其他作者：成勵子，霍夢科，殷建安，郝鳳乾，陳思堯，王培育，易圣輝，萬鐳，毛正義，陳舟，王旭，曹趙文博單位：香港城市大學(xué)機械工程系，沈陽材料科學(xué)國家研究中心大灣區(qū)研究部，國家貴金屬材料工程技術(shù)研究中心香港分中心，香港城市大學(xué)深圳福田研究院2021年4月1日，香港城市大學(xué)呂堅院士團隊在Materials Science and Engineering: R: Reports上發(fā)表綜述論文“Additive manufacturing of structural materials”，該論文共67頁，75張圖表，以5個章節(jié)分別從增材制造（Additive manufacturing, AM）領(lǐng)域的發(fā)展歷史，材料選擇，4D打印，應(yīng)用前景，和趨勢展望等方面做了較為系統(tǒng)的介紹。增材制造（Additive manufacturing, AM），又稱3D打印，其應(yīng)用被認為是繼蒸汽機，計算機，和互聯(lián)網(wǎng)之后的又一項工業(yè)革命。AM技術(shù)在過去的30年發(fā)展迅速，尤其是在近5年AM技術(shù)一直在加速其應(yīng)用。與減材制造（如常規(guī)機加工，鑄造，和鍛造等工藝）不同，AM通過在計算器輔助設(shè)計（CAD）模型的指導(dǎo)下連續(xù)逐層添加材料來構(gòu)造三維結(jié)構(gòu)。AM是一種面向材料的制造技術(shù)，在各種材料（包括聚合物，金屬，陶瓷，玻璃，和復(fù)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(shù)通常指的是經(jīng)3D打印成型的物體在外界刺激，例如熱，磁，液，電，光，氣壓，預(yù)應(yīng)力，或其組合的刺激下，實現(xiàn)構(gòu)型和功能的變化。本文總結(jié)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(yōu)缺點。4D打印材料和技術(shù)，伴隨著各種變形系統(tǒng)的開發(fā)，驅(qū)動著研究者在高維AM領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)概念突破及實際應(yīng)用。該綜述對結(jié)構(gòu)材料的增材制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(tǒng)（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(fā)展為其在不同領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)應(yīng)用提供了巨大潛力，包括航空航天領(lǐng)域，生物醫(yī)療領(lǐng)域，電子設(shè)備，核工業(yè)，柔性可穿戴設(shè)備，軟質(zhì)傳感器/驅(qū)動器/機器人技術(shù)，珠寶和藝術(shù)裝飾品，陸地運輸，水下設(shè)備，和多孔結(jié)構(gòu)。 圖2. 各種增材制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。
圖3. 各種4D打印驅(qū)動刺激的關(guān)系圖。圖4. 結(jié)構(gòu)材料增材制造的多元化展望。圖5. 多維度增材制造：更高的維度，更高的打印效率。
圖6. 3D打印機有望借助自我打印能力而實現(xiàn)打印萬物。
該部分主要概述了聚合物AM的制造方法、材料種類以及AM聚合物的性能及使用領(lǐng)域，提出了聚合物AM的不足之處，并給出了解決方法。該部分同時展望了聚合物AM的良好發(fā)展前景。該部分介紹了金屬AM利用多領(lǐng)域多學(xué)科融合的思路，在開發(fā)專用材料，新型工藝以及制造結(jié)構(gòu)上的相關(guān)進展，同時高熵合金，金屬玻璃（非晶合金），貴金屬，金屬結(jié)構(gòu)材料的功能特性等方面前景廣大，但仍需進一步發(fā)展。該部分介紹了不同種類（粉基/漿基，鍍膜基，聚合物前驅(qū)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(lǐng)域的優(yōu)勢和應(yīng)用，總結(jié)了直寫打印的特點和所需的墨水條件，并對陶瓷打印技術(shù)將會往打印構(gòu)型更大和打印速度更快兩個方向的發(fā)展做了展望。該部分對3d打印玻璃進行了系統(tǒng)的闡述，介紹了高溫打印/低溫打印/復(fù)合玻璃材料打印三種類型，對比了不同打印方式下產(chǎn)品的透光度和性能的差異，并對3d打印玻璃的應(yīng)用和前景進行了展望。