楊延華

(西安航空學院 機械工程學院，西安 710077)

0 引 言

增材制造(3D打印)是以數(shù)字模型為基礎，按照一定分層厚度和預定堆積軌跡，將金屬或非金屬材料逐層疊加制造出特定模型或者結構的新興制造技術。文獻[1-2]介紹增材制造(Additive Ma-nufacturing，簡稱AM)技術是通過CAD設計數(shù)據(jù)采用材料逐層累加的方法制造實體零件的技術，相對于傳統(tǒng)的材料去除(切削加工)技術，是一種“自下而上”材料累加的制造方法。

美國增材制造技術咨詢服務的Wohlers協(xié)會2013年度報告分析顯示：2012年增材制造設備與服務全球產(chǎn)值為22.04億美元，與上年同期相比增長率為28.6%，其中，設備材料為10.03億美元，服務產(chǎn)值為12億美元。在增材制造應用方面，消費商品和電子領域仍占主導地位，占比21.8%；機動車領域占比8.6%；醫(yī)學和牙科領域占比16.4%；工業(yè)設備領域占比13.4%；航空航天領域占比10.2%。全球設備擁有量方面，美國占比38%，中國繼日本和德國之后，以約9%的數(shù)量居第四位。在設備產(chǎn)量方面，美國3D打印設備產(chǎn)量最高，占世界的71%，歐洲以12%、以色列以10%位居第二和第三，中國設備產(chǎn)量占4%。

我國自20世紀90年代初，在國家科技部等多部門持續(xù)支持下，華中科技大學、清華大學、北京航空大學、西北工業(yè)大學、西安交通大學等在典型的成形設備、軟件、材料等方面的研究和產(chǎn)業(yè)化方面獲得了重大進展。目前，我國以及各省區(qū)域積極發(fā)展和支持增材制造，成立國家增材制造創(chuàng)新中心、西安增材制造國家研究院有限公司以及各地方3D打印中心等。國家增材制造創(chuàng)新中心位于西安，是工信部落實《中國制造2025》首批布局的國家創(chuàng)新中心之一。創(chuàng)新中心對整合全國優(yōu)勢資源，聚集增材制造領域的優(yōu)勢科研團隊、優(yōu)勢技術公司、主要工業(yè)界用戶和投融資機構，促進增材制造共性技術研究、標準制定及產(chǎn)業(yè)化，推動裝備制造業(yè)高端發(fā)展、工業(yè)轉型升級具有十分重要的意義。西安增材制造國家研究院有限公司作為國家增材制造創(chuàng)新中心的依托公司和承載主體，由西安交通大學、北京航空航天大學、西北工業(yè)大學、清華大學和華中科技大學5所大學及增材制造裝備、材料、軟件生產(chǎn)及研發(fā)的13家重點企業(yè)于2016年共同組建，公司匯聚國內外高端人才及相關國家重點實驗室、工程中心和工程實驗室等科研資源，為國內制造業(yè)的轉型和創(chuàng)新發(fā)展提供重要支撐，服務《中國制造2025》。

近年來，伴隨增材制造快速發(fā)展，繼北京航空航天大學、西北工業(yè)大學等開發(fā)大尺寸飛機金屬零件并在推廣應用之后，3D打印逐漸向航天、石油、化工、電子、醫(yī)療以及教育等多領域發(fā)展，打印設備從高端型逐步向低成本普及型發(fā)展，打印材料也從金屬絲材、粉末、熱熔塑料、液體樹脂等多樣化發(fā)展，打印模型逐漸從單一模型向高精度裝配模型發(fā)展，同時打印服務逐漸同個體化定制模式、互聯(lián)網(wǎng)+、傳統(tǒng)制造業(yè)向兼容和結合模式發(fā)展，逐漸形成響應新時代召喚下的“大眾創(chuàng)新，萬眾創(chuàng)業(yè)”的3D打印新模式。

