多材料三維打印技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用

吳靜雯，楊繼全，程繼紅，虞家春

(1.南京師范大學(xué)江蘇省三維打印裝備與制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京　210042)

(2.江蘇敦超電子科技有限公司，江蘇 南京　210042)

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多材料三維打印技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用

吳靜雯1，楊繼全1，程繼紅1，虞家春2

(1.南京師范大學(xué)江蘇省三維打印裝備與制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210042)

(2.江蘇敦超電子科技有限公司，江蘇 南京210042)

摘要：簡(jiǎn)單介紹了多材料三維打印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,重點(diǎn)總結(jié)和介紹了多材料三維打印技術(shù)在消費(fèi)文化、工業(yè)制造、生物醫(yī)療和建筑領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀，并指出其面臨的挑戰(zhàn)。最后對(duì)多材料三維打印技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)予以展望。

關(guān)鍵詞：多材料；三維打??；發(fā)展；應(yīng)用

三維打印[1](也稱3D打印)是增材制造(additive manufacturing，AM)的俗稱，它打破傳統(tǒng)制造模式的限制，基于離散-疊加原理可快速成型形狀復(fù)雜工件，具有節(jié)省材料、縮短研發(fā)周期等優(yōu)勢(shì)。

隨著增材制造業(yè)的快速發(fā)展，現(xiàn)有的單材料三維打印技術(shù)難以滿足產(chǎn)品形狀高復(fù)雜性要求以及市場(chǎng)全球化所需要的柔性和高效性要求[2]，能夠?qū)崿F(xiàn)零件結(jié)構(gòu)和功能并行設(shè)計(jì)與制造的多材料三維打印技術(shù)成為市場(chǎng)突破的關(guān)鍵。多材料三維打印技術(shù)可以成型具有復(fù)雜材料屬性和幾何屬性的零件以及更多功能的實(shí)體零件[3]，不僅突破了傳統(tǒng)制造領(lǐng)域在形狀復(fù)雜度方面的瓶頸，更打破了單材均質(zhì)三維制造材料單一的局限，能夠一次性完成功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造，簡(jiǎn)化甚至省略裝配過(guò)程。

以行業(yè)應(yīng)用為導(dǎo)向是多材料三維打印技術(shù)發(fā)揮價(jià)值的核心，多材料三維打印材料配置、設(shè)備參數(shù)、打印工藝、軟件系統(tǒng)和多材料數(shù)據(jù)模型都需要圍繞三維打印的應(yīng)用領(lǐng)域而展開(kāi)。本文重點(diǎn)介紹了多材料三維打印技術(shù)在文化消費(fèi)、工業(yè)制造、生物醫(yī)療和建筑領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀，并指出其面臨的挑戰(zhàn)。

1多材料三維打印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著增材制造市場(chǎng)的不斷發(fā)展，用戶對(duì)三維打印產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和價(jià)格要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的單材料三維打印工藝已經(jīng)難以滿足市場(chǎng)對(duì)材料、層次和功能復(fù)雜性的要求，多材料三維打印技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。多材料三維打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)零件材料、結(jié)構(gòu)和功能的并行設(shè)計(jì)與制造，蘊(yùn)藏著巨大的市場(chǎng)潛力，成為國(guó)內(nèi)外眾多企業(yè)和學(xué)者爭(zhēng)相研究的對(duì)象。

多材料三維打印技術(shù)作為增材制造業(yè)市場(chǎng)的新寵，發(fā)展速度一日千里，但產(chǎn)業(yè)化程度并不高，多材料三維打印技術(shù)研究主要集中在研究所和高校。如美國(guó)哈佛大學(xué)科學(xué)家[4]設(shè)計(jì)了一種新型可主動(dòng)混合、快速切換噴嘴的多材料打印頭；德國(guó)學(xué)者Regenfuss等[5]基于粉末燒結(jié)技術(shù)開(kāi)發(fā)了另外一種多材料三維打印系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)垂直方向材料梯度變化；美國(guó)新澤西州羅格斯大學(xué)科研人員Brennan等[6]開(kāi)發(fā)了可噴射4類陶瓷材料的多材料熔融沉淀三維打印系統(tǒng)；美國(guó)華盛頓州立大學(xué)學(xué)者Bandyopadhyay等[7]利用激光近凈成形系統(tǒng)制造出了金屬多材料快速成型零件。在國(guó)內(nèi)，清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)和南京理工大學(xué)也在多材料三維打印技術(shù)研發(fā)方面做了大量探索性研究和應(yīng)用工作[8]。

