影响因子26.625！吕坚院士团队发表综述：结构材料的增材制造一

江苏激光联盟导读：

近日，香港城市大学吕坚院士团队在 Materials Science and Engineering: R: Reports 上发表综述论文“Additive manufacturing of structural materials”该论文分别从增材制造领域的发展历史，材料选择，4D 打印，应用前景和趋势展望等方面做了较为系统的介绍。江苏激光联盟将陆续对其主要内容进行介绍，本文为第一部分。

全文概要

增材制造（AM），同时也叫3D打印，其问世已经有 30 多年的历史，并且它的应用在最近的５年得到了加速发展。AM技术是一种以材料为导向的制造技术，并且其打印的精度（分辨率）和打印的规模和打印速度之间的矛盾存在于各种不同的材料中，包括聚合物材料，金属，陶瓷，玻璃和复合材料。４D打印，同各种不同的相变系统一起，驱动着研究人员来获得和实施大尺寸的打印。结构材料的AM的多个方面曾经被提出和在本综述中给予了介绍，包括多材料打印 (MMa-AM), 多模量打印(MMo-AM), 多尺度打印(MSc-AM), 多系统打印 (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材料和办法提供了结构材料应用的巨大潜力，诸如航天领域，生物医疗，运输，核能，柔性和可穿戴器件，软体传感器，激励器，机器人呢，珠宝和艺术品，陆地运输，水下器件和多孔材料等。.

引言

使用AM技术被认为是自汽轮机，计算机和网络之后新一代工业革命。不像传统的减材制造，如传统的机加工，铸造，锻造等，AM技术通过构建３D结构，在连续的层层添加的模式下，依据CAD模型来实现三维实体的构建。不同类型的有前途的材料，如聚合物，金属，陶瓷，玻璃，生物材料和复合材料等，均可以实现采用AM技术进行制造，包括SLA，SLS，FDM，LOM，BJ以及SLM和LMD等等。图１所示为各种AM技术的路线图。

图１. 各种不同的AM技术的路线图

４D打印的出现是基于不同类型的形状记忆系统的引入而实现的一种新的技术。折纸和剪纸，是一类典型的形状特征进行组合的材料。折纸的技术在于将薄的片状折叠成３D物体，而这一折叠的过程包含着丰富的数学算法。剪纸实际上也是一类折纸，该技术是将材料剪切成可以折叠的结构。在４D打印过程中，一个3D材料将会自动的和程序化的变化，其变化依据结构和功能而依据环境的刺激而发生相应的变化，例如暴露在热，磁场，液体，电场，光，气体和预应力，或者是以上的组合等。在首次展示4D打印的多材料出现在2014年，打印的是字母MIT几个字，不同的智能材料发展起来用于3D打印和字形状组装。

在近年来，越来越多的研究人员进行了AM来开展结构材料的打印，大量的文章发表在期刊中，如图２所示。在2020年，在《Nature》中的一篇文章中指出，研究人员正在开发的技术朝着快速，大型和更加革新的打印方向发展。在2019年，《 Science》期刊发表了几个令人激动人心的关于AM技术的文章，包括采用超快３D打印技术进行多尺寸的结构的打印，两个研究是关于生物打印组织和器官的研究。目前已经有大范围的材料发展出来用于3D打印，包括聚合物，金属，陶瓷，玻璃和生物材料以及多材料系统。复合的或者多工艺3D打印技术也对提高材料结构的功能功能化提供了更多的潜力。比较有趣的是，打印软体材料的发展驱动着4D打印技术的革新。与此同时，加速了AM技术的工业化进程，如ADidas公司正在进行打印鞋子并销售了多年，波音公司的飞机部件也采用了GE公司打印的部件，同时也意味着我们的这个话题的范围宽广和可以提供足够的建议来为正在进行的实际应用和技术革新的分析提供足够的参考。

▲图2. 自1987年到2019年以关键词“additive manufacturing”进行检索得到的发表的文章的统计，该数据来源于2020年7月23日自Web of Science Core Collection 上进行统计得到的数据