鑒于增材制造工藝及其材料快速發(fā)展，國內外對增材制造工藝分類有多種意見。2015年1月15日，國際標準化組織ISO制定的標準ISO 17296-2[3]，規(guī)定了增材制造工藝分類及原材料概覽及其基本原則，其中對增材制造工藝進行分類。2015年12月15日出版，ISO聯(lián)合ASTM發(fā)布標準ISO/ASTM 52900[4]，給出增材制造相關術語以及主要工藝分類。由中國機械工業(yè)聯(lián)合會提出，2017年12月發(fā)布2018年10月1日實施的國家標準《GB/T35351-2017增材制造術語》[5]，以及2018年5月14日發(fā)布將于2019年3月1日實施的《GB/T35021-2018 增材制造工藝分類及原材料》[6]，兩個標準針對現(xiàn)有增材制造工藝進行分類，根據(jù)成形原理給出了7種增材制造工藝，分別為：立體光固化、材料噴射、粘結劑噴射、粉末床熔融、材料擠出、定向能量沉積和薄材疊層。

目前，鑒于增材制造材料和種類繁多，對增材制造分類不盡統(tǒng)一和全面?，F(xiàn)行標準給出的增材制造分類均以制造工藝為單一依據(jù)，分類不夠詳盡和全面。因此，本文參考現(xiàn)行標準分類，通過國內外文獻調研和分析，分別以制造材料屬性、材料形態(tài)、制造熱源、工藝組合為依據(jù)，對增材制造進行全面、系統(tǒng)分類，并給出各類增材制造工作原理、特點及應用情況，同時給出增材制造研究現(xiàn)狀，最后研究分析增材制造存在的不足與發(fā)展趨勢。

1 增材制造分類

增材制造的分類根據(jù)制造材料種類、制造工藝以及制造方法等的不同而不同，與此同時，同種材質零件的增材制造可以采用不同原料形狀、不同熱源等來實現(xiàn)。作者經(jīng)過大量調研和仔細分析，將增材制造按照制造材料種類、形態(tài)、熱源、工藝組合等方法來進行劃分，如表1所示，同時各種分類可以交叉實施實現(xiàn)增材制造，從而引出較為主流的增材制造工藝。

表1 增材制造分類

1.1 按照制造材料種類劃分增材制造

首先，按照制造材料種類，增材制造可分為金屬材料增材制造、有機高分子材料增材制造、無機非金屬材料增材制造和生物材料增材制造。

(1) 金屬材料增材制造

金屬材料增材制造就是以金屬材料為原料，包括金屬粉末、絲材等形式，在高溫熱源下完成增材制造。適用于金屬材料增材制造的材料包括：鈦合金、鎳合金、鋼、鋁合金和硬質合金等材料。目前工業(yè)應用較為廣泛的就是金屬材料增材制造，主要用于航空、航天、醫(yī)學等領域。

(2) 有機高分子材料增材制造

有機高分子增材制造是以有機高分子材料為原料，包括專用樹脂、超高分子量聚合物等材料，通過特定的熱源形式，完成的增材制造。有機高分子增材制造原料包括專用光敏樹脂、粘結劑、催化劑、蠟材以及高性能工程塑料與彈性體等。

(3) 無機非金屬材料增材制造

無機非金屬材料增材制造是以無機非金屬材料為原料來完成的增材制造。作為三大材料之一的無機非金屬材料也是增材制造的主要原料，包括：氧化鋁、氧化鋯、碳化硅、氮化鋁、氮化硅等，形態(tài)主要有粉末和片材等[7]。

(4) 生物材料增材制造

生物材料增材制造是以當今新型可植入生物材料為原料來完成的增材制造。生物材料增材制造大大拓展了生物醫(yī)學視野，完善了個性化醫(yī)療器械的開發(fā)，不同軟硬程度的器官、組織模擬材料，促進生物學進步。

1.2 按照制造材料形態(tài)劃分增材制造

按照制造材料形態(tài)劃分，增材制造可劃分為粉末/顆粒材料增材制造、絲材增材制造、帶材/片材增材制造和液體材料增材制造等。

(1) 粉末/顆粒材料增材制造

粉末/顆粒材料增材制造是以粉末/顆粒材料為原料，在一定熱源條件下完成的增材制造?？捎糜诜勰?顆粒材料增材制造的材料包括金屬、有機高分子材料、無機非金屬材料等。

(2) 絲材增材制造

絲材增材制造是以絲材為原料，在一定熱源條件下完成的增材制造?？捎糜诮z材增材制造的材料包括金屬、有機高分子材料等。

(3) 帶材/片材增材制造

帶材/片材增材制造是以帶材/片材為原料，在一定條件下完成的增材制造?？捎糜趲Р?片材增材制造的材料包括金屬材料、有機高分子材料、無機非金屬材料等。

(4) 液體材料增材制造

液體增材制造是以液態(tài)材料為原料，在一定固化條件下完成的增材制造?？捎糜谝簯B(tài)增材制造的材料包括有機高分子材料、無機非金屬材料等，例如光敏液體樹脂等材料。

