增材制造（AM）为各个行业带来了显着进步。 复杂设计的快速生产、缩短的上市时间、增强的定制能力、最大限度地减少材料浪费以及无与伦比的设计灵活性极大地促进了增材制造 (AM) 的广泛使用。 熔融沉积成型 (FDM)、PolyJet 3D 打印、立体光刻 (SLA)、选区激光烧结 (SLS) 和层压制造 (LOM) 、Multi-Jet Fusion多射流熔融等聚合物3D打印技术拥有独特的特性，使其在各个工业领域具有多种用途。 这些方法的实施简化了生产流程，并拓宽了材料设计和工程的可能性。 增材制造（AM）对聚合物合成过程的影响是显着的，该技术给聚合物材料和复合材料的制造工艺带来了重大转变，提高了精度和适应性。 热塑性聚合物、复合材料、和多材料结构的集成极大地影响了材料的成分和结构，带来了多个行业的广泛创新前景。
▲ 塑料3D打印的研究方向与挑战
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聚合物增材制造技术取得了显着的进步，但也面临着许多障碍。 随着增材制造的日益被采纳，提高生产速度、成本效率和质量控制势在必行，特别是在大规模生产应用中。 此外，材料的选择和优化发挥着至关重要的作用，在性能、成本和可持续性之间实现和谐平衡至关重要。
由于聚合物具有适应各种工艺的多功能性以及能够以卓越的精度定制复杂形状的能力，因此在增材制造（AM）工艺中通常受到青睐。尽管用途广泛，但聚合物的机械性能不佳，使其不适合许多需要承载能力的应用。因此，广泛的研究工作致力于减轻与聚合物相关的限制。聚合物基复合材料（PMC）代表了一种值得注意的解决方案，包括在有机聚合物基体中互锁的短或连续形式的纤维组合。这种方法增强了聚合物的机械性能，使其能够应用于更加广泛的工业应用场景。
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颗粒增强聚合物基复合材料
颗粒增强复合材料涉及将一种材料的颗粒分散在另一种材料的基体中。这些颗粒表现出形状、尺寸和形态变化，通常表现为球形、椭圆形、多面体或不规则形状。颗粒复合材料的形成遵循相关顺序，其中将颗粒引入到固化的液体基质中。可以使用时效硬化或压实等方法将颗粒固定到位，并通过基于粉末的工艺进一步进行相互扩散。复合粉末是通过低温球磨、乳液沉淀、湿磨和磨圆、喷雾制成的。
例如，FDM熔融挤出增材制造的铜/ABS、铁/ABS复合材料用于提高储能模量和导热率，同时降低热膨胀系数。
SLS选区激光烧结3D打印的玻纤/Nylon-11材料，用于提高拉伸强度。FDM增材制造的铜/ABS、铁/ABS用于提高延展性，其中随着填料浓度的增加而提高，但在达到某个阈值点后会降低。
SLA立体光刻3D打印技术制造的微粒金刚石光固化材料用于提高传热效率。
DLP光固化带磁性辅助的氧化铝/光敏树脂复合材料用来增强均匀特性。
通过FDM增材制造添加Al和Al2O3颗粒的Nylon-6尼龙材料以最大限度地减少表面摩擦。
SLA立体光刻3D打印技术制造的添加Al2O3的复合塑料以增强电绝缘性能，减少能量耗散。
FDM增材制造的TPE/ABS材料以最大限度地减少3D打印组件的各向异性。
纤维增强聚合物基复合材料
纤维增强复合材料 (FRC) 代表由三个关键成分组成的复合建筑材料：纤维、基体和界面。这些复合材料由两种或多种具有不同性能的材料混合而成，从而在单独考虑纤维和基体时产生无法获得的增强性能。纤维增强复合材料的机械特性取决于纤维的强度和模量、化学稳定性以及纤维与基体之间的粘合界面的质量等因素。多种增材制造工艺已被开发用于生产 FRP 复合材料，包括熔融沉积建模 (FDM)、层压物体制造 (LOM)、SLA立体光刻3D打印等技术。
