媒介

3D打印又称增材造作(AdditiveManufacturing，AM)，是以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统，将专用的金属资料、有机高分子资料、无机非金属资料等种类的资料依照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，从而造作出实体物品的造作技术。3D打印是一种“自下而上”的造作理想[1]，为复杂结构件造作提供了新思路新规划，在航空、航天、汽车、医疗、构筑、艺术等领域中得到了宽泛利用[2-5]。

目前，国内表3D打印领域已产生近20种工艺类型，其中最为成熟和利用最多的6种工艺蕴含：激光选区溶解(SLM)、定向能量沉积(DED)、选择性激光烧结(SLS)、电子束溶解(EBM)、光固化技术(SLA)、熔融沉积(FDM)[6]。随着3D打印及有关支持产业的急剧发展，先进的3D打印技术不休涌现，所需的资料种类也在不休更新迭代。本文将3D打印先进资料分为金属资料、有机高分子资料、无机非金属资料三大类，并别离论述各先进资料种类下的国内表先进3D打印技术的最新钻研成就，以期对我国3D打印先进资料产业发展起到创新引领作用。

1、金属资料

金属资料3D打印是以金属为原料，以金属粉末、丝材等为大局，在激光、电子束等高温热源下急剧实现溶解、凝固、成形的造作技术。常用于3D打印的金属资料蕴含钛合金、高温合金、铁基合金、铝合金和难熔合金等。由文件调研可知：在金属资料3D打印中，钛合金和铁基合金多是通过参与加强相改善机能，高温合金、铝合金则是通过合金化提高合金强度，而难熔合金与3D打印工艺适应性较差，往往通过热等静压(HIP)或温度梯度改善等方式实现成形。

1.1钛合金

钛是自20世纪50年代发展起来的一种沉要结构金属。钛合金强度高、耐蚀机能好、耐热机能强。用于3D打印迪胙合金重要为粉末资料，目前国内航空航天和医疗领域常用TA1、TC4和TAl5等商标迪胙合金粉末，粉末质量和批次不变性已经得到充分验证。为满足利用领域的需要，钻研人员不休开发出新型钛合金及其复合伙料。Li等开发的Ti-6.5A1.2Zr—Mo—V新型钛合金的纤维组织中存在大角度晶界，在分歧工艺参数下，硬度值为270～290HV，如图1所示[7]。类似的，Ahmcd等开发出一种Ti.5AI.5Mo.5v.3Cr新型钛合金，其硬杜纂传统加工的合金硬度一致[8]。除此之表，航空领域对钛合金抗氧化机能、高温强度和抗蠕变机能提出了火急需要，部门科研单元对Ti4822、Ti2AINb等高温钛合金发展了技术攻关，有望在工程利用方面代替部门高温合金，其中电子束造备的TiAI合金叶片如图2所示。随着医疗领域的发展，Ti.Zr系、Ti—Nb系、Ti.Cu系、Ti.Mb系等新型医用钛合金资料被相继开发，国内粉末厂商也积极投入研发。当前，颗粒强化方式也受到了有关学者的关注和尝试，Zhang等利用激光选区溶解(SLM)工艺将钛粉和少量的SiC纳米颗；旌，原位造备纳米Ti5Si3新型合金涂层，了局显示合金涂层的显微硬度为706HV，相比原来的样品提高了51.5％[9]。

1.2高温合金

高温合金是服役于600℃以上高温环境，能接受刻薄的机械应力，并拥有优良组织不变性的一类合金。高温合金是航空发起机涡轮叶片、涡轮盘、点火室等热端部件的重要资料。目前国内3D打印厂商利用的高温合金原资料重要为镍基和钴基合金粉末，商标蕴含GH3230、GH3536、GH3625、GH4169、GH4099、GH5188等。随着工程化利用水平的不休加深，拥有优良抗氧化机能和铸造机能的高温合金资料逐步进入人们视野。Wen等研造出GHl469与CoCrMo的梯度合金，拥有均匀的合金成分、组织和织构，并发现CoCrMo端重要由γ.fcc相柱状亚晶和少量片层装ε-hcp相组成，抗氧化机能得到显著提升，其中片层装ε-hcp相如图3所示[10]。Ghoussoub等通过钻研(Nb+Ta)／A1比值，成功开发出抗氧化机能好，抗蠕变机能略低于CM247LC合金的新型合金[11]。Chen等成功设计出铸造高温合金K418激光选区溶解(SLM)工艺，其高温合金室温强度为1078MPa，600℃高温下的强度为946MPa，如图4所示[12]。