1.3 按照制造熱源劃分

1.3.1 激光增材制造

激光增材制造是利用高密度高能量激光束為熱源，在惰性氣體保護環(huán)境中，在三維CAD模型分層的二維平面內，按照預定的加工路徑，將同步送進的粉末或絲材逐層熔化，從而分層成型的一種制造技術。激光增材制造分為激光選區(qū)增材制造和激光熔絲增材制造。激光增材制造主要適用于小尺寸、形狀復雜的金屬構件的精密快速成形。具有尺寸精度高、表面質量好、致密度高和材料浪費少的優(yōu)勢, 已經(jīng)成為金屬零件3D打印成型領域中的重要技術之一。

(1) 激光熔絲增材制造技術

激光熔絲增材制造是利用激光為熱源將金屬絲材按照一定預設路徑分層堆積成型，從而形成實體零件。激光熔絲增材制造系統(tǒng)通常是由激光發(fā)生器、送絲系統(tǒng)、3D平臺、真空系統(tǒng)等組成。激光熔絲增材制造工作原理如圖1所示：首先將墊板置于3D工作臺上，送絲系統(tǒng)將金屬絲材送絲至指定路徑位置，激光系統(tǒng)發(fā)射激光，將金屬絲材熔化，隨即凝固成型為增材制造堆積材料，3D工作臺按照預設路徑在xy平面上移動，形成單層金屬絲材增材制造后，3D工作臺再在z向進行移動，進行下一層工件增材制造，直至完成整個零件增材制造。

圖1 激光熔絲增材制造工作原理

(2) 激光選區(qū)熔化增材制造技術

激光選區(qū)增材制造是利用激光束，按照預定路徑，將預先鋪設在二維截面上的金屬粉末熔化，由下而上逐層熔化凝固形成實體零件。激光選區(qū)增材制造系統(tǒng)通常是由激光系統(tǒng)、送粉系統(tǒng)、3D平臺、真空系統(tǒng)等部分組成。激光選區(qū)增材制造工作原理如圖2所示：首先將墊板即擋板置于3D工作臺上，送粉系統(tǒng)將金屬粉末鋪滿于擋板內，激光系統(tǒng)發(fā)射激光，將金屬粉末熔化，隨即凝固成型為增材制造堆積材料，3D工作臺按照預設路徑在xy平面上移動，形成單層粉末增材制造后，3D工作臺再在z向進行移動，進行下一層增材制造，直至完成整個零件增材制造。

利用該技術可以制造出傳統(tǒng)方法無法加工的任意形狀的復雜結構，例如輕質點陣夾芯結構、空間曲面多孔結構、復雜型腔流道結構等。相較于電子束選區(qū)熔化技術，激光選區(qū)熔化由于所使用的粉末尺寸小(≤50 μm)、分層薄(≤0.05 mm)，因此具有很高的尺寸精度(±0.05 mm)和表面質量(粗糙度Ra≤10)，能夠實現(xiàn)無余量加工[8]。

圖2 激光選區(qū)增材制造工作原理圖

1.3.2 電子束增材制造

電子束增材制造是以高能電子束為熱源，對金屬材料連續(xù)掃描熔融，逐層熔化生成致密零件。其工藝原理同激光增材制造類似，分為電子束選區(qū)熔化增材制造和電子束熔絲增材制造。

(1) 電子束熔絲增材制造

電子束熔絲增材制造是指在真空環(huán)境中，高能量密度的電子束轟擊金屬表面形成熔池，金屬絲材通過送絲裝置送入熔池并熔化，同時按照預先規(guī)劃的路徑運動，金屬材料逐層凝固堆積，形成金屬零件或毛坯。電子束熔絲增材制造工作原理如圖3所示，其工作原理與激光熔絲增材制造類似，只是熱源不同，因此這里不再詳述。電子束熔絲沉積技術主要優(yōu)點包括：①沉積效率高。電子束可以實現(xiàn)數(shù)十千瓦大功率輸出，可以達到很高的沉積速率，每小時10～20 kg，適于大型金屬結構的成形。 ②真空環(huán)境有效避免空氣中有害雜質在高溫狀態(tài)下影響金屬冶金質量，適于鈦、鋁等活性金屬的制造。

