但常见医用不锈钢，例如316L不锈钢仍存在生物相容性及相关问题，包括不锈钢植入人体后由于腐蚀或磨损造成腐蚀产物所引起的组织反应（如出现水肿、感染、组织坏死等），从而导致疼痛和过敏反应等。特别是不锈钢中镍离子析出诱发的病变。因此植入物设计领域仍需要低镍和无镍的医用不锈钢材料。

在原始材料发展的同时，外科植入物以及手术器械的制造技术也在不断发展，其中基于粉末床激光熔化（LPBF）工艺的金属3D打印技术已在该领域展示出了明确的产业化方向。对于增材制造技术而言，也同样需要在化学成分和增材制造加工性能方面更为优化的新型材料。

根据3D科学谷的市场观察，Carpenter Technology 开发了一种增材制造医用不锈钢材料, 该材料几乎不含镍并且在激光粉末床熔合（L-PBF）3D打印系统中显示出良好的加工性能。

来源：Medical Design Briefs

为植入器械的质量提升而优化

化学成分的优化

Carpenter 对新型医用不锈钢材料与传统不锈钢材料进行了比较。根据Carpenter 的数据，BioDur 108不锈钢的镍含量最高为0.05 wt％。除了针对患者优化的化学成分外，BioDur 108还具有比BioDur 316LS 材料更好的机械性能。

▲表1. BioDur 108，BioDur 316LS的典型化学成分，BioDur 108基本上不含镍，是对患者友好的传统使用材料的替代品。来源：Medical Design Briefs

如表2所示，BioDur 108作为一种基本不含镍的合金，耐腐蚀性和机械强度都更高。

▲表2 两种材料棒材的典型机械性能。来源：Medical Design Briefs

仅需中等程度的冷加工即可使BioDur 108材料达到250 ksi 屈服强度（YS）和300 ksi 极限抗拉强度（UTS）。ASTM F2229.2 中对于低镍不锈钢材料在外科植入物制造中所需的典型机械性能目标做了规定。[2]

在对由退火棒材制成的试样进行旋转束疲劳试验的研究中，该棒材的晶粒尺寸为ASTM＃5，极限抗拉强度为930 MPa（135 ksi），[3]观察到的疲劳极限约为380 MPa（55 ksi）。BioDur 108重度冷加工的的疲劳数据尚未完成，但是对于针对特定可用和正在进行的定制应用的定制疲劳测试，预期结果将是有利的。在耐腐蚀研究中，计算出的4个BioDur 108的耐点蚀当量值（PREN）为31，BioDur 316LS为28，BioDur 108具有更好的耐腐蚀性。

生物相容性和非磁性性能是当前使用BioDur 316LS等材料作为医用材料的前提条件。BioDur 108 材料的细胞毒性、刺激性、急性全身毒性、热原性、诱变性、组织病理学植入和血液相容性外部测试已开展。这些生物相容性测试均为BioDur 108 材料带来了良好的结果。BioDur 108在所有条件下都是非磁性的，并且基本上没有铁素体相，可与磁性环境（例如MRI扫描仪）兼容。定期进行铁氧体认证测试，结果包括在材料测试报告中。

适合增材制造的新型合金

增材制造实现植入物复杂设计上具有优势，但增材制造技术的应用不能以牺牲材料性能为代价。

Carpenter面向增材制造技术，优化了BioDur 108 材料的化学成分，并开发了定制的打印工艺参数。高压氮雾化的BioDur 108粉末在高密度（> 99.8％）的LPBF 3D打印系统中显示出良好的加工性能，并且未观察到裂纹。Carpenter针对这一材料探索了几种后处理条件，包括去除应力、退火、热等静压（HIP）、HIP加退火条件。在大多数热处理条件下，该材料是接近100％的奥氏体，避免其他医疗设备的电磁干扰。

▲表3. BioDur 108和常用316L不锈钢中增材制造零件典型机械性能。来源：Medical Design Briefs

拉伸机械性能符合ASTM F2229条件A（退火）的变形最小值，3D打印后和应力消除后性能符合条件B冷加工拉伸性能（极限拉伸强度150 ksi）。如表3所示，在比较增材制造材料的性能时，BioDur 108的强度比316L高出50％以上，同时还表现出优异的耐腐蚀性，镍去除性以及预期的疲劳强度提高。在完工或消除应力的状态下，BioDur 108还具有与50％的316L冷加工性能相当的极限强度和屈服强度。