該部分第一小節(jié)總結(jié)了聚合物-金屬復(fù)合打印的策略，介紹了多尺度的層級聚合物-金屬復(fù)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，特征尺寸可以跨越7個數(shù)量級，充分利用“越小越強”的尺寸效應(yīng)。同時，機械超材料憑借特殊的架構(gòu)設(shè)計可實現(xiàn)非凡的剛度，強度和韌性。該部分第二小節(jié)總結(jié)了聚合物-陶瓷復(fù)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(xué)性能主要歸因于其復(fù)雜而又巧妙結(jié)合的多級結(jié)構(gòu)。3D打印工藝是一種“自下而上”制備工藝，能夠很好的應(yīng)用在仿生陶瓷的制備，例如常見的“Bouligand”結(jié)構(gòu)，“磚-瓦”結(jié)構(gòu)，“交叉疊片”結(jié)構(gòu)等，為人們制備高性能仿生陶瓷提供了有效途徑。該部分第三小節(jié)總結(jié)了金屬-陶瓷-聚合物復(fù)合打印的策略，包括將金屬-陶瓷-聚合物復(fù)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，并展望未來3D打印金屬-陶瓷-聚合物復(fù)合材料的發(fā)展方向。第四章：AM的結(jié)構(gòu)材料在不同領(lǐng)域的應(yīng)用在航天領(lǐng)域，尤其是航天器零部件和天線等結(jié)構(gòu)方面的領(lǐng)域，得益于太空的零（微）重力環(huán)境，在軌增材制造可以打印很多傳統(tǒng)加工方式難以實現(xiàn)的零部件。在航空領(lǐng)域，增材制造的應(yīng)用逐漸成熟，從最初在非關(guān)鍵部件上的應(yīng)用逐漸過渡到例如發(fā)動機核心部件的制造。例如使用增材制造燃油噴嘴，在減少部件的同時，提高燃油效率。在可以預(yù)見的將來，增材制造將在航空領(lǐng)域大放異彩，乃至于影響到飛機的整體設(shè)計。另外，3D打印為新型可變機翼的研發(fā)提供了強大的加工能力，顯著提高了新型結(jié)構(gòu)的研發(fā)效率，并實現(xiàn)了應(yīng)用于可變機翼的全新的結(jié)構(gòu)體系，目前蓬勃發(fā)展中的4D打印技術(shù)將為可變機翼提供更多先進的技術(shù)路徑。 圖7. 增材制造在航天領(lǐng)域的應(yīng)用。
圖8. 增材制造在航空領(lǐng)域的應(yīng)用。
增材制造在生物醫(yī)療領(lǐng)域已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用，包括骨科、牙科、軟組織工程、組織修復(fù)再生和生物治療等。該部分從打印材料，表面處理，結(jié)構(gòu)設(shè)計等角度，總結(jié)了在硬組織工程應(yīng)用中增材制造技術(shù)的研究現(xiàn)狀。同時還對目前比較成熟的商業(yè)3D打印骨植入物，以及應(yīng)用增材制造技術(shù)的典型病例，進行了介紹與總結(jié)。增材制造高精度，多材料的特點為復(fù)雜的生物支架制備提供了新的選擇，在人造心臟，體內(nèi)遙控機器人等高難度領(lǐng)域都有著不可替代的優(yōu)勢。
圖9. 增材制造在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用。
該部分總結(jié)了AM在包括微波器件，PCB板，MEMS，微電池，RFID標簽，以及陶瓷手機背板等電子設(shè)備上的應(yīng)用。在現(xiàn)代微波通訊系統(tǒng)及電磁應(yīng)用領(lǐng)域中，增材制造技術(shù)為器件的小型化、輕質(zhì)化、高精度、低成本制造提供了新方法，可有效降低傳統(tǒng)制造中存在的材料冗余、裝配誤差等缺點。在未來微波及太赫茲器件的增材制造技術(shù)發(fā)展方面，提升制造質(zhì)量和速度，研發(fā)新材料以適應(yīng)多功能需求以及實現(xiàn)更高頻器件制造將具有廣闊空間。隨著5G時代的到來和無線充電技術(shù)的發(fā)展，陶瓷材料的AM有望在新型手機背板的開發(fā)上發(fā)揮重要作用。 圖10. 增材制造在電子設(shè)備的應(yīng)用。
該部分主要概述了增材制造制備的高分子、金屬及陶瓷材料在核工業(yè)中的應(yīng)用。從復(fù)合材料及材料結(jié)構(gòu)方面對中子屏蔽材料的性能及應(yīng)用進行研究，并展望多功能復(fù)合材料在核工業(yè)中的潛在應(yīng)用。 圖11. 增材制造在核工業(yè)的應(yīng)用。