圖3 電子束熔絲沉積成形原理圖

(2) 電子束選區(qū)熔化成形技術

電子束選區(qū)熔化成形技術是指電子束按預先設定的路徑掃描和移動，將預先鋪放的金屬粉末逐層熔化凝固成型堆積，制造出金屬零件。整個加工過程均處于真空環(huán)境中，能有效避免空氣中有害雜質的影響。電子束選區(qū)熔化技術原理圖如圖4所示，其工作原理與激光選區(qū)增材制造類似，只是熱源不同，因此這里也不再詳述。與激光增材制造相比，電子束增材制造主要優(yōu)勢為制造效率高，主要劣勢為伴隨電子束過程產(chǎn)生的X射線影響。

圖4 電子束選區(qū)熔化技術原理圖

早在20世紀90 年代，美國麻省理工學院的V.R.Dave等提出利用電子束將金屬材料熔化后進行三維制造的想法[9]。隨后瑞典的Arcam公司申請了該項專利并制造出電子束增材制造設備[10]。2017年2月，空客公司從美國Sciaky公司采購的EBAM 110電子束增材制造系統(tǒng)開始用于3D打印飛機鈦合金結構件[11]。隨著沉積速度的提高，EBAM能在幾小時或幾天內生產(chǎn)出大型尺寸零件[12]。

西北有色金屬研究院等牽頭起草了國家標準《GB/T 34508-2017粉床電子束增材制造TC4合金材料 》[13]，于2017年10月14日發(fā)布， 2018年5月1日實施。標準規(guī)定了粉床電子束選區(qū)熔化增材制造TC4合金材料的要求、試驗方法、檢驗規(guī)則和標志、包裝、運輸、貯存、質量證明書及合同(或訂貨單)內容等。適用于以粉床電子束選區(qū)熔化增材制造工藝制造的TC4合金致密材料。

(3) 電弧增材制造

電弧增材制造以電弧為熱源，采用逐層堆焊的方式制造金屬實體構件，該技術主要基于TIG，MIG，SAW等焊接技術發(fā)展而來，成形零件由全焊縫構成，化學成分均勻、致密度高，相對開放成形環(huán)境對成形件尺寸無限制，成形速率可達每小時數(shù)公斤，但電弧增材制造的零件表面波動較大，成形件表面質量較低，一般需要二次表面機加工，相比激光、電子束增材制造，電弧增材制造技術的主要應用目標是大尺寸復雜構件的低成本、高效快速近凈成形。由于其基于堆焊技術發(fā)展起來，具有低成本、高效率的優(yōu)點。

電弧送絲增材制造技術在過去20年一直是學者們研究的熱點。常用的電弧增材制造方法包括：熔化極氣體保護焊(GMAW)、非熔化極氣體保護焊(GTAW)和等離子弧焊(PAW)，其原理如圖5所示。

熔化極氣體保護焊GMAW是電弧在電極和基板之間燃燒，焊絲通常垂直于基板，主要有四種過渡方式，分別為：大滴過渡、短路過渡、射流過渡以及射滴過渡。除此之外，冷金屬過渡的焊接方法也經(jīng)常用在增材制造過程中，該方法具有焊接速度高、成型效率高、熱輸入低等優(yōu)點，適于鈦、不銹鋼等制造。

圖5 電弧增材制造工作原理

(4) 光固化增材制造

光固化增材制造是針對特種專業(yè)樹脂，液體或者膏體材料，例如環(huán)氧丙烯酸樹脂，在紫外光作用下引起樹脂高速聚合、交聯(lián)反應形成，從而完成光固化增材制造。

光固化技術在增材制造方面應用也日益增加。光固化打印機原理是聚合物單體與預聚體組成光引發(fā)劑 (光敏劑)，經(jīng)過紫外光(波長范圍：250～405 nm)照射后，引起聚合反應，形成固化實現(xiàn)液體樹脂增材制造。光固化增材制造主要劣勢為：樹脂成型過程中由于發(fā)生收縮，導致固化速度慢、光敏材料強度不高等缺點，突破這些難點是光固化增材制造今后發(fā)展方向。

