增材制造技术：工业和医疗应用的可持续性运营和计算机3（2022）258

可持续运营和计算机3（2022）258增材制造技术：工业和医疗应用Saquib Roufa，Abrar Malika，Navdeep Singhb，Ankush Rainaa，Nida Naveedc，Md Irfanul Haque Siddiquid，Mir Irfan Ul Haqa，a印度查谟和克什米尔卡特拉市Shri Mata Vaishno Devi大学机械工程学院b印度查谟大学，印度理工学院。英国桑德兰大学d沙特阿拉伯利雅得11421沙特国王大学机械工程系aRT i cL e i nf o保留字：增材制造医疗应用OrthopathicDental3D 打 印 行业力学性能a b sTR a cT3D打印正日益成为制造业的重要技术，并有可能彻底改变制造业。3D打印允许定制，可以生产复杂的结构，同时减少浪费，同时在设计中允许更多的灵活性。本文简要概述了主要类型的增材制造（AM）技术。它回顾了在各种类型的3D打印技术中进行的工作，特别是侧重于机械特性。根据研究的文献，比较了各种3D打印材料的各种优点和挑战。 特别是从医学的角度来看，已经包括了关于各种材料方面和应用领域的专门章节。本文最后专门介绍了增材制造（AM）在骨科，牙科，假肢，食品和纺织行业的应用。它试图建立AM，工业4.0和可持续性之间的关系。本文件将作为一种激励，以触发上述领域的进一步发展。1. 介绍制造业的格局在不断变化。可持续设计的竞争加剧，以及使用合金和金属等材料的可能性已经耗尽。这使得在最新的技术下很难获得材料的最高特性及其性能测量。消费者由于对可持续设计的竞争日益激烈，以及不断尝试实现材料的最高特性，3D打印已成为一种突破性技术，具有巨大的社会和商业转型潜力。它是最好的可用技术，具有最小的生产量，定期的设计更改和必要的设计高度复杂性。多年来，这项技术不断发展，其机器变得越来越有用，价格也越来越低。由于其新颖的方法，3D打印现在已经在各种领域中找到了用途，例如工程、建筑、医疗、军事、航空航天、时尚、建筑、计算机工业等。∗ 通讯作者。电子邮件地址：haqmechanical@gmail.com（M.I.U. Haq）。https://doi.org/10.1016/j.susoc.2022.05.001制造技术。大多数现有技术需要具有传统材料中所发现的特性的独特组合的材料[2]。因此，这类复合材料的发展已取代透明材料。3D打印技术也被称为增材制造。这是制造业中一项迅速崛起的技术。3D打印机成本大幅下降，导致市场需求增加[3]。3D打印通过使用具有关于物体几何形状的信息的3D计算机化数据来制造部件。3D打印是最好的可用技术，具有最小的生产量，定期的设计更改以及必要的设计高度复杂性[4]。AM程序倾向于构造对象中存在的几何形状的各种计算机数据和STL文件[5，6]。3D打印技术与传统的制造工艺不同，更适合。传统上，生产量较小，设计不断变化，并且需要增加设计的表1列出了增材制造技术与传统制造技术之间的主要区别，突出了增材制造的一些重要特征，如减少浪费、时间效率以及产品优化和再创造的特征。但是，在打印空间上有一些限制。AM仅限于其打印床，但研究人员也正在解决这个问题，现在我们看到增材制造的房屋[参考文献]。接收日期：2022年1月18日;接收日期：2022年3月24日;接受日期：2022年5月13日2022年5月18日网上发售2666-4127/© 2022作者。由Elsevier B.V.代表KeAi Communications Co.