《中国新材料研究前沿报告2021》增材制造材料——我国在该领域的地位及发展动态

作者：黄卫东、王理林、王猛
来源：日新材料

4.2我国在该领域的地位及发展动态
中国增材制造材料的发展总体上处于世界先进水平，表现在以下几个方面。
① 产业应用体量上仅次于美国，居世界第二位，而且发展速度明显快于世界平均水平。根据 Wohlers Report 2021，自 1988 年到 2020 年，世界各国累积安装工业级 3D 打印机的数量 比例居前四位的国家分别是，美国 33.6%，中国 10.6%，日本 9.3%，德国 8.1% ；而在 1988年到 2013 年期间，这一数据是，美国 38.0%，日本 9.4%，德国 9.1，中国 8.8%。工业级 3D 打印机安装数量总体上体现了高端 3D 打印材料的工业应用，说明中国在高端 3D 打印材料的产业应用上发展很快，从八年前的世界第四位上升到去年的世界第二位。虽然与处于世界第 一的美国还有很大差距，但这种差距正在快速缩小。中国在桌面级 3D 打印机生产方面占据 了世界绝大部分的份额，估计达到 80% ～ 90%，大部分销往国外。桌面级 3D 打印机所用的 高分子丝材，估计中国生产量占世界总量的份额超过 50%，以至于在中美贸易战中，美国把来自中国的 3D 打印丝材作为控制进口的材料。桌面级 3D 打印机的数量体现了低端 3D 打印材料的产业应用，说明中国在低端 3D 打印材料的发展上占据了世界主流。

② 增材制造材料的研究和应用面非常宽，不但全面覆盖了金属、高分子、陶瓷、生物材料和复合材料等所有大类材料，而且各类材料中都涉及很广泛的具体材料类型。除了少数高端材料还需要进口外，绝大多数增材制造材料，包括很多高端材料都可以实现国产供给。在 高端增材制造材料上受到的限制，主要来自于国外 3D 打印设备厂商捆绑销售打印材料的商 业策略。虽然我国增材制造设备的发展非常快，有很多高端设备已经接近甚至于达到了世界先进水平，但总体来说在设备品牌上差距还很大。世界顶级增材制造设备厂商利用其强大的品牌效应采用捆绑销售打印材料的策略，是一个很普遍的现象。由于我国高端工业应用还大量采用进口国外增材制造设备，导致进口高端增材制造材料的数量长期居高不下，也在很大 程度上提高了我国增材制造材料应用的成本，成为限制我国增材制造实现更广泛的产业化应用的一个重要因素。国内有能力以应用自产或国产材料为主实现大规模工业化生产的增材制造企业，主要是拥有自产高水平设备，同时又有强大的材料开发能力的公司。例如，西安铂 力特公司实现了 50 多种增材制造金属材料的大规模航空航天应用，其中 80% 为自产材料， 多种自行研发和生产的金属材料增材制造成形制件性能远超同期进口粉末；宁夏共享集团形成了以自行研制的系列铸造砂型 3D 打印材料与自产砂型打印设备的配套应用，建立了多条高度智能化的砂型 3D 打印生产线，实现了单条砂型 3D 打印生产线年产达 15000t 铸造砂型 的世界最大规模产业化应用，自产材料成本仅是进口材料成本的 1/4，支撑了处于世界领先水平的智能化铸造工厂建设。

③ 增材制造材料的科学技术研究队伍具有很大的规模，绝大多数工科大学都有团队涉足增材制造材料研究，增材制造材料的科学技术研究已具有很大的广度和深度。在科学基础和创新性技术研究方面具有代表性的工作如下。

● 南京航空航天大学顾冬冬团队提出了“材料 – 结构 – 性能一体化增材制造”（MSPI-AM） 这一整体性概念，其概念性创新在于：变革传统的串联式增材制造路线，发展新的材 料 – 结构 – 工艺 – 性能一体化“并行模式”，在复杂整体构件内部同步实现多材料设计与布局、多层级结构创新与打印，以主动实现构件的高性能和多功能。相关论文于 2021 年发表于 Science。