目前，光固化增材制造技術較為成熟， 2013年6月1日編著的《增材制造技術系列叢書:液態(tài)樹脂光固化增材制造技術》[14]，系統(tǒng)介紹了光液態(tài)樹脂的分層光固化技術，包括數(shù)字化建模、數(shù)據(jù)處理、液態(tài)樹脂光固化成形、光固化樹脂材料、液態(tài)樹脂光固化成形系統(tǒng)應用操作和快速制模技術等方面內容。香港的SparkMaker公司自2015年就研發(fā)開發(fā)出桌面光固化3D打印機，如圖6所示。該打印機可打印工件尺寸范圍為98 mm×55 mm×125 mm，打印精度xy方向可以達到100 μm，z向層厚精度可達10 μm，可以用于制作工件或者工件原型[15]。

圖6 SparkMaker光固化3D打印機

(5) 熱熔增材制造

熱熔增材制造又稱熔融沉積成型(Fused De-position Modeling，簡稱FDM)，該工藝是將絲狀材料，例如熱塑性塑料、蠟或金屬的熔絲加熱為熔融流體后從噴嘴擠出，按照預定軌跡和速率將熔融流體堆積成型，從而凝固成型為工件。其工作原理如圖7所示。熔融沉積成型優(yōu)點是材料利用率高，浪費少；同時，可選材料種類多，包括熱塑性塑料、蠟或低熔點金屬等；工藝簡潔簡單，適合辦公室環(huán)境。缺點是表面粗糙度低，不適宜制造復雜結構工件。該工藝適合于精度要求不高的小型概念模型或原型模型制造。

圖7 熱熔增材制造工作原理示意圖

1.4 按照工藝組合劃分增材制造

按照工藝組合劃分，增材制造可劃分為單步增材制造、多步增材制造和復合增材制造。

(1) 單步增材制造

單步增材制造是指采用單步操作(打印)完成零件或實物制造的增材制造工藝，可以得到預期基本幾何尺寸和基本性能[6]。這里的“步”應該理解為道或次。單步，即為單道或單次，例如采用單一打印工藝將單一材料一步打印獲得預期零件或實物。

(2) 多步增材制造

多步增材制造是指采用兩步或者兩步以上操作(打印)完成零件或實物制造的增材制造工藝，可以得到預期基本幾何尺寸和基本性能[6]。例如打印異質材料或者功能梯度材料需要的多步打印才能得到預期零件或實物。

(3) 復合增材制造

復合增材制造是在增材制造單步工藝過程中，同時或者分步結合一種或者多種增材制造、等材制造或減材制造，完成零件或實物制造的工藝[6]。增材制造同傳統(tǒng)制造工藝，例如焊接、鑄造、機械加工等組合形成新的復合增材制造工藝。

2 增材制造研究進展

自20世紀90年代起，增材制造技術在國內外得到廣泛研究和關注，增材制造設備的開發(fā)日趨完善和多樣化，增材制造成果的應用領域和范圍逐漸擴大。金屬高性能增材制造技術主要包含以激光立體成形技術為代表的同步送粉(送絲)高能束(激光、電子束、電弧等)熔覆技術和以選區(qū)激光熔化技術為代表的粉末成形技術兩個技術方向[16]。應用較為廣泛的增材制造技術包括：電子束熔絲沉積技術、電子束選區(qū)熔化成形技術、激光熔化沉積制造技術、激光選區(qū)熔化增材成形技術等[17]。

激光立體成形技術是可以實現(xiàn)復雜高性能構件的高效率制造(可達3 kg/h)，力學性能可以達到鍛件水平，同時，可以實現(xiàn)同一構件上多材料的復合和梯度結構制造。選區(qū)激光熔化技術力學性能能夠實現(xiàn)優(yōu)鑄件水平，可以實現(xiàn)復雜性構件制造，沉積效率要比激光立體成形技術低1～2個數(shù)量級。更重要的是，激光立體成形技術可同傳統(tǒng)的加工技術，例如機械加工或電化學加工等等材或減材加工技術相結合，充分發(fā)揮各種增材與等材及減材加工技術的優(yōu)勢，形成金屬結構件的整體高性能、高效率、低成本成形和修復的新加工技術。