出版，这是一篇CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）可在ScienceDirect上获得目录列表可持续运营和计算机期刊主页：http://www.keaipublishing.com/en/journals/sustainable-operations-and-computers/S. Rouf，A.马利克，N. Singh等人可持续运营和计算机3（2022）258259表1AM与传统制造业的主要区别描述增材制造传统制造原型生产在制造零件时不需要任何特殊工具[3，7]需要特殊的工具来制造零件废物预防令人难以置信的资源效率消耗大量资源大规模生产快速生产零件效率和可靠性较存在特定材料用金属聚合物制造物体的能力[3，7]无法用外部材料生产零件限制印刷床制造某些较大的零件定制令人难以置信的使用小型一对一生产运行需要多种工具成本成本不断下降不容易上手废物和能源减少材料浪费和能源无法添加材料单位部件库存不需要太多的动手库存[3，7]需要大量的实际库存旧的明细易于重新创建和优化零件无法重新创建或优化遗留部件[3，7]Fig. 1. 3D打印本文旨在强调AM在各个行业实施工业4.0并同时实现可持续发展方面可以发挥的作用。本文的结构方式集中在各种技术和AM的应用，特别是医疗领域。2. 3D打印技术文献综述3D打印技术在过去几年中得到了改进这一部门相当年轻，许多技术增长和发现仍在发展中。这项技术可能无法以相当大的方式彻底改变制造业。3D打印机利用增材制造程序和其他技术来构建成为最终对象的层。有许多种类的3D打印技术在各种功能下发生[8]。它们被分为七个不同的组，如图所示。一曰：表2展示了使用3D打印技术在电子、航空航天、医药和建筑领域取得的一些最新进展。2.1. 粘合剂喷射这个过程属于快速原型。它还涉及创建添加到使用中的粘合剂的不同部分[16]。液体粘合剂用于连接粉末颗粒。粘合剂从以下开始沉积在金属粉末材料的顶部上：根据3D模型[17]，一层在另一层上。一些常用的材料是金属，沙子，陶瓷，甚至是颗粒状的聚合物[18]。其他常见的应用包括更大的砂型铸造芯甚至模具，廉价的3D打印金属零件和全色制造原型。与其他使用热或光作为原材料熔融剂的增材制造技术不同，粘合剂喷射将材料颗粒逐层粘合以形成特定几何形状的物体，因此不需要热将材料粘合在一起。它是1993年在麻省理工学院发明的，两年后，Z公司从MIT获得了许可证用于其处理[19，20]。粘合剂喷射印刷技术可用于陶瓷、金属和聚合物等材料[21尽管有各种材料可用，但它仍然适用于原型制作，因为打印部件的性能不符合所需的性能标准。这是由于粉末材料的低填充系数;因此，在印刷部件中，孔的密度是高的和低的[25]。这些部件通常需要烧结和渗滤等后处理技术[26]。其中，烧结是最突出的后处理技术。然而，这种技术是负责尺寸不准确，蠕变的发展，和孔隙率[27，28]。渗透包括将印刷部件浸入多相介质溶液中，其中渗透剂通过毛细作用进入部件大多数情况下，S. Rouf，A.马利克，N. Singh等人表260可持续运营和计算机3（2022）2582603D打印在电子、航天和医疗领域的最新进展方法所涉工作和成果混合3D制造系统（立体光刻和直写技术）3D嵌入式电子结构555定时器电路[9]创造。熔融沉积成型与超声波丝网嵌入方法。使用该技术开发了在谐振峰值处具有5.5Db增益的贴片天线[10]。喷墨印刷柔性电子产品，如基于纤维素纳米纤维的涂层，控制油墨渗透到机织棉织物中，用于电子纺织品制造[11]。3D生物打印一种生物墨水，结合了出色的剪切力，纳米原纤化纤维素（NFC）的稀释性能，的Chalmers大学的一个研究小组制定了藻酸盐的快速交联能力，该技术有可能用于3D生物打印，活组织和[12]3D生物打印仿生耳是使用类似于人耳形状的细胞接种水凝胶基质以及缠绕的导电聚合物产生的。