3D打印材料是3D打印技术重要的物质基础，种类范围主要包括聚合物材料、金属材料、陶瓷材料等。在日常中大家比较耳熟的大概也就是ABS，PLA之类的材料，其他的材料可能接触的少。

那么，3D打印技术是怎么发展起来的？3D打印技术和3D打印材料有怎样的关系？2021中国3D打印市场呈现怎样的趋势？

3D打印技术和材料

3D 打印技术，也被称为增材制造(Additive Manufacturing，AM)技术，是一项起源于20 世纪80 年代集机械、计算机、数控和材料于一体的先进制造技术。该技术的基本原理是根据三维实体零件经切片处理获得的二维截面信息，以点、线或面作为基本单元进行逐层堆积制造，最终获得实体零件或原型。增材制造区别于传统的减材(如切削加工)和等材(如锻造)制造方法，可以实现传统方法无法或很难达到的复杂结构零件的制造，并大幅减少加工工序，缩短加工周期，因此得到了世界各地科研工作者的广泛关注。

3D 打印技术最早应用于各类原型的快速制造，故在早期也被称为快速原型技术(Rapid Prototyping，RP)。早期的3D打印技术由于材料种类的限制，大多使用有机高分子材料，其机械、化学性能大多难以满足实际应用的需求。随着材料技术与装备技术的发展，将该技术应用于终端零件制造的愿望越来越迫切，因此不仅对3D打印装备提出了更高的要求，对3D打印材料各项性能的要求也日益提高。

3D 打印材料是3D 打印技术重要的物质基础，它的性能在很大程度上决定了成形零件的综合性能。发展至今，其材料种类已经十分丰富，主要种类包括聚合物材料、金属材料、陶瓷材料等。本文将结合几种3D打印材料研究及应用的最新进展，分别对3D打印用聚合物材料、金属材料和陶瓷材料进行介绍。

3D打印材料的分类

第一类：陶瓷材料，主要包含粘土、高岭土等天然硅酸盐材料和高纯度人工合成材料如氧化物陶瓷材料、氮化物陶瓷材料、碳化物陶瓷材料等。因为陶瓷材料大多数熔点很高乃至无熔点，很难利用外部能量进行直接成形，大多数需要在成形后进行再处理（烘干、烧结等）才可以得到最终的产品，这便限定了陶瓷材料在3D打印行业的推广。但是陶瓷材料具有硬度高、耐高温、物理化学性质稳定等聚合物和金属材料不具有的优势，因而在航天航空、电子、汽车、能源、生物医疗等行业有广泛性的应用前景。

第二类：生物材料，主要包含生物医用金属材料、生物医用高分子材料、生物医用陶瓷材料和生物衍生材料。之中生物衍生材料是由通过特殊处理的天然生物组织形成的生物医用材料，也称之为生物再生材料。生物材料在3D打印中的运用能够 分成两个领域，第一类是按照生物材料可降解、熔点低、具有生物特性、环保等特点而将之运用于食品加工、食品包装等领域；第二类按照生物材料的可再生性、组织相容性和诱导性、力学顺应性及降解顺应性而被广泛应用于医学领域，生物材料在医学领域的运用能够 分成假体的制造，细胞三维间接组装制造和细胞三维的直接制造三个层次。

第三类：橡胶材料，橡胶类材料具有各类弹性材料特点，如肖氏A级硬度、断裂伸长率、抗撕裂强度和拉伸强度，使其特别适合运用在需要防滑或柔软表面的领域，如消费类电子产品、医疗器械和汽车内饰件等。

第四类：光敏树脂材料，主要包含丙烯酸树脂、环氧树脂及聚酯树脂等的光固化树脂材料。这类材料可以在紫外光的照射下产生聚合反应而凝固，通常呈现出液体状态。可以用来制造航天航空用叶片、齿轮等结构零件。

第五类：工程塑料材料，主要包含ABS材料、聚碳酸酯材料和聚酰胺材料。ABS材料兼备“坚韧、质硬、刚性”等特点，因而在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等制造工业及化工中得到了广泛性的应用。聚碳酸酯材料具有较好的抗冲击、抗热畸变特性，阻燃性好、硬度高，因而适用于制造轿车和轻型卡车的各类零部件，主要聚集在照明系统、仪表板、加热板、除霜器及保险杠等领域。聚酰胺材料别称尼龙材料，具有强韧、耐磨、自润滑、适合的温度范围广等特点，主要替代铜和别的有色金属来制造机械、化工、电器零件，如柴油发动机燃油泵齿轮、水泵、高压密封圈、输油管等。

第六类：金属材料，主要包含钛合金材料、不锈钢材料、铝合金材料、别的贵金属材料等。钛合金材料强度高、耐热性高。对比别的金属，钛合金还具有抗蚀性好、低温特性好、化学活性大等优势，因而被广泛运用于制作飞机发动机压气机部件，火箭、导弹和高速飞机的结构件等领域。不锈钢材料具有易焊接性、耐腐蚀性、强抛光性及耐热性等优势，被广泛运用于工程建筑领域、食品加工、餐饮、酿造、化工和医疗器械领域。铝合金材料具有密度小、熔点低、可塑性强等特点。铝合金是现阶段应用数最多的合金，被广泛运用于航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中。别的贵金属材料如黄金材料，具有导电性好、导热性好、稳定性高等特点，主要应用于电子、化学工业、航空航天等对材料有特殊性标准的领域。

第七类：砂石材料，主要为石英砂。在3D打印中，按照它的传统功能和特性，砂石材料主要运用在建筑之中，制造一些建筑材料或结构。低成本、高效率及其环保是砂石材料在3D打印建筑领域的优势。