美國是開展增材制造研究和應用較早的國家之一，2000年率先實現(xiàn)飛機承力結構件，例如鈦合金支架、吊耳、框、梁等，航空發(fā)動機零件，例如鎳基高溫合金單晶葉片等的增材制造并投入應用。2001年，美國Sciaky公司聯(lián)合Lockheed Martin和Boeing公司開展了大型航空鈦合金零件的電子束熔絲沉積技術研究[18]。2013年，裝有鈦合金垂尾等電子束熔絲沉積技術制造零件的F35試飛成功。美國Boeing公司在航空制造領域應用增材制造走在世界前列，已在X-45，X-50無人機，F(xiàn)-18，F(xiàn)-22戰(zhàn)斗機項目中應用了聚合物增材制造和金屬增材制造技術。

法國空客公司也于2006年啟動了起落架金屬增材制造研發(fā)工作。2014年3月，該公司與西北工業(yè)大學簽訂了基于大型鈦合金構件激光立體成形合作框架協(xié)議，開始系統(tǒng)論證采用LSF技術制造個別飛機零部件。

在國內，北京航空航天大學與沈陽飛機設計研究所、第一飛機設計研究院、沈陽飛機工業(yè)集團公司、西安飛機工業(yè)集團公司等單位“產(chǎn)學研”合作，在2005年實現(xiàn)了激光增材制造鈦合金小型、次承力結構件在某型號飛機上裝機工程應用，并在2007年實現(xiàn)了飛機鈦合金大型、主承力構件的激光增材制造，并且掌握了裝備、工藝等成套技術[19]。

2011年，西安交通大學對鎳基合金激光熔化沉積凝固組織演化規(guī)律進行了長期研究并制造出了高表面質量和幾何尺寸精度的復雜空心葉片樣件[20]。2016年，裝甲兵工程學院裝備再制造技術國防科技重點實驗室采用脈沖等離子工藝增材再制造了Inconel718鎳基高溫合金，但是晶粒粗大而不均，晶粒尺寸自底部向頂部逐漸增大，分別為19.2 μm、29.3 μm和34.1 μm，并有MC碳化物彌散分布于晶界?？梢姴捎妹}沖等離子工藝增材再制造Inconel718工藝還需進一步研究和試驗[21]。絲材電弧增材制造技術適于大尺寸且形狀較復雜構件的低成本、髙效快速成形，是與目前發(fā)展較成熟的激光增材制造方法優(yōu)勢互補的3D增材成形技術。絲材電弧增材制造技術處于試驗研究階段，還需更深入，系統(tǒng)地從成形物理過程、熔池系統(tǒng)穩(wěn)定性、組織演變規(guī)律和性能優(yōu)化等角度開展研究工作[22-23]。

增材制造同傳統(tǒng)制造工藝，例如焊接、鑄造、機械加工等組合，發(fā)展成為新的特種加工系統(tǒng)或裝備。2016年，文獻[24]開發(fā)一種電弧增材制造與銑削復合加工的系統(tǒng)，可實現(xiàn)先增材制造再銑削，為提高零件增材制造效率和成形質量提供了一種新的途徑。

近年來，增材制造在醫(yī)學領域研究和應用成功案例較多。西安交通大學第二附屬醫(yī)院從2012年開始開展3D打印技術重建脊柱脊髓功能的臨床應用研究，目前成功完成臨床試驗。2016年，金屬3D打印椎體假體通過醫(yī)療器械注冊認證。2017年，廣東省首例3D打印人工椎體植入手術中使用的3D打印人工椎體。2018年2月，南方醫(yī)院使用3D打印人工椎體/椎間盤一體化植入物成功實施了植入手術。2018年8月，陸軍軍醫(yī)大學大坪醫(yī)院成功實施3D打印人工頸椎椎體植入手術。與此同時，醫(yī)療行業(yè)內3D打印軟組織研究及應用也開始啟動，2018年9月，首個軟組織增材制造實驗室——廣東省軟組織生物制造工程實驗室建成投用[25]。