多材料三維打印機(jī)以材料、結(jié)構(gòu)和功能一體化、集成化特點(diǎn)，成為國(guó)內(nèi)外眾多科研機(jī)構(gòu)研究的熱點(diǎn)之一。Stratasys的ConnexTM系列打印機(jī)和3D systems的ProJet系列打印機(jī)是多材料三維打印機(jī)的典型代表，廣泛應(yīng)用于概念驗(yàn)證、產(chǎn)品設(shè)計(jì)及研發(fā)中。國(guó)內(nèi)新興企業(yè)VOXEL8推出了新型的多材料電子打印機(jī)“Developer's Kit”，打印材料為導(dǎo)電銀墨和PLA；珠海賽納科技公司推出了Seine10003D打印機(jī)，實(shí)現(xiàn)了3D打印在工業(yè)領(lǐng)域4通道材料復(fù)合全彩色打印，其原理與惠普多射流熔融相似。

目前，具有商業(yè)代表性的多材料三維打印機(jī)見(jiàn)表1。

表1　國(guó)外商業(yè)化多材料三維打印機(jī)

2多材料三維打印行業(yè)應(yīng)用

根據(jù)三維打印領(lǐng)域的年度權(quán)威報(bào)告“Wohlers Report 2015”可看出當(dāng)前全球三維打印的發(fā)展概況。截止到2015年初，三維打印主要應(yīng)用在機(jī)械工業(yè)、汽車(chē)制造、航空航天、文化消費(fèi)、生物醫(yī)療和建筑等領(lǐng)域[9]，具體應(yīng)用領(lǐng)域以及應(yīng)用所占比例如圖1 所示。

圖1　三維打印在各領(lǐng)域分布概況

2.1　文化消費(fèi)領(lǐng)域

當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域?qū)υ霾闹圃斓膽?yīng)用比較重視，民用領(lǐng)域的應(yīng)用受到的關(guān)注相對(duì)較少，因而以多材料三維打印為切入點(diǎn)，能夠加快快速成型技術(shù)在民用市場(chǎng)的普及與發(fā)展[10]。多材料三維打印在民用市場(chǎng)方面的應(yīng)用集中在消費(fèi)和文化領(lǐng)域，主要集中在兩點(diǎn)：1)民用型三維打印機(jī)走進(jìn)課堂，可提高學(xué)生想象能力與動(dòng)手能力。該應(yīng)用為教育與學(xué)習(xí)提供了嶄新的媒體形式，創(chuàng)設(shè)了豐富多樣的教學(xué)活動(dòng)方式。多材料三維打印機(jī)可快速精確制造特殊的、難以獲取的教學(xué)模型，例如文物古跡模型、醫(yī)學(xué)解剖模型等，極大推動(dòng)個(gè)性化教育的發(fā)展。2)多材料三維打印技術(shù)在家居設(shè)計(jì)、工藝品和家飾品等個(gè)性化藝術(shù)作品等領(lǐng)域，蘊(yùn)含較大市場(chǎng)發(fā)掘潛力。隨著人們生活水平不斷提高，日益追求生活的個(gè)性化、多樣化，多材料三維打印技術(shù)在家庭裝飾或辦公裝飾創(chuàng)意設(shè)計(jì)等市場(chǎng)應(yīng)用前景會(huì)越來(lái)越廣闊。消費(fèi)與文化創(chuàng)意領(lǐng)域模型示例如圖2所示。

雖然多材料三維打印在文化創(chuàng)意領(lǐng)域的發(fā)展日新月異，前景廣闊，但仍存在不足之處。首先，并不是所有的三維打印材料都節(jié)能環(huán)保，有些無(wú)法循環(huán)利用，有些會(huì)對(duì)人體和環(huán)境造成一定程度的傷害，研發(fā)宜人性材料是多材料三維打印走進(jìn)民用市場(chǎng)的關(guān)鍵所在；其次，平民化的多材料三維打印機(jī)價(jià)格也是打開(kāi)民用市場(chǎng)的重要手段之一。