打印的耳朵显示出增强的射频接收听觉感知[13]。选择性激光制造美国宇航局的工程师使用镍铬合金粉末为下一代太空发射系统（SLS）的J-2X发动机建造了一个复杂的金属火箭喷射器组件。该部件被构建成一个没有接头的单件，结构更坚固，更可靠，因此在节省时间和成本方面取得了重大进步[14]。选择性激光烧结印度斯坦航空有限公司制造了25 kN飞机发动机的原型模型，并在2015年印度航空博览会上展出。用于组件的材料是尼龙塑料材料。与传统制造相比，该原型的成本和开发时间显着减少[14]。熔融沉积模拟技术使用安装有挤出打印头的6轴机械臂逐层沉积材料以生产超高性能混凝土。这种技术允许在不使用临时支撑的情况下产生3D大规模复杂几何形状，这在以前是不可能的，从而使两种结构元素的多功能性[15]。图二. 粘结剂喷射过程。在用于粘合剂喷射的材料中，陶瓷经受渗透以降低印刷部件中的孔隙率百分比[29]。这种方法的主要问题是，由于渗透剂在孔中的沉积不充分，孔隙率没有降低到标记的程度 粘合剂喷射的印刷部件的尺寸小于固体负载的平均粒度[30]。图2示出了粘合剂喷射期间的各种过程/阶段。该过程从原材料的准备、制造和后处理开始。首先，滚筒将粉末层从粉末原料中铺展到构建平台上，然后打印头在3D设计/模型文件中定义的粘合剂的帮助下定义层。当第一层完成时，层的高度降低， 该过程从第一层开始再次开始用于第二层。重复相同的过程，直到获得完整的几何形状，并且该获得的部件被称为生坯部件，然后将其与粉末分离以进行后处理。固化、脱脂、烧结和可选的致密化是一些后处理步骤。将生坯部件加热至200 °C的温度，这通过聚合使生坯部件增韧。绿色部分然后被转换成棕色部分，将粘合剂烧掉并留下用于烧结。这里密度增加，机械性能也增加，这被称为成品[31]。表3介绍了从整形外科到空间技术的粘合剂喷射打印的最新工作表3中列出的大多数研究都强调了印刷参数及其对机械和结构性能的影响。2.2. 基于挤出的方法这项技术被广泛使用，因为它是成本效益。然后，根据基于材料挤出的技术打印几种材料，多色塑料和活细胞[36]。此外，该过程可以完全基于产品的功能方面构建熔融沉积成型或熔融薄膜制造是材料挤出制造的方法。熔融沉积成型包含薄膜型热塑性塑料作为输入材料，将其送入加热的喷嘴中，在那里熔化并挤出成型层。印刷设计的层厚度和图案被馈送到印刷软件。一层完成后，S. Rouf，A.马利克，N. Singh等人可持续运营和计算机3（2022）258261表3最近在粘合剂喷射印花方面所做的工作作者材料类型应用领域言论[32个]半水合硫酸钙人工骨在这项研究中，机械各向异性和断裂进行了研究。不同的印刷参数如印刷方向、喷嘴结构等对这些性能都有影响。油墨/体积比对密度的影响主要表现在脱水沉淀物的含量上。[33个]陶瓷牙科各种打印参数如粘合剂量、干燥功率水平、干燥时间、粉末铺展速度和烧结程序温度、保持时间、加热速率对牙科应用打印部件的性能的影响。结果表明，所有参数均影响牙科陶瓷的几何性能[34个]Hydroperm，月球高地模拟物，沸石13X空间本文建立了粘合剂喷射印刷中的气溶胶排放对粉末性质以及对粉末铺展过程的依赖性。[35]第三十五届合成轻质陶瓷（（Al电磁和生物医学植入物该材料重量轻，具有高机械应力和耐腐蚀性。该材料的热膨胀系数较低。表4工艺参数对各种材料印刷适性的影响作者材料类型工艺参数观察[49个]ABS和PLA图层厚度光栅角度随着镀层厚度的增加，摩擦力和45°角表现出更好的耐磨性。此外，PLA显示出比ABS更低的耐磨性。[50个]PA12（聚酰胺12）层厚EX挤压机温度填充结构占有率层厚对拉伸强度和冲击强度的影响最大。