● 清华大学赵沧博士分析了选区激光熔化扫描速度和激光功率对气孔缺陷的影响规律， 建立金属增材制造过程同步辐射在线监测系统直接观察匙孔气泡产生及演化过程，理清了该类气孔缺陷的产生机理，为未来全致密金属增材制造提供了理论支撑。相关论文于 2020 年发表于 Science。

● 西北工业大学林鑫团队系统深入揭示了金属增材制造非平衡物理冶金、近快速凝固与循环往复固态相变相互耦合作用下的多尺度组织演化规律，发展了高性能专用合金体系，应用于 C919 飞机、“天问一号”火星探测器等 30 余项国家重大重点型号器件。二十余篇高水平金属增材制造学术论文发表于 Acta mater 和 Additive manufacturing 等 材料与增材制造顶级学术期刊，SCI 他引达 5796 次。国际多位领域著名学者在 Nature 及相关子刊进行了引用和正面评价。

● 清华大学林峰团队针对 SEBM 成形过程，西北工业大学魏雷博士等针对 SLM 成形过程，分别开发了高水平的多物理场数值计算方法，形成了可以高效、准确模拟这两种最重要的金属增材制造的材料冶金过程数值模拟软件。
● 华中科技大学史玉升团队使用自主研发的 PS 粉末材料为国内外 300 多家单位包括空客、北京航空材料研究院、中航工业航空动力机械研究所、二汽、中船重工 12 所等 SLS 打印成形了各种复杂铸造熔模，所研发的尼龙及其复合粉末材料已在广东银禧科技股份有限公司实现产业化，建成了年产 200t 的生产线；成功制造出直径超过 1.6m 的大尺寸复杂碳化硅陶瓷复合材料零件，性能优于国外产品。

● 西安交通大学田小永团队提出原位熔融浸渍与挤出成形复合的高性能复合材料结构增材制造新工艺，所制备的 CCF/PA 复合材料纤维含量可达 50%（质量分数），性能超过铝合金，并率先实现了 CCF/PEEK 复合材料构件成形。相关研究成果发表 ESI 高被引 论文 2 篇，获 2019 Composites Part A 期刊最高被引论文奖。

● 西安交通大学李涤尘团队提出了一种控性冷沉积增材制造工艺，基于分子结晶与力学性能调控原理，通过设计增材制造过程中的热工艺参数（环境温度、打印温度、热处理方式等），实现不同位置不同结晶度的 PEEK 材料制件，在同一 PEEK 增材制造制件上实现变刚度、变性能的多种性能集成。

● 华南理工大学杨永强团队研发了多材料金属激光选区熔化设备，可以实现异种材料在 Z 轴方向梯度成形，可以实现单层中多种材料梯度预置，并且在同一层上可以实现不同区域内的异种材料的成形。

● 四川大学李光宪团队在增材制造高分子材料领域提出了新的学术思想，研发了多种高水平增材制造高分子材料，包括：针对 CLIP 技术开发出多种具有优异性能的功能性打印油墨；针对 SLS 技术，提出动态交联高分子 3D 打印的学术思想，解决了 3D 打 印层间黏合作用弱、Z 方向强度低等关键难题；通过控制 FDM 过程中的外力场，得到 了具有原位纤维结构、高取向度的串晶结构及附生结晶结构的样品，制件的力学性能得到大幅提高。

● 中南大学李瑞迪团队与长沙中车研究院合作，研发了 AlMgScZr 增材制造专用高强度铝合金材料，强度（约 520 ～ 540MPa）高于空客增材制造专用高强度铝合金 Scalmalloy 的强度（约 500 ～ 520MPa），成功应用于民用航空航天全尺寸构件的增材制造。

