3D打印材料丛书–中国3D打印材料及应用发展战略研究咨询报告

   “中国3D打印材料及应用发展战略研究”是中国工程院化工、冶金与材料工程学部于2017年开展的咨询研究项目。项目组由中国工程院周廉院士担任组长，特邀了中国工程院卢秉恒、干勇、左铁镛、刘大响、 张金麟、关桥、戴尅戎等七位院士担任顾问，共组织了26位院士和100多位专家共同参与了本研究工作。本书就是该研究工作的系统总结，集结了“中国3D打印材料及应用发展战略研究”项目取得的一系列研究成果，是来自项目组各位院士、专家集体智慧的结晶。

    本书全面系统地介绍了3D打印金属材料、3D打印聚合物材料、3D打印无机非金属材料以及3D打印在医疗健康领域及重大工程领域的应用，并展望3D打印材料和技术的发展趋势。梳理了目前我国3D打印材料与应用存在的问题和差距，提出了我国3D打印材料发展的思路、方向和解决建议。本咨询报告能为我国政府部门的科学决策和从事3D打印材料及应用的专家学者的科研工作提供借鉴参考。

 

 

本书是中国工程院咨询项目“中国3D打印材料及应用发展战略研究”的研究成果汇编，综述3D打印技术的基本概念、国内外发展状况；根据3D打印材料领域积累的科技成果，全面系统介绍3D打印金属材料、3D打印聚合物材料、3D打印无机非金属材料以及3D打印在医疗健康领域及重大工程领域的应用，并展望3D打印材料和技术的发展趋势。梳理了目前我国3D打印材料与应用存在的突出问题，分析其与国际先进水平间存在的差距，明确我国3D打印材料及应用的发展思路和战略目标，提出推动我国3D打印材料技术创新与产业化发展的对策和建议。本咨询报告可供航空航天、船舶与海洋工程、生物医用、军事、汽车、建筑等领域，从事3D打印材料研发、设计、生产、应用的科研、工程技术人员及相关部门管理人员参考阅读，也可作为大专院校相关专业本科生及研究生的辅助教材。