在0.25 mm层厚、50%占有率、矩形填充结构和250 °C挤出机温度下获得优化的机械性能。[五十一]ABS层厚度、沉积温度、沉积速度（材料施加速度）、腔室温度。层厚是最重要的参数中提到的极限抗拉强度。对于潮湿的填料，应使用薄层。[五十二]不锈钢316L对SLM和FDM与FDM的试样相比，SLS技术开发的试样显示出非常小的孔隙度。SLS试样的屈服强度和极限抗拉强度均高于FDM试样。[五十三]聚（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯）/多壁碳纳米管光栅角度层厚度填充%CNT结果表明，随着纳米填料含量的增加，复合材料的拉伸强度和弹性模量增加.随着层厚的增加，抗拉强度降低。光栅角度对特性并无重大影响。床身自动下降，打印第二层。这个过程一直持续到最终产品完成。基于挤出的FDM的重要特征是制造具有功能梯度性能的产品[39]。该领域的最新发展已经发展了这种方法，现在它直接用于制造产品，而不是原型。图3示出了影响通过该技术制造的产品的性质的各种参数。近年来，在熔融沉积建模技术领域做了大量的工作。已经研究了各种打印参数的影响，如样品取向[4042]、光栅角度[43，44]、喷嘴温度[43]、层厚度[45]，并且已经研究了它们对各种机械、摩擦学和结构特性的影响，如表4所示。次要参数（如环境参数）也显示了其对使用熔融薄膜制造印刷的材料的机械性能的影响[46从表4中引用的文献中，非常清楚的是，就孔隙率而言，基于挤出的FDM是相当有效的，但就机械性能而言，SLS更占主导地位。在这里，印刷参数对于决定产品的机械和摩擦学性能也起着重要作用因此，了解独立考虑的每个印刷参数对性能的影响非常重要2.3. 粉末床熔合这种方法可以精确地生成产品。该技术利用电子束和激光熔化和熔合材料粉末[21]第20段。这有助于制造各种几何复杂的产品。这里使用的材料有金属、陶瓷、复合材料、聚合物和混合材料[54，55]。粉末床融合肯定提出了许多可行的技术，如SLS，SHS，SLM和EBM。SLS（选择性激光烧结）是一种利用激光进行烧结的3D打印程序[56]。聚结粉末材料一层接一层地烧结，形成固体结构。散粉有助于包裹使用刷子和加压空气取出的最终产品。从本质上讲，SLS是一种3D打印技术，它以极高的速度运行，随着表面的抛光而变化，精度也会提高。SHS（选择性热烧结）是另一种不使用高功率激光的3D打印方法[57]。然而，它使用热打印头来熔化产生3D物体的材料。SHS 3D打印机利用热塑性材料。这些加热的平台或热塑性粉末层可使用辊来应用。这种热敏打印头通常通过在粉末上的横截面区域下跟踪各种物体来烧结粉末的顶层。这一直持续到初始层待完成。重复该过程，直到形成3D物体。SLM（选择性激光熔化）是一种烧结工艺，通过专门生产金属部件的技术原理直接在金属上完成[58]。SLM可实现粉末的完全熔化，这是单组分金属部件（如铝）所能实现的。 粉末的烧结通常仅限于合金。为了降低高残余应力的产生和变形，随着额外支撑的引入，将引入各种技术。EBM（电子束熔化）是另一种3D打印技术，可增强加热材料的能量来源[59]。这是一项非常有用的技术，适用于高价值行业，S. Rouf，A.马利克，N. Singh等人可持续运营和计算机3（2022）258262图三. FDM工艺参数。航空航天和国防。这是因为它利用最小的能量，因为它产生更小的残余应力，因为它比SLS工作得更快。表5中给出了粉末床熔合（PBF）技术在各个领域中的贡献。在医疗和航空航天领域广泛使用的最常见的PBF方法是SLS和SLM。如今，研究人员已将SLS用于制药行业。在骨科和牙科应用中，它们在其他制造技术中占据主导地位。表5中的文献清楚地表明，PBF技术主要用于金属材料。