盤點2016年國內填補市場空白的3D列印創新技術

即將告別2016，進入2017，2017年3D科學谷會堅持通過貼近行業應用的方式追蹤技術發展趨勢與商業模式創新趨勢。

2017年一定是3D列印發展關鍵年，而立足2016年，我們又有什麼樣的資本來迎接2017年的市場機遇呢？在此，3D科學谷特選出3D列印領域填補市場空白的創新技術，希望在2017年，有更多的科研力量投入到3D列印領域的創新中，有更多的社會力量來關注這些堅毅前行的研究工作者，為創新加油！

不僅有新意

還要有價值

---以下排名不分名次順序---

鉑力特

創新一：光柵-鎢

鎢材料的硬度高，脆性大，導電性差，機加工困難，採用傳統的減材製造工藝難以成形形狀複雜的零件。且鎢材料的熔點在金屬中最高，熔點高達3400℃，是典型的難熔金屬，成形更加困難。

圖片：光柵，材料：鎢，尺寸：87mm×20mm×20mm，重量：296g，

成形時間：3h，來源：鉑力特

鉑力特經過多次研究試驗，研製出專門針對難熔金屬和高導熱高反射金屬的專用3D列印裝備BLT-S300T，有效地解決了以上問題，列印出了鎢合金零件，並且工藝參數穩定，成形良好。該零件整體採用薄壁結構，最小壁厚僅0.1mm。

創新二：複雜流道的尾噴管-銅

選區激光熔化（SLM）技術是以激光作為熱源，銅材料屬於高導熱、高反射金屬，在激光熔化過程吸收率低，因此成形效率低、冶金質量難控制。鉑力特通過大量的試驗，研製出專門針對難熔金屬和高導熱、高反射金屬的專用3D列印設備BLT-S300T，有效地解決了以上問題，成功製備出銅材料零件——銅合金尾噴管。

圖片：尾噴管，原材料：銅，尺寸：φ210mm×295mm，重量：2.6kg，

來源：鉑力特

該零件的內外壁之間設計了50條隨形冷卻流道，增大冷卻接觸表面積，降低溫度達到快速冷卻的效果，有效提高了零件的工作溫度。該零件是國內首件大尺寸選區激光熔化銅合金尾噴管，突破了銅材料的激光成形技術，實現了複雜流道的銅材料製造工藝。

西安交通大學

創新三：結構電子產品三維空間的任意排布

在結構電子產品製造領域，美國Optomec公司通過氣溶膠噴射3D列印技術已被應用在小批量產品的生產中，使用該技術3D列印的曲面共形天線或在眼鏡上直接印製AR電子設備就是其中頗具代表性的應用。

西安交通大學使用的導線列印材料可以有三種不同形態，包括銅錫合金、銀錫合金、錫鉛合金這樣的低熔點金屬絲，納米銀離子凝膠溶液、導電高分子水凝膠的導電墨水，以及鋁粉、銅粉等金屬粉末。基體的3D列印材料則為ABS、PLA、PEEK絕緣性高分子絲材。

在列印時首先通過基體3D列印材料和列印頭完成基體部分的3D列印，然後切換為導線材料的列印頭，從而進行導線部分的3D列印。無論是使用以上所說的三種導線材料中的哪一種材料，導線材料都將通過列印頭沉積3D列印的基體結構中。

在完成一層基體結構和導線的列印之後，工作台將下降一個分層厚度，重複列印基材和列印導線的列印過程，直到列印完全部基體結構和導線得到結構電子。

創新四：採用多束激光輔助控溫3D列印定向晶零件

逐漸成熟的3D列印技術為這些關鍵的零部件的製造提供了一種新的技術方案，在製造工藝和製造精度上都有了極大的改善和進步。但是，這種技術也存在著一些缺陷，例如在金屬列印時，由於存在較大的溫度梯度，金屬難以持續穩定地生長，難以獲得品相良好的柱晶或單晶組織，因而得到的零部件的性能和特性受到極大的影響。

西安交通大學克服現有技術中存在的問題，提供一種採用多束激光輔助控溫3D列印定向晶零件的裝置及方法，通過增加輔助控溫光源，利於零件的金屬晶體定向生長，能夠得到連續的柱晶或單晶組織。

通過設置激光器和掃描器，形成主激光光束和若干束輔助激光光束，能夠形成多束混合同步掃描的激光，通過輔助激光光束調整成形過程中熔池的溫度梯度方向，改變熔池等溫面曲率半徑偏轉方向，使其與組織生長方向夾角小於設定值，就可以很好地形成定向凝固柱晶組織；同時主激光光束和輔助激光光束配合可改變溫度梯度大小，降低列印層溫度梯度，確保金屬晶體可以連續穩定的生長，控制定向凝固柱晶間距尺寸，得到性能優良的定向凝固柱晶或單晶組織。