3D打印技術(shù)可應(yīng)用于柔性、可穿戴電子設(shè)備的制造，例如應(yīng)變傳感器、納米發(fā)電機、柔性電極等。圖12. 增材制造在柔性可穿戴設(shè)備的應(yīng)用。
4.6軟質(zhì)傳感器/驅(qū)動器/機器人技術(shù)4D打印濕度、溫度響應(yīng)水凝膠發(fā)展迅速，各種幾何形狀、復(fù)雜變形和定向運動都已經(jīng)實現(xiàn)。3D/4D打印在傳感器、執(zhí)行器和軟體機器人等各個方面都顯示出了巨大的應(yīng)用潛能。圖13. 增材制造在軟質(zhì)傳感器/驅(qū)動器/機器人技術(shù)的應(yīng)用。
3D打印技術(shù)由于制造周期短、可根據(jù)客戶需求精確定制、制造過程具有零浪費等特點，成為了珠寶和裝飾行業(yè)興起的新型制造技術(shù)。3D打印技術(shù)通過電腦建模可以設(shè)計結(jié)構(gòu)復(fù)雜的珠寶和裝飾，并且以高分子、金屬、陶瓷等材質(zhì)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制作。 圖14. 增材制造在珠寶和藝術(shù)裝飾品的應(yīng)用。
增材制造技術(shù)在陸地交通領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。相較于傳統(tǒng)的陸地交通工具（如汽車、自行車、高鐵等）的制造技術(shù)，增材制造技術(shù)不僅可以有效地降低制造成本，縮短研發(fā)周期，提高生產(chǎn)效率，還能夠推動交通工具定制化設(shè)計的普遍應(yīng)用。3D打印在航海領(lǐng)域的價值不斷在開發(fā)，從服務(wù)水面船艦維護到深海水下探測。受益于3D金屬材料打印技術(shù)的成熟和海上環(huán)境3D打印技術(shù)的研發(fā)，未來遠洋船艦中極可能標配3D打印設(shè)備，為遠離陸地補給的船艦即時制備已磨損或需更換的配件或臨時所需的結(jié)構(gòu)。該領(lǐng)域的潛在可觀的市場也將吸引和促進3D打印技術(shù)在動態(tài)環(huán)境下的發(fā)展。
圖15. 增材制造在海陸空交通運輸?shù)臐撛趹?yīng)用場景。
隨著各種3D打印技術(shù)的飛速發(fā)展，作為多孔結(jié)構(gòu)的不同微觀結(jié)構(gòu)變得越來越重要。通過使用AM技術(shù)，多孔結(jié)構(gòu)有廣闊的應(yīng)用前景，特別是在醫(yī)療領(lǐng)域，如骨支架。利用3D打印技術(shù)，可以個性化地制造出不同的尺寸和形態(tài)的結(jié)構(gòu)。詳細內(nèi)容請查看英文原文，鏈接如下，該論文為open access，可直接下載:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927796X20300541此項研究獲廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃，深港科技創(chuàng)新合作區(qū)深圳園區(qū)項目，國家自然科學(xué)基金重大項目，國家重點研發(fā)計劃，和大學(xué)教育資助委員會（香港）聯(lián)合實驗室資助計劃的項目支持。Guo Liu, et al. Additive manufacturing of structural materials. Materials Science and Engineering: R: Reports. 2021.DOI：10.1016/j.mser.2020.100596https://authors.elsevier.com/sd/article/S0927-796X(20)30054-1呂堅院士現(xiàn)任香港城市大學(xué)機械工程系講座教授，先進結(jié)構(gòu)材料研究中心（CASM）主任，國家貴金屬材料工程技術(shù)研究中心香港分中心 (NPMM)主任，香港工程科學(xué)院院士，法國國家技術(shù)科學(xué)院院士。2006年及2017年曾兩次獲得由法國總統(tǒng)親自任命的“法國政府頒授法國國家榮譽騎士勛章”及“法國國家榮譽軍團騎士勛章”，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(jié)構(gòu)材料的制備和力學(xué)性能，實驗力學(xué)，材料表面工程和仿真模擬，生物與仿生材料力學(xué)，航空航天材料與結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力工程，3D打印先進材料與產(chǎn)品集成設(shè)計等。