● 针对大尺寸陶瓷件增材制造后续烧结往往严重变形的问题，西北工业大学成来飞团队提出了采用 CVI、PIP 或反应熔体渗透（RMI）等增密方法使 3D 打印陶瓷件致密化。相比于烧结，可以保证不会改变已成形坯体的形状和尺寸，且同样可以获得高性能， 从而实现成形和成性的协同。采用这一创新性的方法，制备了一系列满足航空航天应 用的高性能增材制造陶瓷结构件。

● 青岛理工大学兰红波团队提出了一种原创性的电场驱动喷射沉积微纳增材制造新技术，应用到高性能柔性透明导电膜、透明电极、透明电加热 / 电磁屏蔽、共形天线、 柔性电子、可降解心血管支架和组织支架、微透镜、功能梯度材料、3D 结构电子、高分辨率液态金属打印等多个领域和行业。

● 西北有色金属研究院汤慧萍团队开发了分区跳跃 - 短线程填充扫描技术，解决了 SEBM 成形难熔金属材料变形开裂的难题，国际上率先实现了钨（熔点 3410℃）、钽 （熔点 2996℃）等难熔金属材料的高质量 SEBM 成形，研制的个性化多孔钽植入物在国际上率先得到临床应用。

● 中南大学熊翔团队采用自行研发的“粉末挤出打印技术”，针对多种金属合金、陶瓷以及复合材料打印出满足工业生产需求的高性能零件。

● 江苏威拉里新材料公司自主研发出单炉 350kg 金属制粉设备，促进国产设备的高产能、 高指标发展；建成了国内第一条自动化生产线，将制粉、筛分、后处理和自动化包装进行有机串联，大大提高粉末生产的自动化程度，减少人为因素影响，提升了质量稳定性。

● 中国航发商发公司揭示了 Hastelloy X 及 IN718 合金材料成分、显微组织、表面处理与断裂行为的内在关系规律，优化出航空发动机 SLM 专用高性能 Hastelloy X 及 IN718 合金粉末成分，获得了横纵向、不同成形位置静态力学性能离散度小于 5% 的成形构件，并开发出航空发动机用 Hastelloy X 及 IN718 合金 SLM 成形工艺和材料性能数据库，解决了行业缺乏设计许用值的共性问题。

中国增材制造材料与世界最先进水平相比，存在的差距主要体现在材料体系不够健全和高端材料上有所落后两个方面。存在这两方面差距的主要原因是，我国增材制造材料发展的顶层设计和体系化研究同西方发达国家相比明显不足。

西方发达国家在政府、社会、3D 打印技术领先企业和大型工业企业几个层面，都对增材制造材料发展有明确的顶层设计和成体系的研究开发战略。

在政府层面，美国国家增材制造创新中心“America Makes”制定了明确的增材制造材料发展战略，其目标是建立材料知识的体系，为增材制造材料建立基准特性数据，包括创建一个范式转变，从控制过程参数来“建立”微观结构，而不是控制底层物理学上的微观尺度， 以实现一致的可重复性的微观结构。要发展的技术重点和相关的影响分析指标包括：标准化原料、基准材料属性数据、工艺产权结构关系、进程窗口边界定义、后处理指南和规范。

欧洲“地平线 2020”之前完成的计划中，对增材制造材料的开发支持占到了整个增材制造支持的 29.6%，其中 11.3% 是对金属材料的开发支持，7% 是对高分子材料的支持，5.6% 是对生物材料的支持，2.8% 是对陶瓷材料的支持，其他种类材料的开发支持占 2.9%。
“地平线 2020”计划关于增材制造材料，也有非常明确具体的规划：

● 提高材料的性能：静态性能和抗疲劳性能，使增材制造优于铸造和锻造材料。
● 提高不同机器间的工艺参数交换能力。
● 适用于不同加工技术的半结晶和非晶态聚合物的识别。
● 专用的增材制造材料。
● 开发材料的一致性和可重复性以及与加工参数配合。
● 分析不同材料的特性和增材制造技术的复合材料验证。
● 分析和开发生物材料、超导材料、新磁性材料、高性能金属合金、非晶态金属、复合高温陶瓷材料、金属有机骨架、纳米颗粒和纳米纤维材料。