1.3铁基合金

利用于3D打印的铁基合金大多是不锈钢、模具钢粉末，在核电领域的SLM和DED工艺产品中较为常见。目前国内表学者对铁基合金的钻研方向集中于强化其耐磨机能。Zou等钻研了碳化硅(SiC)颗粒与不锈钢316L的混合可行性，并钻研出随着SiC含量的增长，显微组织由等轴转变为枝晶并导致晶粒细化。该合金经过激光处置后，强度和摩擦学机能得到了显著提高[13]。Tanprayoon钻研了氮化钛(TiN)颗粒与不锈钢316L的混合可行性，发现纳米级TiN颗粒起到了强化作用，合金硬度最大可提高70HV_0.05[14]。也有企业研发出高Mn.Ni型双相不锈钢合金粉末，大幅度提升了不锈钢的耐蚀机能和耐磨机能。

1.4铝合金

传统用于3D打印的铝合金的室温强度仅有300MPa左右，参与某些微量元素可显著提高铝合金的室温强度。中强度和高强度的铝合金有望代替结构钛合金和不锈钢，作为航空航天领域中的沉要零部件。某校企合作项目开发了各向同性A1.Mn.Sc—zr系铝合金，使得铝合金多方向极限拉伸强度高于500MPa，延长率高于10％。也有校企合作项目合作开发了中强度A1一Mg.Si—Mn.Ti打印资料，拥有抗拉强度450MPa以上、延长率9％以上的优异机能；褂行Ｆ蠛献飨钅亢献骺⒘颂沾稍患忧柯梁辖鸱勰，其打印件的最大抗拉强度超过540MPa，最大断裂伸长率超过15％。某企业与某科研院所研发的ZYHL-2高强度铝合金热处置后的抗拉强度不变在550~560MPa，延长率为12％～14％，同时在215℃高温下仍能达至250MPa的抗拉强度，延长率可达18％以上。Wang等开发出一种Al-Mg-Sc-Zr合金，执行激光选区溶解工艺后，不仅拥有优良的强度和韧性组合，并且超细第二相粒子也出现显著的异质α-Al基体组织，可与传统的7075-T651铸造铝合金相媲美[15]。Wang等开发了喷雾成形新型A1-Zn-Mg-Cu铝合金，并探索了合金的显微组织不变性和力学机能，发现由于晶粒细化强化、位错强化和沉淀强化的共同作用，合金的屈服强度和极限抗拉强度别离提高了171MPa和143MPa[16]。高强度铝合金资料机能对比统合于表1所示。

1.5难熔合金

难熔金属蕴含钨、钼、钽、铌等金属，其最大的共同特点是熔点高，且每种金属也有各自的特点。钨拥有高硬度以及优良的射线屏蔽机能，被宽泛利用于电子行业、核工业以及医疗行业。钽拥有耐侵蚀机能以及良好的电机能，重要被利用于钽电容造作和医疗植入物等，其中纯钽植入物如图5所示。选取3D打印步骤出产的CT设备钨准直器已经在国表持久批量利用，该准直器的某些关键机能已超过传统工艺造备的准直器，示意图如图6所示。难熔金属熔点较高，成形能量输入较高，会形成较多孔洞缺点，通常通过调整工艺参数和热等静压等方式解决。Gu等和Song等通过对工艺参数进行钻研发现，在低能量密度前提下，更容易形成致密合金[17-18]。Chen等选取激光选区溶解(SLM)技术成功开发出Nb-5W-2Mo-1Zr新型难熔合金，并造备出高致密零件。该合金经过热等静压达到险些齐全致密，抗拉强度为(678.7±1.1)MPa，耽搁率为(5.91±0.32)％[19]。