圖2　多材料三維打印消費(fèi)品

2.2　工業(yè)制造領(lǐng)域

多材料三維打印在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用是提升我國(guó)綜合創(chuàng)新實(shí)力、實(shí)現(xiàn)從“中國(guó)制造”走向“中國(guó)創(chuàng)造”的重要途徑之一[10]。單材料三維打印已不能滿足全球市場(chǎng)對(duì)工業(yè)零件柔性和高效性的要求，多材料三維打印技術(shù)成為工業(yè)制造技術(shù)應(yīng)用的熱點(diǎn)并受到廣泛關(guān)注，發(fā)展十分迅速。

目前多材料三維打印在工業(yè)制造領(lǐng)域的應(yīng)用主要涉及兩大方面：一是航空航天領(lǐng)域。多材料三維打印零件能夠迎合航空航天領(lǐng)域?qū)τ陲w行零部件設(shè)備的輕量化、功能性和高強(qiáng)度的要求。航空航天零部件大多數(shù)為單件定制部件，多材料三維打印技術(shù)減少了零部件裝配存在安全隱患的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)多材料零件結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì)與制造。多材料三維打印技術(shù)應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，能夠簡(jiǎn)化裝配流程，增加系統(tǒng)安全性和可靠性。二是汽車(chē)行業(yè)的汽車(chē)樣件快速開(kāi)發(fā)、汽車(chē)復(fù)雜模具制造、汽車(chē)零件輕量化制造。多材料三維打印技術(shù)可以將多個(gè)零部件集成為整體工件，簡(jiǎn)化裝配工作，使產(chǎn)品研發(fā)與生產(chǎn)同步，縮短生產(chǎn)周期。多材料三維打印技術(shù)在工業(yè)零件模具設(shè)計(jì)方案評(píng)審、制造工藝裝配與檢驗(yàn)、功能樣件制造與性能測(cè)試等方面有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)?？傮w來(lái)說(shuō)，多材料三維打印工業(yè)制造市場(chǎng)份額巨大，發(fā)展前景被廣泛看好。多材料三維打印在工業(yè)制造領(lǐng)域的應(yīng)用示例如圖3所示。

多材料三維打印零件設(shè)計(jì)概念不斷涌現(xiàn)，如梯度材料零件、多相聚合物零件等，應(yīng)用前景十分廣闊。在工業(yè)制造領(lǐng)域，多材料三維打印技術(shù)具有多種傳統(tǒng)工藝無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，例如精確控制材料分布，降低創(chuàng)新產(chǎn)品研發(fā)成本，縮短創(chuàng)新研發(fā)周期等，但仍存在以下問(wèn)題：1)打印耗材具有局限性，金屬材料、陶瓷材料的成型工藝?yán)щy重重；2)結(jié)構(gòu)、材料與制造工藝之間的關(guān)系相輔相成，要使三維打印技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用更廣泛，就需要開(kāi)發(fā)出更多的多材料打印系統(tǒng)；3)工業(yè)級(jí)多材料三維打印機(jī)設(shè)備價(jià)格昂貴，不具備規(guī)模經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

圖3　多材料三維打印工業(yè)零件

2.3　生物醫(yī)療領(lǐng)域

全球三維打印市場(chǎng)規(guī)模正逐年擴(kuò)大，生物醫(yī)療領(lǐng)域需求個(gè)性化和高附加值特征，使得其成為最適合運(yùn)用三維打印的應(yīng)用領(lǐng)域之一[11-12]。生物體固有特征為組織材料多樣性，目前三維打印生物材料大多是單材均質(zhì)，難以滿足自然界生物功能性需求，多材料生物打印的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造是實(shí)現(xiàn)生物功能性多樣化的新途徑。