第1章绪论1

1.13D打印的概念2

1.23D打印技术国内外发展现状3

1.2.1国内外扶持政策3

1.2.2国内外3D打印发展现状4

1.3我国3D打印材料及应用存在的突出问题5

1.4我国3D打印材料及应用的发展思路、战略目标和对策建议6

1.4.1发展思路6

1.4.2战略目标7

1.4.3对策建议7

第2章3D打印金属材料11

2.1金属3D打印技术概述12

2.2金属3D打印工艺的分类和发展历史12

2.2.1定向能量沉积技术13

2.2.2粉末床熔融技术14

2.2.3黏结剂喷射技术15

2.2.4薄材叠层技术16

2.2.5其它技术17

2.3金属3D打印用原料粉末国内外发展现状及问题17

2.3.1概述17

2.3.2金属3D打印用粉末及制备技术发展现状18

2.3.3金属3D打印用粉末未来发展需解决的关键问题23

2.43D打印金属材料冶金技术发展现状及问题27

2.4.13D打印金属材料国内外发展概况28

2.4.23D打印金属典型材料的性能31

2.4.33D打印金属新材料的研究概况35

2.4.43D打印金属材料未来发展需解决的关键问题37

2.5我国3D打印金属材料与国外的差距及发展建议38

参考文献39

第3章3D打印聚合物材料43

3.1聚合物3D打印技术44

3.1.1聚合物3D打印技术的发展历史44

3.1.2聚合物3D打印工艺46

3.23D打印聚合物材料的研发与应用现状48

3.2.1熔融沉积成形聚合物丝材48

3.2.2激光选区烧结（SLS）聚合物粉材73

3.2.3光固化（SLA&DLP）光敏树脂83

3.2.4其它3D打印聚合物材料101

3.3我国3D打印聚合物材料面临的问题119

3.3.1熔融沉积成形（FDM）聚合物丝材119

3.3.2激光选区烧结（SLS）聚合物粉材120

3.3.3光固化（SLA&DLP）光敏树脂122

3.3.4其它3D打印聚合物材料123

3.43D打印聚合物材料的发展趋势126

3.4.1聚合物丝材发展趋势126

3.4.2聚合物粉材发展趋势127

3.4.3光敏树脂发展趋势127

3.4.4其它3D打印聚合物材料发展趋势129

3.5针对3D打印聚合物材料发展的建议130

3.5.1针对3D打印聚合物材料发展的技术性建议130

3.5.2针对3D打印聚合物材料发展的政策性建议131

参考文献132

第4章3D打印无机非金属材料143

4.13D打印无机非金属材料概述144

4.1.13D打印无机非金属材料分类144

4.1.2无机非金属材料3D打印工艺144

4.1.33D打印无机非金属材料应用147

4.23D打印无机非金属材料国内外研发及应用现状147

4.2.13D打印陶瓷材料147

4.2.23D打印胶凝材料180

4.2.33D打印玻璃材料191

4.33D打印无机非金属材料国内外差距分析与发展趋势204

4.3.13D打印无机非金属材料国内外差距分析204

4.3.23D打印无机非金属材料发展趋势209

4.4针对3D打印无机非金属材料发展的建议209

4.4.1技术层面建议210

4.4.2行业与政策层面建议211

参考文献212

第5章医疗健康领域3D打印221

5.1概述222

5.1.1医疗健康领域3D打印概述及其重要意义222

5.1.2医疗健康领域3D打印的发展沿革226

5.1.3医疗健康领域3D打印的市场预测228

5.1.4医疗健康领域3D打印的政策支持231

5.2医疗健康领域3D打印国内外研究、应用现状与发展趋势233

5.2.1医疗健康领域3D打印技术、工艺与设备233

5.2.2医疗健康领域3D打印材料244

5.2.33D打印在医疗健康领域的应用263

5.3医疗健康领域3D打印我国与国际先进水平的主要差距300

5.3.1医疗健康领域3D打印技术、工艺与设备300

5.3.2医疗健康领域3D打印材料302

5.3.33D打印在医疗健康领域的应用305

5.4医疗健康领域3D打印对策与建议308

5.4.1存在的问题308

5.4.2对策与建议309

参考文献311

第6章重大工程领域3D打印325

6.1重大工程领域发展3D打印技术的重要作用和意义326

6.1.1航空领域发展3D打印技术的重要作用和意义326

6.1.2航天领域发展3D打印技术的重要作用和意义327

6.1.3船舶与海洋工程装备领域发展3D打印技术的重要作用和意义328

6.1.4兵器工程装备领域发展3D打印技术的重要作用和意义329

6.1.5核工程装备领域发展3D打印技术的重要作用和意义330

6.2重大工程领域3D打印国内外发展动态330

6.2.1重大工程领域3D打印国外发展动态330

6.2.2重大工程领域3D打印国内发展现状339

6.2.3重大工程领域3D打印存在的问题和差距344

6.3重大工程领域的技术发展对3D打印的需求348

6.3.1总体需求348

6.3.2各领域的技术发展对3D打印的需求349

6.4重大工程领域3D打印技术发展的思路与目标354

6.4.1发展思路354

6.4.2总体目标及发展路线图357

6.4.3各领域阶段目标及发展路线图358

6.5重大工程领域3D打印对策与建议367

参考文献368

 

2017年3月25日，中国工程院启动了“中国3D打印材料及应用发展战略研究”咨询项目。项目组由中国工程院周廉院士担任组长，特邀了中国工程院卢秉恒、干勇、左铁镛、刘大响、张金麟、关桥、戴尅戎等七位院士担任顾问，共组织了26位院士和100多位专家共同参与了本项目。

项目组联合南京工业大学、北京工业大学、西安交通大学、华中科技大学、上海交通大学、北京航空航天大学、西北工业大学、华东理工大学、南京师范大学、西北有色金属研究院、广东省科学院、沈阳发动机研究所、北京航空制造工程研究所、中国舰船研究设计中心、中国核动力研究设计院、中国兵器装备研究院、中国民用飞机技术研究中心、中国科学院上海硅酸盐研究所、北京大学第三医院、北京大学口腔医院、上海交通大学第九人民医院、南京煜宸、华曙高科、西安赛隆等高校、科研院所、企业的专家学者，紧紧围绕金属、聚合物、无机非金属等3D打印材料，重点依托医疗健康、重大工程等领域，设立了一个项目总体组和金属组、聚合物组、无机组、医疗健康组、重大工程组、通用组和设备组共7个专业课题组。调研了3D打印关键材料研发生产现状、存在的问题及未来发展趋势，提出了3D打印材料技术发展建议，为国家有关部门出台3D打印材料相关政策和行业标准提供咨询意见，推动我国3D打印材料技术创新与产业化发展。

本咨询项目严格按照中国工程院咨询研究项目管理办法实施，通过文献专利分析、问卷调查、实地考察、研讨交流、技术发展路线图、战略研究支持系统等研究方法，以设置专业课题组和专门情报收集人员等研究手段高效、协同开展咨询研究。项目组历时近两年，深入调研了国内外数十家3D打印材料研究、应用的科研和制造单位，组织召开了14次中小型研讨会，形成学术交流报告100余个，形成了《中国3D打印材料及应用发展战略研究咨询报告》。

本咨询报告共分为六章，内容包括：绪论、3D打印金属材料、3D打印聚合物材料、3D打印无机非金属材料、医疗健康领域3D打印和重大工程领域3D打印。它集结了本咨询项目取得的一系列研究成果，是项目组各位院士、专家们集体智慧的结晶。咨询报告系统地阐述了国内外3D打印材料与应用的研究和产业发展现状，客观地梳理了目前我国存在的问题和差距，实事求是地提出了我国3D打印材料发展的思路、方向和建议。

希望本书的出版能够引起我国相关部门和科研单位对3D打印材料研究和应用的充分重视，为发展我国3D打印技术和产业奠定坚实的物质基础，同时也希望能为我国相关政府部门的科学决策和从事3D打印材料研究及应用的专家学者的科研工作提供借鉴参考。

本咨询报告的完成感谢项目组全体成员的不懈努力，感谢各位院士不辞辛苦地在项目中发挥的核心作用，感谢3D打印材料界的专家、学者和政府领导在项目进行中给予的鼎力支持，感谢项目组办公室工作人员的辛勤付出！让我们一起携手，为造就中国材料事业辉煌的未来共同努力奋斗！

由于3D打印是一门新兴的制造技术，发展速度很快，本书难免有所局限，也敬请广大读者予以批评指正。

编者

2020年2月