在3D打印工艺中，金属粉末质量是影响最终打印部件结构及机能的关键成分之一。结合我国3D打印金属资料存在的问题及必要解决的关键技术发现，必要丰硕3D打印金属资料系统，加强3D打印金属新合金和创新构型结构职能一体化资料的钻研，通过理论与工程实际相结合，开发出颠覆性的新资料和新结构，实现我国金属3D打印技术创新。

2、有机高分子资料

有机高分子资料蕴含专用树脂、超高分子量聚合物等资料，重要以线材为主，通过特定的热源大局实现。国内表资料厂商利用聚乳酸(PLA)、PETG等3D打印线材合成机理，对传统线材进行化学改性，提升资料韧性和强度等指标。聚醚醚酮(PEEK)资料的改性则采取碳纤维等加强基的复合化处置。

2.1聚乳酸(PLA)

聚乳酸(PLA)是一种新型的生物降解资料，由聚乳酸造成的产品除了可能被生物降解表，生物相容性、光泽度、通明性、手感和耐热性也极度好，还拥有肯定的抗菌性、阻燃性和抗紫表性，重要用于衣饰、构筑、农业、林业、造纸和医疗卫生等领域。

近期，国内主流PLA线材厂商对传统资料进行了改性和升级，获得了较大功效。eSUN在对聚乳酸资料进行增韧之后能够拓宽其利用领域，eSUN聚乳酸线材产品如图7所示。

Polymakeri_匝过将聚乳酸和聚丙烯酸酯微球混合，提升了聚乳酸资料的力学机能，尤其是韧性，Polymaker聚乳酸线材产品如图8所示。某新资料企业用甲基丙烯酸甲酯一丙烯酸丁稀共聚物进行增韧改性，改蓠资料的抗冲击机能二国表钻研学者采取资料复合、参与加强基等步骤对聚乳酸进行强化。Reverte等将短纤维作为加强资料增长到聚乳酸中，获得一种新型复合伙料，抗拉强度提高近50％[20]。Zerankeshi等造备了新型的聚乳酸一石墨丝材复合伙料，可显著提升聚乳酸的机械强度，使聚乳酸的机械强度达到7MPa[21]。

2.2PETG

PETG资料是一种通明的非晶型共聚酯，可选取传统的挤出、注塑、吹塑及吸塑等成形步骤，也能够用于3D打印成形，其二次加工机能良好，被宽泛用于塑料制品、医疗保健品、包装制品等领域。

利用于3D打印的PETG原资料重要为FDM线材。PETG熔点高，对打印温度提出了较高的要求。但是资料成形的机械机能较低、耐热机能较差，在现实推广利用过程中严沉碰壁，因而PETG通常必要改性，以提高其机械机能及打印机能。国内表3D打印耗材厂商通过对PETG进行加强增韧等改性，推出了拥有各自特色的PETG耗材。Taulman3D推出一款guideline线材，生物相容性优良，热变形温度达70℃以上。3DxTech推出一款Nanotube线材，由PETG与碳纳米管进行复合造备而得。拥有优良的耐化学侵蚀机能、耐热机能、极低的吸湿性和优异的尺寸不变性。目前国内表钻研人员关于PETG钻研较少，仅仅从增韧改性方面进行了有关钻研。Rubans等和Santosh等别离将碳纤维(CF)和状态影象合金(Ni-Ti)作为加强资料与PETG混合，发现CF-PETG复合伙料样品硬度、抗拉强度和冲击强度等力学机能有所提升，Ni-Ti-PETG复合伙料的动态力学机能显著提升，并且与短纤维加强复合伙料相比，复合线材拥有更高阻尼机能[22-23]。

2.3聚醚醚酮(PEEK)

聚醚醚酮(PEEK)是高温热塑性特种工程塑料，拥有高强度、耐高温、抗化学侵蚀、耐磨损、自光滑、生物相容性、阻燃蹬着异机能，在汽车、飞机造作、电子电器以及医疗等领域有肯定利用。Yan等选取碳纤维(CF)与PEEK混合粉造备新型