同时欧盟对材料数据也十分重视，欧盟支持：
● 开发特定应用、材料及过程的材料性能信息数据库。
● 开发材料性能比较及分享的在线平台。

在环境方面，欧盟也提出了具体要求：
● 批量回收材料的批量验证和标准化，尤其是高分子材料。
● 原料使用生命周期的系统化的策略，包括：把老化的达到自然使用寿命的零件进行熔融并雾化制粉，在此过程中监控和调整材料化学成分。

应该说，中国在国家战略层面上还是十分重视增材制造的，将其列入了“中国制造 2025”需要支持的新技术，在“十三五”国家重点研发计划中支持了“增材制造与激光制造” 专项，首批建立国家增材制造创新中心，等等。但在具体实施过程中，“增材制造与激光制造” 专项被安排在制造类专项中，因此在项目指南中不能发布材料类项目。在各类国家计划项目中，增材制造材料只是有一些零散的安排，没有像美国和欧盟那样做明确系统的部署。

在社会层面，美国成立了以宾夕法尼亚州立大学为首的增材制造材料联盟。该联盟由美国国家标准与技术研究所资助，聚集了高端的研究人员，涉及 120 名来自企业、政府和学校 的核心人员，其中包括来自应用研究实验室（Applied Research Lab，ARL）、宾夕法尼亚州创新材料中心、哈罗德和 Inge 马库斯工业和制造工程学院的专业人员，这些专业研究人员在一起为下一代的增材制造材料制定了“战略路线图”，希望通过新材料的发展来推动美国创新和塑造未来的竞争力。路线图的组织研究和活动分为五个战略目标：材料、过程及零件的集 成设计方法；发展过程 - 结构 - 性能的关系；建立零件和原料测试科学研究报告；开发增材制造过程分析能力；探索下一代增材制造材料和工艺。路线图中明确提出要加快设计新的材料，并鼓励增材制造业在未来 10 年内广泛使用这些新材料。

相应地，我国还没有专门针对增材制造材料的社会力量联盟。
在 3D 打印技术领先企业层面，美国的两个世界最大规模的 3D 打印公司“Stratasys”和 “3D Systems”分别都有数百种商业牌号的增材制造材料销售，可以满足客户很多方面的材料需求。这也是它们可以采取“捆绑销售”设备与材料的底气所在。相比较，我国的金属增材 制造领先企业西安铂力特公司有 50 余种金属合金具有成熟的打印工艺，可以用于工业增材制 造应用；而塑料 3D 打印领先企业华曙高科公司可以为客户提供近 20 种高分子 3D 打印材料。可见，差距还是十分显著的。这主要是因为这两个我国 3D 打印领先企业成立时间比 3D 打印 世界巨头公司“Stratasys”和“3D Systems”晚了二十多年，在体量、积累和技术实力上都有 明显差距，短期内尚无足够的力量进行 3D 打印材料的大规模开发。

在大型工业企业层面，以其 MJF 技术改变世界 3D 打印格局的世界 500 强企业惠普公司， 启动了“3D 打印材料认证计划”。这项认证计划为第三方供应商提供了开发 HP Jet Fusion 3D 打印解决方案兼容材料的机会和途径，使其成为惠普的材料创新合作伙伴，携手开辟 3D 打印材料的新天地，以此来满足更广泛的应用需求，推动性能提升，开发满足特定行业需求的潜在部件属性，进而挖掘出材料的新型用途。已经有许多世界顶级材料企业参加了这项 认证计划， 包 括 BASF、ARKEMA、Dressler Group、EVONIK、Henkel、Lehmann & Voss、 Lubrizol 和 SIGMADESIGN。此外，BASF 收购了粉体开发商 Advanc3D，Evonik 收购了 SLS 技术发明人 Carl Deckard 参与创立的 SLS 粉体企业 Structured Polymer，大企业与专业的材料企业之间的互动与互补已经形成普遍态势。而我国大型企业中，只有万华在 PBF 聚合物粉体方面有所布局。