在本综述中，我们给大家展现了近年来的关于3D/4D打印方面的不同材料和他们的潜在应用。AM技术用于结构材料的关键问题，包括可打印性，打印的分辨率/尺度/打印速度，形状的复杂性，机械鲁棒性以及成本-效益之间的关系均进行了讨论，当前的打印技术的限制和未来3D/4D 材料设计的未来方向，超材料，器件和系统均进行了解释。此外，我们相信AM技术在结构材料中的发展将会转向多材料打印(MMa-AM), 多模量材料的打印 (MMo-AM),多尺度打印(MSc-AM), 多系统打印(MSy-AM), 多维度打印 (MD-AM), 多功能打印 (MF-AM)等。

2. 用于结构材料的增材制造

目前已经有大量的材料用于3D打印，图3为分析的结果。打印系统的打印尺度用打印结构的最大尺寸来表示，而相应的打印速度通过最大速率来表示。打印精度（分辨率）同打印尺度/打印速度之间的协调也进行了观察，见图3中的灰度图，涵盖了理想的区域用于将来的打印和致力于克服这一协调的问题。

图3. 打印精度（分辨率）Vs打印尺度/打印速度之间的协调性

2.1. 用于聚合物材料的打印

3D打印技术是基于数字模型文件进行的，并且打印的材料通过层层打印堆积而制造出目标物体，该技术同时也叫AM技术。在当前，这里有许多技术可以实现聚合物材料的打印，如沉积模具，SLS，墨水3D打印，立体光刻技术和3D绘画。其他的方法也正在研究和发展当中，只有少数科学家正在开展这方面的工作。在聚合物复合材料的制造过程中，每一技术均具有它本身的优点和缺点。原始的材料要求，工艺速率和精度，成本和最终的性能等都会影响制造工艺。当前的聚合物3D打印技术见图4所示。

图4. 聚合物材料的3D打印技术

2.1.1. 热塑性聚合物（Thermoplastic polymers）

由于纯的热塑性材料的机械性能并不适合某些场合的应用，非常有必要来改变热塑性材料的性质以适合FDM的打印。Ning等人使用塑料颗粒（丙烯腈丁二烯苯乙烯三元共聚物，acrylonitrile butadiene styrene (ABS)）和碳纤维用于FDM工艺。他们发现样品中含５Ｗｔ％的碳纤维的时候具有较高的弯曲应力，弯曲模量和弯曲韧性，相比较纯的塑料来比较，分别增加了 11.82 %, 16.82 %和 21.86 %。含１０％碳纤维的样品中的气孔率最大，见图５.Tekinalp等人研究了短的碳纤维（0.2–0.4 mm）添加ABS进行FDM技术的３D打印，其可加工性，显微组织和机械性能，同传统的模具复合材料相比较，分别增加了１１５％　和７００％。尽管３Ｄ打印的复合材料中存在气孔且气孔率较高，他们仍然具有大的拉伸强度和弹性模量。

图５. 用于聚合物复合材料的分类和一些案例：(a)铁/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/尼龙-11, (d)连续碳纤维 /聚乳酸（polylactic acid (PLA)）, (e) 短的碳纤维/ABS；(f) 连续碳纤维/尼龙, (g)石墨烯氧化物 /光敏聚合物（photopolymer）, (h) 石墨烯/AB], (i) 银/聚乙二醇双丙烯酸酯 （Poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA)）

Tian等人添加长碳纤维作为PLA（聚乳酸，polylactic acid (PLA) ）材料的强化剂来使得原始的丝状材料进行打印，他们使用FDM工艺来进行样品的准备和模具制造。通过优化参数，在含量为２７％的长的碳纤维的样品中其最大弯曲拉伸强度和弹性模量，在３D打印后分别为 335 MPa 和30 GPa。因此，由于该类材料优异的机械性质，打印的样品在航空中具有潜在的应用前景。使用FDM打印技术， Eutionnat-Diffo等人研究了非导电的和导电的PLA灯丝沉积在PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯，polyethylene terephthalate (PET) ）织物的拉伸变形的比较，以及打印平台温度的也进行了比较。并提出了一个理论和统计优化模型。他们发现非导电的PLA打印的材料在洗涤或添加导电的填料的时候具有更好的耐久性，但洗涤工艺影响编织的织物的断裂应力。

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下期预告

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