复合伙料，了局批注新资料预热温度降低，零件收缩和翘曲问题显著改善[24]。Zheng等开发了羟基磷灰石(HA)与PEEK混合的新资料，并选取熔丝造作(FFF)工艺造备了骨组织支架，钻研了局显示细胞的粘附、增殖、成骨分化和矿化骨髓间充质干细胞对PEEK／HA支架的作用能力显著提高，并且PEEK／HA支架相比纯PEEK支架拥有更好的骨融合成效和粘结强度呤[25]。Shang等设计并合成了氟基聚醚醚酮(FD.PEEK)，钻研了局显示，15%mol芴基团(15％-FD-PEEK)的引入使层间强度和断裂应变别离比PEEK提高了400％和500％，别离达到67MPa和11.23％，批注资料的层间强度得到了显著的提高[26]。

有机高分子资料需要量较大，对资料的强度、耐磨、耐高温、耐候、抗静电、阻燃及成本等机能指标提出了更高的要求。因而，有机高分子资料机能依然有很大提升空间，离在工业领域宽泛利用还较远。

3、无机非金属资料

3.1砂型资料

砂型资料重要分为用于选择性激光烧结(SLS)技术的覆膜砂和用于粘接剂喷射(BJP)技术的树脂砂。SLS覆膜砂资料是一种选择性激光烧结(SLS)工艺打印铸造用型芯或型壳的成形资料，打印出的砂型资料结合传统铸造工艺，可急剧铸造造得金属零件。BJP树脂砂重要蕴含铸造用硅砂、呋喃树脂粘结剂、酚醛树脂粘结剂、无机粘结剂等铸造砂型成形资料，通过BJPI艺成形砂芯、砂型，极大水平上提升了铸造出产效能。覆膜砂的烧结机能优异，尤其合用于复杂结构金属零件的急剧铸造，在航空航天、汽车造作等领域有宽泛利用。某企业研造的覆膜砂资料拉伸强度可达4～6MPa，发气量为12～13ml/g，耐火度高，溃散性好，有比传统工艺更良好的抗粘砂性，使铸件易于脱模，出产的铸件表表粗糙度可达3.2~6.3μm；锌萍即笱Ю酶材ど爸苯由战嵘靶筒⒔岷先勰＞苤旃ひ粘晒街瞿ν谐灯滋濉⑵赘呛臀新种。国内有关学者对粘接剂喷射树脂砂工艺进行了改进。陈瑞等针对3D打印砂型紧实度低的问题，提出了一种空间网格化砂型3D打印步骤，利用圆形、矩形两种基础状态，按分歧网格大幼与分歧网格间骨架尺寸进行网格划分，降低了砂型强度10％～50％，提高了砂型透气性100％以上，削减了粘结剂用量10％~50％[27]。林峰提出打印工艺参数对砂型碳排放源影响分析模型，成立了三个指标的优化模型，并以某型号叶轮铸件作为事俘钻研，了局显示碳排放量削减了33.1％，打印效能提高了38.35％，弯曲应力仅降低了1.02％[28]。

3.2陶瓷资料

在用于3D打印陶瓷资猜中，钻研最多的、成熟度最高的陶瓷资料重要为氧化物(Al₂O₃、ZrO₂，)、SiC、磷酸三钙(TCP)等资料。粉末床成形技术通常要求粉体拥有较高的流动性：立体光固化成形技术所用的原资料是由陶瓷粉体、分散剂和增长剂等组成的浆料。

氧化物陶瓷被宽泛地利用于刀具、磨轮、球阀、轴承等的造作，其中以Al₂O₃，和ZrO2：陶瓷刀具造作最为宽泛。该种资料被钻研学者所关注的机能以耐磨机能和强韧性为主。Hofer-等开发了一种基于光刻的氧化铝陶瓷增材造作技术，利用300～450℃/min的速度急剧烧结状态复杂的陶瓷部件，天生的氧化铝拥有810MPa的高机械强度和高韧性[29]。Shen等选取激光选区溶解技术直接造备Al2O3/GdAlO₃(GAP)共晶复合陶瓷，显微硬度和断裂韧性别离达到(17.1±0.2)GPa和(4.5±0.1)MPa·m172m^1/2[30]。