第八类：石墨烯材料，是一种以sp杂化衔接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料。石墨烯材料具有优异的光学、电学、力学特性，可用作取代各类传统材料，被觉得是一种将来革命性的材料。伴随着石墨烯制备水平的发展和石墨烯运用技术水平的发展，石墨烯材料可以运用在大量的下游产品和领域中。按照中国科学院预估，到2024年左右，石墨烯器件有希望取代互补金属氧化物半导体器件，在纳米电子器件，光电化学电池、超轻型飞机材料等研究领域获得运用。

第九类：纤维素材料，是一种由葡萄糖构成的大分子多糖，不溶于水及一般有机溶剂。纤维素是植物细胞壁的主要成分，是大自然中遍布最广、含量最多的一种多糖，占植物界碳含量的50%之上。研究人员一直专注于开发使用纤维素进行3D打印的方式 ，现阶段已有了一些提升。纤维素材料还存有一些欠缺，例如其成本高、扩展性差及其和塑料结合会产生污染物等。

2021中国3D打印市场的发展现状

2021年，中国的3D打印市场呈现出三大典型发展现状：数字化制造、新商业模式涌现、金属3D打印开始扮演重要角色。

1、数字化制造趋势

产业化方面，尤其是在口腔领域发展趋势明星。数字化已逐渐成为中国口腔医疗行业发展的一个核心关键词，而3D打印技术作为一种典型的数字化制造技术，注定会与口腔诊疗，义齿修复、正畸产品加工的数字化升级过程相融合。

基于对口腔医疗、齿科加工领域3D打印技术应用发展的市场研究，中国的齿科应用端市场从早期关注3D打印设备、材料怎样应用这一单一维度的需求，逐渐发展为3D打印技术怎样与口腔诊疗、齿科产品加工数字化链条进行整合，提升诊疗效率和质量的多维度需求。

然而齿科与3D打印的数字化制造结合并不是一夜之间发生的，这需要长时间的积累。例如先临三维进入齿科领域已有十余年，为全球口腔业界提供“3D扫描-CAD设计-3D打印”完整数字化解决方案。技术上的优势使得先临齿科在国际市场站稳脚跟， 彰显中国齿科行业的”智造”水平。

航空航天产业正在借助3D打印技术实现产业化升级，这其中一个明显的发展趋势是原来将3D打印制造的业务外包的航空企业逐渐转向采购3D打印设备，由内部来实现设计与制造的一体化。这对目前从事3D打印业务的企业提出了新的挑战，未来是以设备销售为主营业务？还是打印服务？还是材料销售？

塑料3D打印方面，光固化塑料3D打印、熔融挤出3D打印在国内获得了快速的发展。塑料的3D打印与金属3D打印在国内，都进入到一个更加细分化的专业设备制造领域。在打造专机和专用材料的赛道上，或许不仅能够为用户创造更恰如所需的制造业价值，还能够避免导致多输局面的价格厮杀，使得3D打印企业能够获得喘息的机会，从而有精力加强自身研发，扩宽竞争护城河，而只有这样，才能够对我们国家增材制造业的长远发展建立坚实的基础。

2、新商业模式

对于初创企业而言，航空航天业一直是一个难以进入的市场，挑战并非仅仅来自知识产权，除了需要与现有的航空航天业供应商巨头竞争，初创企业还面对多方面的挑战与压力。

初创企业面临的一大挑战来自于如何制造出航空航天业需要的复杂的部件，这些部件是按照严格的标准制造的，并且是以小批量制造的。但是，与任何行业一样，新技术的引入有可能打破原来的生态平衡。目前，航空航天工业中的增材制造技术就在打破原有的平衡。

新商业模式方面，3D打印降低了原来高门槛的航空航天制造行业，在商业航天这个领域，中国出现了众多的火箭制造企业和卫星制造企业。

火箭制造方面，2021年12月，星河动力航天公司于酒泉卫星发射中心成功发射其运载火箭，顺利将五颗商业卫星精确送入500km太阳同步轨道，在中国民营商业运载火箭型号中率先迈入了商业化发射交付的新阶段。

卫星制造方面，在新基建的推动下， 中国出现了以遥感卫星和窄带通信卫星为主的千乘探索，主要研发宽带通讯卫星的银河航天等等卫星制造企业。2015年起，以九天微星、微纳星空、银河航天、天仪研究院、星众空间等为代表的商业卫星企业纷纷创立，并已经制造、运营了多颗卫星。

此外，在航空领域，还出现了超音速飞机制造的民营企业，在这方面凌空天行是中国从事商业高超音速飞行产品研发和应用的高科技企业，掌握了气动、控制、防热等多项核心技术。

民营经济为产业注入新的活力，未来，这些新的商业模式的发展如何？让我们拭目以待！

3、金属3D打印扮演重要角色

金属3D打印变得越来越重要，一个典型的案例是五院总体设计部作为火星探测器的抓总单位和结构机构分系统研制单位，采用金属3D打印完成了祝融号火星车相变储能装置结构及承载结构合计30余套关键部件的设计与应用。大幅减少结构件数量，实现了产品减重40%~60%，研制周期缩短50%。

另一方面，中国企业铂力特二期建设项目由一个研发中心、三个金属增材制造厂房组成，已全部于2021年11月投入使用。是目前中国规模最大的集增材制造、高品质球形粉末生产、智能增材研发于一体的现代化金属增材制造智能工厂。

近十年来，金属3D打印持续大幅增长。据统计，核心技术3D打印领域在2020年产生了16亿美元的收入，到2030年将增长到317.8亿美元。目前，全球190多家OEM厂商提供了18种不同工作原理的金属增材制造技术，金属增材制造设备市场前景广阔，正在经历着一个充满活力的增长期。

来源：创想三维CREALITY，3D科学谷，江苏激光联盟