PBF在高温应用中提高了蠕变和抗拉强度等力学性能2.4. 直接能量沉积定向能量沉积（DED）技术通过熔化各种材料并将其一层接一层地沉积在工作场所来开发不同的部件。从材料挤出的DED分散剂， DED喷嘴在移动之前可能无法固定在某个轴上，在不同的方向。DED用于维修现有部件并为其添加额外材料DED技术是一种复杂的工艺，由于其对晶粒结构的良好控制，可以生产出优质产品[37]。DED属于根据已融合的材料彼此区分的各种技术[68]。它可以通过简单地熔化粉末来打印材料。这种方法已用于陶瓷，聚合物，但它已被广泛用于金属粉末，因此它也被称为金属沉积技术。LENS（激光工程净成形）沉积是DED技术的一个例子，该技术利用计算机控制的激光来构建物体[69]。这里遵循的程序是从粉末材料如金属、合金和陶瓷开始的一层又一通过开发用于熔化的热能，LENS技术有助于实现DED。EBAM（电子束增材制造）是另一种利用电子束枪的3D打印技术[70]。这将金属材料与有线饲料一层接一层地沉积。这一直持续到达到净形状。EBAM可用于大型金属结构件的生产S. Rouf，A.马利克，N. Singh等人可持续运营和计算机3（2022）258263表5粉末床熔融技术在各个领域的贡献作者PBF方法材料域言论[60个]SLSlopinavir药物本研究已开发出一种非晶LPV使用SLS打印机。这项研究是SLS的首次同类研究[第六十一届]SLS共聚维酮和扑热息痛药物本工作涉及使用SLS的固体口服剂型的开发。包括用于药物释放能力的多孔性的各种重要特征已经增强。[六十二]SLS聚酰胺、碱木质素机械/生物材料在这项研究中，木质素取代PA12的成本效益，同时保持成本效益。SLS是提高热稳定性和润湿性的有效方法。[63个]SLS硅基陶瓷型芯航天随着渗滤时间的延长，材料的抗压强度增加。SLS提高了高温抗拉强度和蠕变变形。[64个]SLMTI6AI4v矫形植入物SLS用于开发骨科植入物的异质多孔结构。水热处理和FEA模拟辅助该过程。由于核壳结构的存在，材料的力学性能[第六十五章]SLM316l不锈钢支架应用（手术）本文介绍了SLS工艺制造支架。分析了表面粗糙度、构成相，并在最终产品中记录了显著变化。该技术被证明具有生产患者专用医疗器械的潜力。[第六十六话]SLMAlSi10镁合金航天应用用SLM制造扑翼机构，尺寸精度达到99%。在以前的传统制造工艺中普遍存在成本削减。[67个]EBMTi6al4v医疗植入物本文综述了电子束熔炼技术在Ti6Al4V植入材料研究中的应用。本文综述了循证医学在生物医学中的应用表6片材层压的优点和缺点优势缺点缩短了制造时间表面光洁度差低成本制造尺寸精度减少了加工时间制造复杂形状适用于各种材料层间粘合不良图。DED的主要问题是由不均匀的热收缩和膨胀引起的残余应力，这导致由于变形而形成裂纹。研究人员开发了一种基于立体的路径规划和激光扫描系统来克服上述问题[67]。另一个问题是DED制造零件的表面抛光。使用DED打印的部件显示出较低的几何公差和表面光洁度[71，72]。这些缺陷可以通过图中给出的后处理来解决。 四、2.5. 片层压这种3D打印过程允许各种材料片粘合在一起[73]。最初，使用粘合剂将材料粘合在现有层上。然后通过使用数字引导激光切割出所需的形状。从本质上讲，高分辨率的彩色物体是通过这个过程构建的。其他技术采用层压物体制造（LOM）工艺。L0M可以使用局部能量源形成3D物体，假定激光用于绑定金属片的堆叠。该工艺具有许多金属板卷，这些金属板卷被用作进入构建区域的原料， 在切割之前，使用热辊将其压到其他层上，将激光器切割成预定形状。LOM甚至可以以最低的成本和减少的操作时间生产复杂的几何零件[74]。