▲BioDur 108 增材制造粉末。来源：Carpenter

为提升器械质量而提出的需求

在医用不锈钢材料领域，一方面的发展需求是优化材料的化学性能，减少因镍离子析出等因素引发的病变；另一方面的发展需求是开发能够与新兴制造工艺相结合的新材料，为植入物医疗器械的设计优化带来新思路，如开发面向增材制造工艺的新型合金材料，与优化的工艺参数相结合，减少3D打印外科植入物的缺陷，带来更高质量的医疗器械产品。

3D科学谷将在近期发布《不锈钢3D打印白皮书》，敬请关注。

参考资料：

[1] GB/T 4234-94 《中华人民共和国国家标准-外科植入物用不锈钢》。

[2] ASTM F2229 , “Standard Specification for Wrought, Nitrogen Strengthened 23 Manganese-21Chromium-1Molybdenum Low-Nickel Stainless Steel Alloy Bar and Wire for Surgical Implants (UNS S29108)”.

[3] ASM Tech Spotlight.

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特别是，这个新的商业平台将通过最大限度地提高各种产品的协同效应，并继续与客户、合作伙伴和设备制造商开展密切合作，加速阿科玛致力于AM的材料和服务的开发。

阿科玛董事长兼首席执行官ThierryLeHénaff表示，“今天的行业需要灵活性、设计自由和产品定制。” “通过这个商业平台，阿科玛将促进许多产品和服务的开放式沟通和创新，并且随着新应用的开发，将能够支持3D打印市场参与者。”

阿科玛表示，它正在为AM不断增长的市场投入巨资。2018年美国聚醚酮酮（PEKK）树脂，2019年中国光固化树脂，2021年亚洲尼龙-11生物来源树脂的新生产能力已经公布。此外，还有一个致力于UV-固化树脂的卓越中心于2018年7月在Exton（宾夕法尼亚州）落成，与King of Prussia（宾夕法尼亚州）现有的长丝挤出技术研究中心以及Serquigny（法国）的粉末烧结技术相辅相成。

3D打印全球业务总监Guillaume de Crevoisier表示，“3D打印解决方案将提升阿科玛在这个市场的定位，并将帮助我们与合作伙伴一起将3D打印技术发展为工业制造技术。”。

文章来源：Process 化工网

根据UW-Madison工程研究人员的说法，重复十字交叉结构的格子设计可以增加材料的强度和耐久性。这是一项技术的进步，对于那些需要高韧性材料的领域，其打开了设计新型材料的大门。举个例子，这项技术可能用于制造出抗断裂能力更强的飞机机翼。

经典的弹性理论适用于预测大多数普通材料（例如钢，铝和混凝土）的行为，并确保其结构能承受住机械力的同时又不会发生太大变形或者遭到太多破坏。但对于其他类型的材料，这种经典弹性理论解释是有限的。RodericLakes和研究生ZachariahRueger使用3D打印技术制作新的聚合物晶格材料。他们的设计：材料聚合物条排列的模式，是重复的十字交叉结构。当它扭曲或弯曲时，这种聚合物晶格条的硬度比经典弹性理论所预期的硬度要高30倍。

威斯康星大学的研究人员于2018年2月8日将关于这一新晶格材料的科研成果发表在了“PhysicalReviewLetters”杂志中。在实验室进行测量时，RodericLakes确定材料的行为与Cosserat弹性理论一致，Cosserat弹性理论是一个更具描述性的弹性理论，它考虑到了材料中底层结构的大小。

“如果你有一种具有底层结构的材料，比如一些泡沫，格子和纤维增强材料，通常它们比经典弹性理论能够处理的自由度更大。”RodericLakes说。“所以我们正在研究材料的自由行为，而不是仅仅关注依靠于标准理论所推导出的行为方式。”这种增加的自由度为科研人员开发出对应力集中不敏感的新材料提供了潜在途径;换句话说，这种韧性改善的材料可用于各种应用，其中就包括使飞机机翼更能抵抗裂纹。

如果飞机机翼出现裂缝，则应力集中在裂缝周围，使机翼变得十分脆弱。我们需要一定的压力来打破某些东西。不过对于我们研发的这种新型材料，如果它有裂缝，我们可以用较小的压力来打破它。”RodericLakes说。

根据RodericLakes的数据显示，使用Cosserat弹性理论来指导材料的设计，将有助于生产出更加强硬的材料，且应力能够均匀分布在整个材料中。这些类似的效果存在于骨头和某些类型的泡沫等材料中。然而，当工程师为座垫制造泡沫时，他们对泡沫的底层结构（泡沫内部形成和组成泡孔的微小气泡）没有太多的控制。因此，他们的这一工作达不到Cosserat弹性理论的效果。