多材料三維打印技術(shù)在生物醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，市場(chǎng)滲透率逐年增加。多材料生物三維打印產(chǎn)品既要滿足機(jī)械強(qiáng)度和零件精度等要求，還要滿足生物功能性需求，多材料生物打印模型零件如圖4所示。目前生物醫(yī)療領(lǐng)域多材料三維打印產(chǎn)品按發(fā)展程度主要分為4個(gè)階段：處于成熟并且商業(yè)化階段的產(chǎn)品包括醫(yī)療模型、部分醫(yī)療器械、牙科產(chǎn)品、手術(shù)導(dǎo)板；處于臨床數(shù)據(jù)研究積累階段的產(chǎn)品，絕大部分為植入體；處于實(shí)驗(yàn)室研究階段的產(chǎn)品，比較具有代表性的是功能型組織和器官；其他衍生的應(yīng)用產(chǎn)品如個(gè)性化藥物等。目前，因口腔醫(yī)療市場(chǎng)監(jiān)管要求相對(duì)較低且需求量大，多材料三維打印技術(shù)在口腔醫(yī)療領(lǐng)域的市場(chǎng)應(yīng)用規(guī)模最大，多材料醫(yī)療模型和手術(shù)導(dǎo)板應(yīng)用將成為現(xiàn)階段大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的突破口。

雖然醫(yī)療市場(chǎng)利潤(rùn)空間巨大，但是相比其他應(yīng)用領(lǐng)域，多材料生物三維打印技術(shù)壁壘更高，環(huán)境更復(fù)雜。在生物應(yīng)用領(lǐng)域，多材料核心壁壘是政策監(jiān)管和技術(shù)集成，其壁壘主要包括4個(gè)方面：一是可用于生物醫(yī)療領(lǐng)域多材料三維打印軟件系統(tǒng)和打印設(shè)備以進(jìn)口為主，適用材料要求高且種類少；二是專做醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用多材料三維打印的公司較少，產(chǎn)業(yè)鏈尚未形成；三是生物醫(yī)療涉及打印設(shè)備、軟件、材料、打印工藝、生物原理、制藥行業(yè)、醫(yī)學(xué)行業(yè)等綜合領(lǐng)域，需要各領(lǐng)域跨行業(yè)合作；四是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不明確，倫理問(wèn)題存在爭(zhēng)議，F(xiàn)DA注冊(cè)證難以獲批。隨著多材料三維打印技術(shù)的不斷發(fā)展，三維打印醫(yī)療市場(chǎng)滲透率逐步增加，多材料生物醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用范圍也將不斷擴(kuò)大。

圖4　多材料生物三維打印模型

2.4　建筑規(guī)劃領(lǐng)域

從全球范圍來(lái)看，三維打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用時(shí)間較短，但是其前景被國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者所看好。在建筑領(lǐng)域，多材料三維打印還處在探索性的初創(chuàng)期，沒(méi)形成產(chǎn)業(yè)化，只有部分國(guó)家的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行過(guò)一些關(guān)于多材料三維打印在建筑領(lǐng)域的研究工作[13-15](包括中國(guó)、荷蘭、俄羅斯、意大利、德國(guó)、美國(guó)等)。到目前為止，多材料三維打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在3個(gè)方面：一是概念性的建筑模型，其設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)內(nèi)容可給予建筑設(shè)計(jì)師充分的自由發(fā)揮的空間；二是建筑規(guī)劃，在三維城市空間直觀形象地展示鄰近建筑物之間、建筑物與城市其他元素之間的相互關(guān)系；三是具有功能性和真正實(shí)際意義的多材料建筑模型，但尚處于實(shí)驗(yàn)室初級(jí)研發(fā)階段。多材料三維打印建筑模型如圖5所示。目前，三維打印在居住型建筑領(lǐng)域市場(chǎng)的應(yīng)用關(guān)鍵在于核心技術(shù)的突破，同時(shí)需完善相關(guān)的產(chǎn)業(yè)化政策。

雖然相對(duì)于傳統(tǒng)的單材料建筑而言，多材料三維打印建筑具有增加建筑可靠性和穩(wěn)定性、降低成本、節(jié)省材料、縮短工期等優(yōu)勢(shì)，但從理論上而言，多材料三維打印建筑仍存在一些不足：1)三維打印建筑材料的局限，目前應(yīng)用較多的是特種混凝土，無(wú)鋼筋材料使建筑模型在受拉強(qiáng)度上存在不足；2)多材料三維打印建筑安全和可靠性也沒(méi)有一個(gè)完整的評(píng)價(jià)體系，成型工藝與打印質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不成熟，未有相關(guān)的法律法規(guī)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)去保證打印建筑的安全性、穩(wěn)定性、可靠性等。多材料三維打印建筑絕大部分還是處于一個(gè)探索性的初創(chuàng)期，普及和應(yīng)用仍存在較大的障礙。