超声波增材制造（UAM）和超声波固结（UC）是最常用的板材层压工艺制造技术[75，76，78]。表6给出了薄板层压的各种优点和缺点。材料兼容性和应用如图所示。五、2.6. 还原聚合这种3D打印技术利用材料的光聚合来形成固体部件。光聚合物和液体等材料被收集在一个大桶里。然后，通过用光源照射材料，将材料依次放入层中，从而产生2D分层图案[17]。SLA（立体光刻）和DLP（数字光处理）使用3D打印技术利用光聚合[79]。这里的一些关键参数包括曝光时间、波长和所提供的功率。在全增材制造工艺中，瓮聚合被称为可扩展方法，因为它可以用于微制造[80]。SLA光聚合通过自上而下的印刷方法或自下而上的方法发生。在自上而下的方法中，激光器位于平台上方， 材料被固化。随着每一层的加工，床下降到第二层，这个过程一直持续到整个零件被制造出来。对于自下而上的方法，激光器放置在底部，层形成从底部开始，然后床上升完成该过程。DLP使用光掩模投影仪对瓮光聚合工艺进行工作[4]。这种方法是从动态掩模投影，其在暴露于UV光时使用材料（液体光敏树脂）的逐层固化[81]。3. 材料考虑增材制造工艺根据其中使用的材料状态进行划分。基于这一分类，AM工艺有三种类型：固体、液体和粉末。此外，材料的机械性能应是可接受的，并且还应满足使用标准。适用于3D打印的材料种类繁多，S. Rouf，A.马利克，N. Singh等人可持续运营和计算机3（2022）258264见图4。 DED的后处理技术。图五. 材料相容性和LOM的应用。S. Rouf，A.马利克，N. Singh等人可持续运营和计算机3（2022）258265有限，但工作正在进行，以增加可用于不同3D打印技术的材料领域。3D打印中最常见的材料类型包括塑料、金属、陶瓷和复合材料。塑料有两种类型：热塑性塑料和热固性塑料。热塑性材料用于两种工艺：材料挤出和粉末床熔融。在这些类型中，无定形热塑性塑料由于其熔融特性而用于材料挤出工艺。它们形成高粘性熔体，这对于挤出是理想的。用于挤出这些材料的典型喷嘴尺寸为0.2这种塑料的两个最常见的例子是聚乳酸（PLA）和丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）。在材料挤出中使用的无定形材料的一些其它实例是聚碳酸酯（PC）、PC/ABS共混物和聚醚酰亚胺（PEI）。关于POW- 在熔融床中，使用半结晶热塑性塑料。使用IR激光器或IR或UV热源熔化和熔合这些材料。用于粉末床熔合的最常见材料是聚酰胺12（尼龙）。其熔点比再结晶温度高约35 °C，并且仅在印刷完成后才均匀地发生再结晶，并且还使残余应力最小化。通过调整各种工艺参数，可以使用这些材料制造高密度和低孔隙率的物体。在粉末床熔合中使用的半结晶材料的其它实例是聚丙烯和聚醚醚酮（PEEK）。在热固性塑料的情况下，最常见的例子是丙烯酸酯、丙烯酸酯和环氧树脂。光聚合物经历称为“固化”的过程，其中低聚物在暴露于光时交联并形成本质上为热固性的网络聚合物。这些光聚合物由单体、低聚物和一些添加剂如消泡剂和抗氧化剂组成，这些添加剂可增强这些光聚合物的性能[81]。 增韧剂也被积极地用于树脂中以改善其机械性能。这些增韧剂可以是反应性的或非反应性的。在一些形式中，弹性体芯具有反应性壳[83]。这种芯材料的一些实例包括聚硅氧烷、聚丁二烯和橡胶，而反应性壳的实例包括具有环氧基、羟基、乙烯基酯、乙烯基醚和丙烯酸酯基团的化合物。热固性材料也被用于材料喷射过程中。材料喷射在沉积多种材料的情况下变得有用。这是通过对不同的材料使用不同的喷嘴来实现的。如果该工艺用于沉积不同的材料， 在同一层中，最终产品的性能将不同于组成它的材料的性能。