与泡沫形成鲜明对比的是，威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员可以在其晶格材料中调整Cosserat效应并使这种效应得到充分彰显。“我们开发了一种材料，我们对格子的精细结构进行了非常详细的控制，这使我们能够在弯曲和扭转材料时获得非常强大的效果。”RodericLakes说。

来源：材料科技在线

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国内在超材料方面也涌现出积极的研究，根据3D科学谷的市场研究，活跃的科研单位有东南大学，中国人民解放军空军工程大学，西安交通大学，北京交通大学等。本期，3D科学谷与谷友一起来了解西安交大如何将液态光敏树脂作为超材料基材的原材料，固体微粒作为人造微结构，最终形成固态光敏树脂为基材并包裹具有二维空间拓扑排序人造微结构的超材料。

超声波与超材料

超材料由于具有天然材料不具备的超常物理性质，从而摆脱了传统材料诸多表观自然规律的限制，极大拓展了电磁学、光学、声学等学科的研究范畴，在航天、航空、电子、通信、生物医学领域里展现了巨大的潜在价值和应用前景。超材料本质上为人工复合结构或复合材料，其通过在亚波长的材料特征尺度上进行有序结构设计，实现赋予的特定功能。超材料一般由有序排列的多个超材料单元组成，而每个超材料单元包括非金属基板和附着在基板表面上或嵌入在基板内部的人造微结构，具有不同于基板本身的电、磁、力学特性。因此，整个超材料在宏观上对电场、磁场及声场呈现出特殊的响应特性。

超声波作为一种机械波，具有动量和角动量，通过对声场中物体的散射效应，产生作用于其上的辐射力。微颗粒或者微构件在辐射力场的作用下，稳定的俘获在合成声场中的声势阱即声压节点位置，近年来超声波的这种力学特性在液体环境中微颗粒的俘获、聚集及分拣方面已证实了较好的应用潜力。另外，相控阵超声技术的突飞猛进为合成具有任意声压空间分布的声场提供了便捷手段。

西安交大通过相控阵超声阵列在液态光敏树脂中营造空间可控声场，实现光固化制造环境中规则排布微结构的非接触夹持，从而形成既定拓扑结构，解决现有基于立体光固化成型的3D打印设备无法实现两种不同材质制备同一结构的问题。根据计算机仿真数据得到的微结构空间排布生成目标声场参数及其对应的相控阵超声控制参数，实现光敏树脂中既定拓扑结构的非接触式稳定加持。

固体微粒为金属微球、高分子微球或碳纳米管，其特征尺寸介于20-100微米。固体微粒分散于液态光敏树脂前进行表面活性处理，使其易于在液态光敏树脂中分散，固体颗粒在液态光敏树脂中的体积分数不超过1％。

超声波用于基于光敏树脂固化工艺用于复合材料的制造在国际上不乏尝试者。根据3D科学谷的市场研究，英国Bristol大学通过超声波来定位数以百万计的微小增强纤维，形成一个微观的加固框架，超声波的作用与激光束同时作用，通过超声波用来诱导材料的微观结构排列，通过激光束用来固化环氧树脂，从而制造出纤维增强复合材料。

参考资料：CN106079439A

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张培志教授

教授级高级工程师，研究方向为先进陶瓷、3D打印技术；上海材料研究所增材制造研发与应用中心主任、粉体材料部主任。九三学社上海市科技系统委员会主委、九三学社上海市第十六届委员会委员；历任上海市第十、十一届、现任十二届上海市政协委员。获国务院特殊津贴专家、上海市优秀技术带头人称号。1983年7月毕业于山东建筑材料工业学院。现任中国陶瓷工业协会常务理事；中国机械工程学会材料分会理事、陶瓷专业委员会常务委员；上海市硅酸盐学会无机生物与环保专业委员会副主任委员；《机械工程材料》、《陶瓷科学与艺术》编委。完成国家863、军工、上海市重大等多项科研任务。现带领团队从事“3D打印技术研究”、“深海浮力材料研究”、 “热等静压制备高性能结构材料的研究”、 “陶瓷人工髋关节的研究”、“工程陶瓷异形件的精密加工研究”等科研与开发活动。

张培志教授带领团队研发的陶瓷球产品，已产业化多年，取得了较好的经济及社会效益

上海材料研究所

上海材料研究所(SRIM)源于1946年成立的“材料性能试验室”，随着新中国工业的崛起和发展而得到同步壮大。至上世纪九十年代，己成为我国机械工业工程材料技术的核心研发机构。上世纪末，在深化科技体制改革推动下，上材所发展成为上海市新材料高科技企业；上海市工程材料技术骨干研发机构和公正、权威的第三方材料检测机构。在新世纪的今天，上材所坚持“创新驱动,转型发展”的发展战略；秉承“严谨求实，勤奋创新”的治所理念，深化改革，创新发展。以质量求生存、以规范促和谐，在攻坚克难中追求卓越。