圖5　多材料三維打印建筑

3結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了多材料三維打印技術(shù)在文化創(chuàng)意、工業(yè)制造、生物醫(yī)療和建筑領(lǐng)域的應(yīng)用和挑戰(zhàn)。多材料三維打印是前景可觀的新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，隨著適用材料不斷改進(jìn)和制造精度的提高，多材料三維打印應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U(kuò)大。相信通過(guò)國(guó)家政策對(duì)多材料三維打印產(chǎn)業(yè)化的扶持以及研究人員的不懈努力，多材料三維打印技術(shù)必將在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮出更大的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊繼全, 戴寧, 侯麗雅. 三維打印設(shè)計(jì)與制造[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2013.

[2]ZHANG Zhengyan,CHEN Dingfang,HU Jiquan,et al.Representation and fabrication method for multiple gradient FGM part based onadditive manufacturing[J]. Applied Mechanics and Materials,2014, 433-435:2076-2280.

[3]朱玉芳,楊繼全,岳東.多材料模型的數(shù)字化噴射成型方法[J], 機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2009,28(2):200-204.

[4]常麗君. 新型多材料3D打印頭研制成功[N]. 科技日?qǐng)?bào), 2015-09-23(001).

[5]Regenfuss P,Streek A, Hartwig L, et al. Principles of laser micro sintering[J]. Rapid Prototyping Journal, 2007, 13(4): 204-212.

[6]Brennan R E, Turcu S, Hall A, et al. Fabrication of electroceramic components by layeredmanufacturing (lm)[J]. Ferroelectrics, 2003, 293(1): 3-17.

[7]Bandyopadhyay A, Krishna B V, Xue Weichang，et al. Application of laser engineered net shaping(lens) to manufacture porous and functionally graded structures for load bearing implants[J].Journal of Materials Science, 2009, 20:29-34.

[8]盧秉恒, 李滌塵. 增材制造(3D 打印) 技術(shù)發(fā)展[J]. 機(jī)械制造與自動(dòng)化, 2013, 42(4): 1-4.

[9]Terry Wohlers. Wohlers Report 2015[M].[S.1.]: Wohlers Associates，2015: 20-29.

[10] 吳懷玉. 三維打印三維智能數(shù)字化制造[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2015： 1-3.

[11] Beyersdorf F.Three-dimensional bio-printing: new horizon for cardiac surgery[J].European Journal of Cardio-Thoracic Surgery, 2014, 46(3): 339-341.

[12] Mannoor M S, Jiang Z, James T, et al. 3D printed bionic ears[J].Nano letters, 2013, 13(6): 2634-2639.

[13] Cesaretti Giovanni,Dini Enrico，Kestelier Xavier De，et al. Building components for an outpost on the Lunar soil by means of a novel 3D printing technology[J].Acta Astronautica,2014,93:430-450.

[14] ZHANG Jing,Khoshnevis Behrokh.Optimalmachineoperation planning for construction by contour crafting[J].Automation in Construction, 2013,29:50-67.

[15] Khashayar Behdinan.Methodology for design of a vibration operated valve for abrasive viscous fluids[J].Mechatcis,2013,23(8):1025-1036.

Review on multi-materials of 3D printing technology

WU Jingwen1,YANG Jiquan1,CHENG Jihong1,YU Jiachun2

(1.Jiangsu Key Laboratory of 3D Printing Equipment and Manufacturing,

Nanjing Normal University, Jiangsu Nanjing, 210042, China)

(2.Jiangsu Dunchao Electronic Technology Co., Ltd., Jiangsu Nanjing, 210042, China)

Abstract：It introduces the various developments and applications of multi-materials additive manufacture, summarizes the application of 3D printing technology in consumer products, industry bio-manufacturing and architecture, shows the challenges faced by 3D printing industry. Finally, it predicts the development trend of 3D printing.

Key words：multi-materials; 3D printing; development; application

作者簡(jiǎn)介：吳靜雯(1990—)，女，山東煙臺(tái)人，南京師范大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡姽だ碚撆c新技術(shù)。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61273243); 江蘇省科技支撐重點(diǎn)項(xiàng)目(BE2013012-2)

收稿日期：2015-10-26

中圖分類號(hào)：TH164

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-509X(2015)12-0001-04

DOI:10.3969/j.issn.2095-509X.2015.12.001