相關(guān)論文及鏈接 (?corresponding author; *co-first author)[1] G. Liu*, X. Zhang*, X. Chen*, Y. He*, L. Cheng, M. Huo, J. Yin, F. Hao, S. Chen, P. Wang, S. Yi, L. Wan, Z. Mao, Z. Chen, X. Wang, Z. Cao, J. Lu?. Additive manufacturing of structural materials, Materials Science and Engineering: R: Reports. Online Apr 2021.https://authors.elsevier.com/sd/article/S0927-796X(20)30054-1 [2] G. Liu, Y. Zhao, G. Wu, J. Lu?. Origami and 4D printing of elastomer-derived ceramic structures, Science Advances. 4(8), eaat0641, Aug 2018.https://advances.sciencemag.org/content/4/8/eaat0641[3] G. Liu*, Y. He*, P. Liu*, Z. Chen, X. Chen, L. Wan, Y. Li, J. Lu?. Development of bioimplants with 2D, 3D, and 4D additive manufacturing materials, Engineering. 6(11), 1232-1243, Nov 2020.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095809920302733[4] Z. Mao, K. Zhu, L. Pan, G. Liu, T. Tang, Y. He, J. Huang, J. Hu?, K. Chan?, J. Lu?. Direct‐ink written shape‐morphing film with rapid and programmable multimotion, Advanced Materials Technologies. 5(2), 1900974, Jan 2020. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/admt.201900974[5] Z. Li, P. Liu, X. Ji, J. Gong, Y. Hu, W. Wu, X. Wang, H. Peng, R. Kwok, J. Lam?, J. Lu, B. Tang?.Bioinspired simultaneous changes in fluorescence color, brightness, and shape of hydrogels enabled by AIEgens, Advanced Materials. 32(11), 1906493, Feb 2020.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201906493[6] X. Yan, S. Yin?, C. Chen, R. Jenkins, R. Lupoi, R. Bolot, W. Ma, M. Kuang, H. Liao, J. Lu?, M. Liu?.Fatigue strength improvement of selective laser melted Ti6Al4V using ultrasonic surface mechanical attrition, Materials Research Letters. 7(8), 327-333, Apr 2019.https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/21663831.2019.1609110[7] L. Cheng, T. Tang, H. Yang, F. Hao, G. Wu, F. Lyu, Y. Bu, Y. Zhao, Y. Zhao, G. Liu, X. Cheng, J. Lu?. The twisting of dome-like metamaterial from brittle to ductile, Advanced Science. Accepted Jan 2021.