上海材料研究所依托自身在材料研究领域的优势，在粉体材料事业部张培志主任的领导下，自2012年起以3D打印技术作为新材料领域技术创新的战略重点，瞄准3D打印产业发展所需的关键技术及耗材，专注于3D打印领域的产品研发、生产、销售与服务，拥有自主知识产权的材料配方及自主开发的专业生产线，并引进了相关的3D打印设备。

记者对上海材料研究所增材制造研发与应用中心主任张培志教授进行了专访。张培志教授在采访中提出了对上海材料研究所3D打印的发展全景和3D打印行业的未来发展态势的看法。
记者：上海材料研究所是国内材料研究方面的权威院所之一，在3D打印方面的发展现状如何？

张培志教授：我所有六十多年在材料研发、材料测试技术方面的经验和成就，在国内外同行中有较高的声誉和影响，在科技飞速发展的今天，我所与时俱进，及时进行战略转移，将在材料方面的优势与先进的制造技术3D打印相结合，研究开发出多种性能稳定的3D打印耗材，于2015年3月正式成立了增材制造研发与应用中心，并且正在筹备建立上海市3D打印材料工程技术研究中心。我们正在扩改建金属粉末生产基地，已经具备生产3D打印用金属粉末的能力；在高分子丝材方面已经拥有专业拉丝生产线，已开发出一系列适用于FDM成型的3D打印丝材。

上海材料研究所研发的3D打印材料

记者：上海材料研究所增材制造研发与应用中心的特色服务和亮点是什么？

张培志教授：我们主要从事三方面工作：3D打印材料、3D打印建模、3D打印材料及制件的检测服务。

 //3D打印材料

具体来讲我们提供的3D打印材料主要分为金属和塑料两种：

在3D打印用金属粉末方面，我们主要是针对3D打印航空航天中承力件、异形件、医疗中的人体植入物修复材料的需求，开展3D打印用金属粉末的开发以及3D打印件后处理工艺的研究。已经开发出适用于SLM、EBM和LENS等3D打印技术的金属粉末材料，如钛合金、镍基高温合金、不锈钢、模具钢等，我们生产的金属粉末成分均匀稳定、粒度分布可控、氧含量低、球形度高、流动性好，受到了客户的广泛好评。

在3D打印用丝材方面，我们的产品系列包括聚乳酸(PLA)、柔性丝材(TPU)、聚酯(PETG)、聚苯乙烯(HIPS)等。

上：金属3D打印部件          下：塑料3D打印部件

左：气雾化制粉炉      右上：气站      右下：热等静压炉

//3D打印建模服务

包括快速原型制造、模型逆向工程、工程塑料零件应急备件制造等。

3D建模

//3D材料检测

上海材料研究所的检测力量雄厚，我们针对3D打印领域同样可以提供精确、专业的检测服务。包括3D打印粉末检测、3D打印制品检测、3D打印制品的无损检测。

记者：您对上海材料研究所增材制造研发与应用中心未来发展的愿景是什么？

张培志教授：我们的产品需要做到量化产出，培养出专业的销售队伍，使产品更好的市场化，利用销售、应用方面的优势促进产业化，最终实现可持续发展。

如有可能我希望能与外部合作，成立合资公司，这样更利于我们的产品实现市场化和产业化。在创造经济效益的同时，我们也同样需要创造更多的社会效益，我干了一辈子科研，希望活到老学到老，在生产实践中也能不断的进行研究工作，申请纵向的科研项目，未来我们将成立上海市3D打印工程材料研究中心，在科研和科普方面不断发展3D打印技术。

记者：提到3D打印的科普工作，能否请您简单介绍一下？

张培志教授：我已经在上海市复兴中学、进才中学等学校为孩子们介绍3D打印技术，让他们了解这一新技术，他们都非常感兴趣。我觉得这样的科学普及教育是很有意义的。

记者：您如何看待3D打印技术未来的发展？

张培志教授：3D打印技术是目前的一项新技术，这一行业也是新兴行业，目前的生产和使用量都还不大，大多停留在研发阶段。但随着科技的不断发展，未来3D打印的成本将不断降低、应用领域也就会不断扩大。我国的3D打印技术发展水平是与世界同步的，甚至在某些领域内更有其先进性，未来我们要在3D打印制品的使用性能、观赏性能和市场化方面继续努力，我相信3D打印的未来也一定是光明的。

文章转载自：材料与测试网