纳米颗粒增强聚合物基复合材料
在现代世界中，纳米技术对我们日常生活的各个方面产生了深远而惊人的影响，特别是在医学、电子、汽车和体育等领域。研究人员对纳米技术对增材制造的影响特别感兴趣，这导致了将纳米颗粒融入聚合物基质的复合材料的发展。这些纳米颗粒，包括石墨烯、锆、石墨、碳纳米管和金属纳米颗粒，显着增强机械、热和电性能，组合后可产生高功能复合材料 与聚合物和树脂。
例如SLA立体光刻3D打印CNT/环氧树脂以增强拉伸强度并降低负载伸长率，CNT 在环氧树脂基体中起到增强作用，增强承载能力并减少材料变形。
FDM熔融挤出增材制造的蒙脱石/ABS复合材料以增强机械性能（强度和模量）并提高热稳定性，同时降低热膨胀系数，蒙脱石颗粒可提高 ABS 聚合物的刚度和强度，同时减少热膨胀。
SLS选区激光烧结碳-TiO2/尼龙-12 和石墨/尼龙-12以增强拉伸强度和模量，同时降低伸长率。连续碳和 TiO2 纳米粒子的组合增强了尼龙 12 基体，提高了强度，同时减少了材料变形。集成到尼龙 12 基体中的石墨纳米粒子可提高机械性能，提高强度，同时减少变形。
FDM熔融挤出增材制造的石墨烯/ABS复合材料以增强热稳定性和改善导电性，石墨烯添加剂通过增强散热来提高热稳定性，并由于石墨烯的高电子迁移率而增加导电性。
SLS选区激光烧结炭黑/尼龙-12 SLS 以提升弯曲模量，炭黑颗粒可以改变材料的结构，增强其抗弯曲性，同时保持整体柔韧性。
SLS选区激光烧结Al2O3/聚苯乙烯以增强激光吸收能力，从而提高拉伸和冲击强度。Al2O3 纳米粒子改善激光吸收，从而实现更好的界面粘合和增强的强度性能。
SLS选区激光烧结TiO2/环氧丙烯酸酯以增强机械特性，如拉伸强度、模量、弯曲强度、硬度和热稳定性。TiO2 纳米粒子可以增强环氧丙烯酸酯基体，改善各种机械性能和热稳定性。
SLS选区激光烧结氧化石墨烯 (GO)/铁 (Fe)以增强显微硬度和疲劳耐久性 。分散有铁纳米颗粒的氧化石墨烯可增强材料硬度和对抗循环载荷的耐久性。
直写3D打印技术制造的CNT/PLA复合材料可以增强导电性，通过促进材料内的电子传输来增强导电性。
SLS选区激光烧结BaTiO3/PEGDA可以提高材料在机械应力下产生电荷的能力。
SLS选区激光烧结CNT/丙烯酸酯材料可使得电能存储容量增加。
考虑到未来的前景，聚合物增材制造的潜力显然是非常有前途的。材料科学领域预计将取得进一步进展，从而导致聚合物选择的多样性增加。因此，这种扩展将使跨多个行业探索新颖的应用成为可能。在生产过程中实施自动化和优化技术预计将提高运营效率并降低成本，从而提高增材制造的采纳。
人工智能和机器学习的结合将显着增强设计和优化制造流程。此外，增材制造和传统制造方法之间的协作趋势日益明显，从而产生了利用两种方法协同制造的混合生产技术。一般来说，聚合物增材制造将持续扩展到应用领域并不断获得技术进步，从而在多个行业中产生重大的革命性影响。根据3D科学谷的判断，在未来五年内，增材制造领域将只有两种企业，一种企业采纳了人工智能和机器学习用于增材制造工艺的优化和质量控制，一种企业未采用人工智能技术，而第二种企业将被市场淘汰出局。
未来，通过解决与生产速度、材料品种和成本、质量控制、减少浪费、标准化、工作流程效率和尺寸限制相关的问题，将加速增材制造（AM）在许多领域的开发和使用。通过允许消费者早期参与产品创建、生成复杂的形状以及节省时间和金钱。
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