南京航空航天大學

創新五：鋁基納米複合材料

南京航空航天大學提供一種基於SLM成形的鋁基納米複合材料，用於激光增材技術領域，有效的解決鋁基納米複合材料在激光增材過程中工藝性能與力學性能不匹配、增強顆粒分布不均勻以及陶瓷相與基材相之間潤濕性較差的問題，使得所獲得的產品具備良好的界面結合以及優異的力學性能。

南京航空航天大學對於鋁基納米複合材料的加工是在高純氬氣保護氣氛環境中進行的。加工過程中，加工參數和粉體性能是影響激光最終成形件的兩個最主要因素。從粉體成分角度考慮，稀土元素和陶瓷顆粒的添加必然會增強鋁合金粉體對激光的吸收率，從而可保證在的激光功率下熔池具有充足的液相量。一方面，添加的陶瓷相其粒徑大小、密度以及質量分數均會影響到激光吸收率。另一方面，激光成形工藝參數同樣會顯著影響到鋁基納米複合材料成形過程中熔池的熱動力學特性以及隨後的顯微組織和性能。

南京航空航天大學通過優化SLM成形中有效體能量密度來控制獲得良好的成形質量，有效體能量密度的作用體現在對激光加工中熔池的穩定性、溫度場、流場以及伴隨的激光顯微組織結構的影響，綜合的反映了粉體物性和加工參數這兩者對SLM加工過程的影響。南京航空航天大學的製造工藝所形成的熔池具有很好的穩定性，成形件表面具有光滑並呈現出波紋狀的熔道軌跡，同時幾乎看不到球化效應並獲得近全緻密的結構。顯微組織分析表明增強顆粒得到均勻的彌散分布，基體晶粒細小並呈胞狀結構生長。

創新六：3D列印技術製造馬氏體模具鋼

傳統加工工藝中，一方面，高端模具鋼的原材料方面是長久制約我國模具發展的一塊短板。另一方面，模具在經過傳統機械加工後，一般要經過淬火、回火 處理，而模具的形狀十分複雜，因此要求較高的淬透性、較小的變形及較低的開 裂傾向性。用傳統方法製造模具有生產周期長，模具的淬透性差，模具在淬火過程中開裂導致報廢等挑戰。

為解決現有制模技術中的工序複雜、成本高以及報廢率大等問題。南京航空航天大學通過調整激光加工過程工藝參數，改善成形模具晶粒粗大問題，從而改善其機械性能。利用Mn、Ni、Cr等合金元素穩定過冷奧氏體，在激光加工極大的冷卻速度下得到組織均勻的馬氏體，從而省去了後續的「淬火」過程，激光加工完畢後，成形模具被傳送裝置送入真空熱處理室完成回火過程以釋放其內應力，從而得到具有均勻、細小的回火馬氏體組織的成形模具。

除了粉末製備，激光加工過程式控制制以及後期的熱處理，南京航空航天大學的研究中還涉及到更為細膩嚴謹的關於激光掃描速度V對熔池的過冷度和凝固速度的研究，冷卻速度對淬火效應和馬氏體相變的影響，相變應力和熱應力的共同作用下，晶格常數所受到的影響等等。

浙江大學

創新七：基於三維列印的無泵驅動微流控晶元

微流控晶元又被稱為晶元實驗室，是一種在微米尺度上對流體進行操控的技術。該技術將化學和生物實驗室的基本功能微縮到了一個只有幾平方厘米大小的晶元之上。通過分析化學、微機電加工、計算機、電子學、材料系及生物學、醫學等學科的交叉，實現從樣品處理到檢測的微型化、自動化、集成化及便攜化。微流控晶元具有多種單元技術靈活組合和大規模集成的特點，這樣便能以少量樣品獲得極大的信息量，更有可能超越單一的分析功能，成為一個整體微型多元操作平台。目前，微流控晶元因其在微型化、自動化、集成化和便攜花方面的巨大潛力，已經被逐步應用於環境監測及污染物分析技術的研發中，並取得一系列重要進展。

浙江大學利用FDM三維列印技術製作基底，採用鋪粉的方式，來製得微流控晶元。作為優選，所使用的粉為纖維素粉，為白色無臭無味粉末，不溶於水、丙酮、乙醇或甲苯，性質穩定，非常適合作為檢測實驗載體。纖維素粉的直徑大小為74-125μm，微米級別大小的顆粒聚集體具有毛細作用，通過毛細作用可以讓檢測試劑在流道里自動流到反應池，無需其他外力驅動，大大簡化了檢測所需的條件。

浙江大學的這項技術可以應用在各種臨床檢測，具有可重複利用、無泵驅動、流動速度可調、流道解析度高、成本低等優點，並且加工過程簡便快捷，生產效率高，易於工業化大規模生產。

華中科技大學

創新八：具有鍛件性能的金屬零件3D列印

華中科技大學數字裝備與技術國家重點實驗室張海鷗教授主導研發的金屬3D列印新技術「智能微鑄鍛」，近日成功3D列印出具有鍛件性能的高端金屬零件。有望改變國際上由西方國家領導的金屬絲3D列印格局。

