原始的材料要求，工藝速率和精度，成本和最終的性能等都會影響製造工藝。當前的聚合物3D打印技術見圖4所示。

圖4. 聚合物材料的3D打印技術

2.1.1. 熱塑性聚合物（Thermoplastic polymers）

由於純的熱塑性材料的機械性能並不適合某些場合的應用，非常有必要來改變熱塑性材料的性質以適合FDM的打印。Ning等人使用塑料顆粒（丙烯腈丁二烯苯乙烯三元共聚物，acrylonitrile butadiene styrene (ABS)）和碳纖維用於FDM工藝。他們發現樣品中含５Ｗｔ％的碳纖維的時候具有較高的彎曲應力，彎曲模量和彎曲韌性，相比較純的塑料來比較，分別增加了 11.82 %, 16.82 %和 21.86 %。含１０％碳纖維的樣品中的氣孔率最大，見圖５.Tekinalp等人研究了短的碳纖維（0.2–0.4 mm）添加ABS進行FDM技術的３D打印，其可加工性，顯微組織和機械性能，同傳統的模具複合材料相比較，分別增加了１１５％　和７００％。儘管３Ｄ打印的複合材料中存在氣孔且氣孔率較高，他們仍然具有大的拉伸強度和彈性模量。

圖５. 用於聚合物複合材料的分類和一些案例：(a)鐵/丙烯腈丁二烯苯乙烯三元共聚物（ acrylonitrile butadiene styrene (ABS) ）, (b) BaTiO3/ABS, (c) 玻璃珠/尼龍-11, (d)連續碳纖維 /聚乳酸（polylactic acid (PLA)）, (e) 短的碳纖維/ABS；(f) 連續碳纖維/尼龍, (g)石墨烯氧化物 /光敏聚合物（photopolymer）, (h) 石墨烯/AB], (i) 銀/聚乙二醇雙丙烯酸酯 （Poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA)）

Tian等人添加長碳纖維作爲PLA（聚乳酸，polylactic acid (PLA) ）材料的強化劑來使得原始的絲狀材料進行打印，他們使用FDM工藝來進行樣品的準備和模具製造。通過優化參數，在含量爲２７％的長的碳纖維的樣品中其最大彎曲拉伸強度和彈性模量，在３D打印後分別爲 335 MPa 和30 GPa。因此，由於該類材料優異的機械性質，打印的樣品在航空中具有潛在的應用前景。使用FDM打印技術， Eutionnat-Diffo等人研究了非導電的和導電的PLA燈絲沉積在PET（聚對苯二甲酸乙二醇酯，polyethylene terephthalate (PET) ）織物的拉伸變形的比較，以及打印平臺溫度的也進行了比較。並提出了一個理論和統計優化模型。他們發現非導電的PLA打印的材料在洗滌或添加導電的填料的時候具有更好的耐久性，但洗滌工藝影響編織的織物的斷裂應力。

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下期預告

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