未來最具發展潛力的增材製造（3D列印）材料

前面，

增隆新材料科技

透過兩篇文章

《增材製造（3D列印）的常用材料及成形工藝》

及

《增材製造（3D列印）常用材料的研發趨勢》

為大家詳細介紹了目前常用的

增材製造

（

3D列印

）材料的發展現狀和研發趨勢，此篇，我們再來詳細講講目前全球範圍最前沿，最具發展潛力的材料。

一、微納

增材製造

（

3D列印

）材料

微納增材製造是按照

增材製造

（

3D列印

）的原理製造毫米、微米、奈米級零件的技術，微納增材製造的成形工藝主要有微立體光刻技術，聚合微納

3D列印

，氣溶膠噴射

3D列印

，墨水直寫（DIW），電流體動力噴射列印，微選區鐳射燒結（μSLS），電化學制造（EFAB），電場驅動噴射沉積微納

3D 列印

等。

用於微納

增材製造

（

3D列印

）的材料主要有高精度分子材料，用於微鐳射燒結的金屬奈米材料，奈米導電材料（奈米銀漿、石墨烯墨水），奈米陶瓷粉，氣溶膠材料，可降解生物材料，智慧材料等。

1、高精度分子材料

由德國NanoScribe公司開發的一種高精度負性樹脂材料，具有良好的電效能、力學效能和熱穩定性，具有一定的耐水性和較低的熱膨脹係數，可實現小到160nm尺寸的物體列印。清華大學李曉雁教授採用力材料學理念設計的曲面細胞可以透過立體光刻技術製備基於極小曲面的聚合物微米點陣材料，並透過高溫熱解獲得熱解碳奈米點陣材料，該材料的特徵尺寸在幾百微米至幾百奈米範圍內變化。

2、金屬奈米材料

金屬奈米材料包括奈米粒子墨水，離子溶液，熔融金屬液滴，這些材料可以製造解析度<10μm的金屬結構，目前德國 3D MicroPrint 公司可以生產兩種尺寸小於5

μm

的不鏽鋼粉末材料，可用於鐳射成形工藝，美國Microfabrica公司可以生產四種分層厚度在5

μm

，表面粗造度在0。8

μm

的金屬材料，可用於微尺度金屬零件的批次化生產。

金屬增材製造

（

3D列印

）成形件的最小特徵尺寸會受到材料尺寸的影響，材料可以以粉末，線材，片材或噴墨的形式供給，適用於噴墨的成形工藝可以列印40–60μm尺寸的金屬油墨液滴，最終成形件的最小的特徵可以限制在固化液滴的大小。適用於粉末的成形工藝，如微選擇性鐳射熔化（SLM）和鐳射工程淨成形工藝，可以列印0。3–10μm的金屬粉末顆粒，可將最終成形件的最小特徵尺寸限制在約20μm的尺寸。

3、導電材料

用於導電的微納材料有奈米銀墨水和石墨烯材料，目前，由美國 Nano Dimension 公司研製的奈米銀導電墨水材料，尺寸可以達到10到100nm，銀含量在20%到70%之間，波蘭 XTPL 公司開發了一種“超精密沉積”微增材製造工藝，使得列印成形件的尺寸小到1 到 50μm，該技術被運用在之智慧玻璃顯示器的電路缺陷修補中。

石墨烯材料是公認的世界上最薄，最強的和最靈活的材料，具有超強的導熱性和導電性且比銀墨水的價格便宜，英國的

Haydale石墨烯公司目前在研究用於3D列印的石墨烯氣凝膠輕質材料及石墨烯增強PLA纖維材料。

4、生物微納材料

生物微納

增材製造

（

3D列印

）材料主要是一些合成的具有生物相容性及可降解性的高分子材料及天然的生物材料，具體如聚乳酸，聚己內酯，左旋聚乳酸，水凝膠，奈米陶瓷（醫用級別），這些材料都可以實現微尺度的列印精度。近期，發表在Bioactive Materials期刊上的名為《

Magnesium surface-activated 3D printed porous PEEK scaffolds for

i

n vivoosseointegration by promoting angiogenesis and osteogenesis》

研究所述的利用鎂離子螯合的聚多巴胺（PDA）塗層，是一種可以改善PEEK列印骨骼支架親水性，促進細胞增殖和黏附，幫助骨細胞分化的生物微納材料。發表在Nature Communications期刊上的《In situ 3D bioprinting with bioconcrete bioink》所述的一種生物混凝土墨水，將細胞透過電噴射附著在微凝膠基體上，可以透過原位3D列印的方式修復組織缺陷。

5、

4D列印

微納智慧材料

微尺度

4D列印

也是當下增材製造領域的研究熱點之一，所謂“

4D列印

”，就是能變形的材料自動變形成為所設計的形狀，因此，該領域的材料主要是各種智慧材料，包括變形材料，形狀記憶聚合物，形狀記憶合金，刺激響應材料，水凝膠，壓電材料等。

以上是微納增材製造領域的各種材料，除此之外還有一些適用於常規尺寸

增材製造

（

3D列印

）的新型材料。

二、環保材料

在高分子材料領域，一些研究者致力於開發生物基材料或者在其他材料中新增改性材料來製造可回收或可重複利用的材料，例如，UBQ Materials與 Plastics App合作將公司生產的技術廢料製成的可用於

增材製造

（

3D列印

）的絲材。Fillamentum公司研發的100% 可生物降解的 NonOilen材料。

三、硬質合金

硬質合金是透過粘合劑噴射

3D列印

技術，將碳及碳化物顆粒用金屬粘合劑粘結到複合材料中來形成的一致極其堅硬的材料，硬質合金可以承受磨或鑽的巨大力量，可以透過

3D列印

技術生產易磨損部件和工具，還可以生產異形件或內部冷卻隧道。

四、混凝土材料

混凝土材料

3D列印

是透過擠出工藝來實現，擠出材料直接累積在下層材料上，在沒有模具進行支撐的情況下要保持形狀，需要考慮材料的流變性，研究表明纖維素醚、凹凸棒土、粉煤灰、矽灰和減水劑等材料的加入可有效改善混凝土材料的流變性，目前根據這些加入的材料不同，形成了矽酸鹽水泥體系、硫鋁酸鹽水泥體系、磷酸鹽水泥體系、地質聚合物體系以及鋁氧鎂水泥

體系。