經由這種微鑄鍛生產的零部件，各項技術指標和性能均穩定超過傳統鑄件。同時，該技術以金屬絲材為原料，材料利用率達到80%以上。由於這一技術能同時控制零件的形狀尺寸和組織性能，大大縮小了產品周期。製造一個兩噸重的大型金屬鑄件，過去需要三個月以上，現在僅需十天左右。而且這種以金屬絲為原材料的增材製造技術，無需模具的自由近凈成形，且全數字化、高柔性，列印的零件材質全緻密、沒有宏觀偏析和縮松，具有較高的性能。

藍光英諾

創新九：3D生物列印技術促進人工血管內皮化

2016年藍光英諾的3D生物列印血管申請臨床試驗，動物在體實驗成功之後，下一步藍光英諾3D生物列印血管將向有關監管機構申請臨床試驗。

藍光英諾3D生物列印的專利技術是生物磚，生物磚的技術意義在於實現對細胞的精確排布，這是人工構建組織器官的關鍵。藍光英諾認為已知的生物列印技術存在著缺陷。目前大多數生物列印方法均無法實現對細胞的精確排布，從而也不能製造出具有精細結構的微組織團塊。與此同時，在目前已經知曉的生物列印方法中，所使用的細胞均缺乏力學保護。因此，當將細胞用於3D生物列印時，細胞易於因外界壓力或剪切力的傷害而受損或死亡。這大大限制了生物列印技術的應用。

圖片來源：藍光英諾

藍光英諾的生物磚列印技術給細胞提供了有效的力學保護，從而確保了細胞在列印過程中存活率(達到90％以上)。藍光英諾所製備的生物墨汁可在生物列印過程中實現細胞的精確排布，實現組織或器官的精確生物列印。微血管是組織內部細胞獲取營養物質及排出代謝物的唯一通道。使用生物磚構建的人工構建體(如人工組織)，需要能夠形成微血管，以使其內部細胞能夠存活，內部具備微血管是組織塊具備生物學功能的重要條件。

廣州邁普再生醫學

創新十：具有4D效應的脊柱側凸內固定矯正裝置

現有的金屬類脊柱側彎內固定器械在Zimmer，Stryker、Medtronic 和Depuy等公司的相關專利及技術資料中都有提到，然而現有脊柱側凸手術矯形也存在一些問題，如：假關節形成、內固定失敗 (斷釘、棒和脫鉤等)、深部感染等；特別對於手術患者，他們的側凸程度 往往較為嚴重，醫生在制定手術方案時，往往面臨著是選擇激進還是保守治 療的難題。

脊柱側彎疾病有個特點，每個病人的脊柱變形都不盡相同，側凸角度、 旋轉角度、脊椎骨形態、側凸位置及對周邊影響、脊柱旁軟組織結構都不盡 相同，臨床醫生有個性化器械的需求。廣州邁普再生醫學發現3D列印技術的進步使製造更符合病人生理構造的個性化的脊柱矯形內固定器械成為可能。4D效應就是3D列印材料自動變成為預設的模型，是在3D列印的基礎上增加了時間維度，也就是廣州邁普再生醫學的具有4D效應的脊柱側凸內固定矯正裝置中的4D的含義，隨時間可控變形的性質是通過基於應力平衡的方式實現的。

廣州邁普再生醫學通過3D列印激光燒結列印技術製備鎳鈦基記憶合金材料骨架，在得到的鎳鈦基記憶合金材料骨架上沉積熱塑性材料從而製備熱塑性材料外殼或者單獨製備熱塑性材料外殼再將鎳鈦基記憶合金材料骨架與熱塑性材料外殼組合，其中所述鎳 鈦基記憶合金材料骨架的定位孔與所述熱塑性材料外殼的定位銷進行配合， 從而得到功能單元。

此外，在列印工藝方面，上海悅瑞成功完成了900小時不間斷3D列印、一次性列印成功中空異形拓撲優化結構設計。設備方面，福建物構所，大族激光都分別推出了超快光敏樹脂3D印表機，獲得高精度的同時達到高加工效率。管理系統方面，上海聯泰推出了EPM列印管理系統，可實現多台列印設備的監控、管理、記錄與儲存，對訂單進行批量排產，並可以優化數據模型，提高生產效益。

尊敬的谷友，你認為還有哪些創新填補了市場空白？歡迎在文後進行評論。

順祝谷友元旦快樂！2017年更上一層樓！

本文參考資料：

CAAM:Strategic roadmap for the next generation of additive manufacturing materials

NEXT GENERATION MATERIALS-by office of energy efficiency & renewable energy

Journal of International Commerce and Economics by International Trade Commission

專利：具有4D效應的脊柱側凸內固定矯正裝置及其製備方法

專利：一種利用激光 3D 列印技術直接獲得馬氏體模具鋼的方法

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