此外，4D打印也迅速開展。2013年2月，美國麻省理工學院斯凱拉·蒂比茨(Skylark Tibbits)在TED2013會議上首次公開展示了他與美 國全球 3D 打印技術引領者 Stratasys 公司合作突破的4D打印技術成果，用3D打印機“特殊墨水”打出的“智能材料”與水接觸時自動折疊成字母“MIT”[26]。4D打印技術是指打印智能材料，智能材料結構在3D打印基礎上實現(xiàn)自身的結構變化，即由3D打印技術制造的智能材料結構，在外界環(huán)境激勵下可以隨時間產(chǎn)生形狀結構的變化[2]。4D打印智能材料包括形狀記憶合金、形狀記憶聚合物、壓電材料、電致活性聚合物、 光驅動型聚合物、水驅動結構等智能材料，結構激勵方式包括溫度、光、電、壓力、水等條件或方式。2014年，文獻[2]研究了形狀記憶聚合物(SMP) 的3D打印技術，利用熔融沉積成型(FDM)技術將SMP材料加熱、熔化、擠出，形成SMP三維實體結構，再通過調節(jié)環(huán)境溫度完成形狀變化，實現(xiàn)SMP材料4D打印技術。文獻[27]討論了4D打印未來的軍事應用，包括其在制造隱身、自修復、自毀等材料以及武器、作戰(zhàn)平臺及其零部件，在制作防護服、偽裝工事、天線和太陽能陣列板等方面的應用前景。文獻[28]探討了4D打印或將對導彈武器裝備制造流程、研制成本、研發(fā)周期以及導彈武器性能優(yōu)化方面產(chǎn)生深遠的影響。文獻[29]結合衛(wèi)星有效載荷技術發(fā)展的需求，對4D打印技術在衛(wèi)星有效載荷中的應用進行了展望，包括空間機構的展開控制、天線幅面的在軌形變控制、空間環(huán)境下的溫度自反饋控制以及在軌自修復等。文獻[30]探討了4D打印在航空飛行器智能變體結構，新一代熱防護及新型隱身技術方面的應用潛力。文獻[31]介紹了4D打印形狀記憶聚合物材料研究進展，成形方式及其在各領域的應用。可見，4D打印技術研究處于起步階段，還需要在智能材料種類、智能材料結構打印工藝以及結構激勵方式等方面展開深入研究，方可在材料科學、制造產(chǎn)業(yè)、航空航天、生物工程及醫(yī)學等領域中的突出成果以及創(chuàng)新性技術，才能夠在醫(yī)療、軍事、航天等領域得到廣泛應用[32-33]。

綜上，增材制造在航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)建筑等行業(yè)廣泛深入研究，并且取得一定成果和基礎，伴隨工業(yè)4.0和物聯(lián)網(wǎng)時代到來，給增材制造發(fā)展將帶來無比生機，增材制造逐漸向多元化、高效化、穩(wěn)定化和包容化等方向發(fā)展。

3 結束語

過去近20多年來，增材制造技術在國內外得到廣泛研究和關注，并在航空航天、醫(yī)療、教育等行業(yè)工業(yè)化應用取得重大突破，但是增材制造技術在制造材料、制造效率、制造質量等方面受到制約，因而今后在這些方面需要突破，是重要研究和發(fā)展趨勢。一是制造材料從單一材料向多元化發(fā)展，增材制造目前僅適應于單一材料的增材制造，現(xiàn)在不能滿足多元材料功能特性的工業(yè)需求，因此增材制造多元材料、多功能材料、梯度功能材料、智能材料等是今后增材制造的必然趨勢。二是制造效率從低效率向高效化發(fā)展，同傳統(tǒng)制造技術相比，制造效率一直是增材制造致命劣勢，尤其是金屬材料增材制造制造，從每小時幾十克至數(shù)千克，光固化增材制造效率不足2×106mm3/h。因此，為滿足新工業(yè)時代發(fā)展需要，不論是金屬材料增材制造還是非金屬增材制造，提高制造效率是重要攻關內容。三是制造產(chǎn)品質量從隨機性向穩(wěn)定化發(fā)展，目前增材制造的材料和工藝尚不穩(wěn)定，制造工件單件化，其內在組織和性能呈現(xiàn)隨機性和偶發(fā)性，增材制造產(chǎn)品質量受增材制造工藝、熱力學、增材制造材料熱物理性能等多因素交互影響，制造缺陷和熱應力難于避免和控制。因此，今后增材制造產(chǎn)品內部質量、成型精度逐漸從隨機性向穩(wěn)定化發(fā)展，并且產(chǎn)品結構從簡單化向復雜化發(fā)展、從非承載向承載方向發(fā)展。四是制造工藝從單一性向包容化發(fā)展，伴隨工業(yè)時代4.0以及物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，單一增材制造不再滿足發(fā)展需求，增材制造向同互聯(lián)網(wǎng)+、定制式的包容方向發(fā)展，以及同傳統(tǒng)加工技術組合與包容化方向發(fā)展。