SiC陶瓷在已知陶瓷资猜中拥有最佳的高温力学机能(高的抗弯强度、良好的耐侵蚀性、高的抗磨损以及低的摩擦因数等)，其抗氧化机能在所有非氧化物陶瓷中也是最好的。Chang等提出了一种通过引入低光吸收SiO₂粉末和两步烧结过程打印高机能,SiC陶瓷的路线，造备的SiC陶瓷拥有更高的抗弯强度(268.66MPa)[31]。Lu等选取激光选区烧结(SLS)技术实现了SiCw／SiC资料的造备，当SiC的粒径领域在60.80μm时，原位的SiCw数量最多，行成和成长方式遵循传统的汽一液一固(V-L.S)机造[32]。Xu等提出了一种由碳化硅、碳粉和碳化硅晶须(SiCw)组成的新型水基浆料，试件的最大抗弯强度为239.3MPa[33]。

磷酸三钙陶瓷(Tricalciumphosphate，TCP)的化学组成在人体骨骼中宽泛存在，因而在医疗领域作为一种优良的骨建复三维支架而被宽泛利用。TCP支架是国内表钻研的热点之一，持久以来，钻研人员不休提升机能来改善TCP支架对于骨危险等方面的医治成效。Li等开发了β.磷酸三钙陶瓷／58S生物玻璃(β-TCP/BG)新型复合伙料并造备了β-TCP/BG陶瓷浆料支架，研造了局显β-TCP/BG树脂浆液的最大粘度为85.92Pa·s，支架的抗压强度达到最大值(11.43±0.4)MPa[34]。Yin等和Qi等钻研了合金与TCP陶瓷的复合可行性，二者钻研批注增长了合金元素的TCP陶瓷支架的生物降解和力学不变性均获得较大提升[35-36]。

目前，大无数陶瓷资料的钻研还处于科研攻关阶段，加强与高校、钻研院所等的合作互换，可获取有效的技术和资源，是有利于陶瓷资料创新发展的最有效步骤。此表，也能够深刻与国际化工资料企业(如巴斯夫)等的合作互换，致力寻材问料，从源头解决造约陶瓷资料发展的问题。

4、结论和瞻望

本文将3D打印先进资料分为金属资料、有机高分子资料、无机非金属资料三大类，并别离论述了各资料种类下的国内表先进3D打印技术的最新钻研成就，得到了以下崭新意识：

(1)随着工程化利用的深刻，3D打印金属资料种类在逐步丰硕，并通过合金化、加强基强化等伎俩提升机能。

(2)国内表有机高分子线材厂商基于合成道理，选取改性和资料复合化改善线材机能，韧性和抗弯强度是沉要钻研指标。

(3)大无数3D打印砂型、陶瓷等无机非金属资料的钻研萦绕工艺适应性发展，部门资料已起头进入机能改善阶段。

当前，3D打印先进资料产业已经成为国内表钻研热点，新型先进资料多可通过原资料与加强基混合造备成复合伙料以及优化资料成分两种方式得到。下一步，还应从新资料利用技术理论和成形机理步骤等角度发力，借鉴成功经验，美满利用场

景，在高速发展的3D打印先进资料产业中把握机缘，引发对资料的机能、加工性、职能多样化开发的动力，逐步推动3D打印先进资料产业越发健康有序发展。

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作者简介：

王玉健(1995-)，通讯作者，男，河北吐鲁番人，助理工程师。钻研方向：增材造作。

E-mail：1011544567@qq.corn

李刚正(1986-)，男，山东郑州人，经济学博士，副钻研员。钻研方向：增材造作、工业机械人、智能造作、通用航空、智能网联汽车。

E-mail：lifangzheng@eidc.org.cn