已经显示了使用材料喷射制造的产品的机械性能具有各向异性的特性，同时在拉伸和压缩特性方面具有显著的差异[84]。研究人员指出，零件的性能会随着时间的推移而变化，并揭示了老化的后果[85]。从金属的角度来看，粉末床熔融和直接能量沉积是两种最常用的粉末基AM技术来制造金属产品。然而，在直接能量沉积中，我们有一个规定-用金属丝代替火药除了这两种技术，粘合剂喷射也用于制造金属印刷品。用于3D打印的最常用商业金属/合金包括纯钛、Ti6 Al 4V[86]、316 L不锈钢[87]、17-随着用于3D打印的新材料的开发，该材料清单不断增加。选择性激光熔化用于打印物体，同时使用银、金和铂作为原材料[95]。可用于3D打印的金属数量有限有几个原因。在铝和铝合金中，与空气的不相容性是一个问题。它在表面形成氧化铝层，并导致颗粒烧结问题。18Ni300马氏体时效钢和Inconel718也在熔池中引起问题因为它们形成上升到顶部的稳定的氧化物[96]。具有低吸收和高导热性的合金如铜、铝、银和金在建立熔池时产生问题更以在金属3D打印中，残余应力的大小也是一个值得关注的问题。残余应力包括外表面处的高拉伸应力，伴随着中心处的压缩应力区。此外，应力梯度也会在产品中形成，并取决于产品高度、产品几何形状和构建方向。陶瓷也越来越多地用于AM。然而，由于它们的高熔点和低韧性，它们在AM中的直接使用中存在问题[97]。直接能量沉积和粉末床熔融技术已被用于使用氧化铝及其合金进行打印[97，98]。在AM中直接使用陶瓷材料的方法很多，但都导致了热裂纹的产生.在AM中间接使用陶瓷的情况下，需要粘合剂将物体粘合在一起。除了直接能量沉积，所有其他AM技术都用于陶瓷产品的间接制造[99]。当陶瓷被引入AM时，采用的第一种方法之一是将陶瓷（主要是氧化铝或氮化硅）与立体光刻树脂混合。陶瓷材料的直接AM中使用的粘合剂通常是瞬时的。它要么被移除， 或者在后处理中转化，这导致最终产品是纯陶瓷或陶瓷复合物。冷冻成型挤压制造（FEF）是一种通过使用陶瓷生产3D物体的技术，同时保持环境友好的方法。它以含有少量有机粘合剂的含水胶体糊剂的形式通过计算机控制逐层构建物体[99]。由于FEF通过以受控的冷冻模式沉积这些糊剂来制造物体，然而存在与此相关的某些问题。与FEF相关的一个最大问题是在冷冻过程中形成大的冰晶，这导致最终产品的低密度以及在产品中形成孔，这影响了最终产品的质量。其整体属性。解决这个问题的一种方法是采用陶瓷按需技术，该技术在室温下进行，并采用辐射干燥产品。它在使用陶瓷材料生产复杂形状时也非常有用[100，101]。使用 复合材料在3D打印中的应用正在增加，具有改进性能的新复合材料正在不断开发。而发展中对于复合材料，要考虑的最重要的性质是原料材料、性质及其均匀性。复合材料之间应该有适当的结合，并且它们应该具有良好的机械性能。最常用的复合材料是聚合物复合材料、金属复合材料和陶瓷基复合材料。纤维增强复合材料，通常是碳纤维增强复合材料/玻璃纤维也用作AM中的复合材料。它们的机械性能是纤维取向的函数。这些纤维进一步分为晶须、短纤维或连续纤维。3D打印中使用的金属复合材料包括层压材料、颗粒复合材料、纤维复合材料和功能梯度材料。AM制造金属主要通过选择性激光熔化（SLM）和激光金属沉积（LMD）完成。金属复合材料也可以通过使用液相烧结（LPS）从粉末形式开发，并且已经在金属基复合材料上进行了尝试。在功能梯度材料的情况下，控制晶粒生长和热膨胀系数是需要注意的关键因素，并且添加剂被用于控制这些参数。功能梯度材料在航空航天应用中的应用越来越多，其中单个组件需要不同的性能，例如在推进喷嘴中需要不同的热和机械性能[102]。陶瓷复合材料也用于增材制造，尤其是生物材料，这是一个快速发展的研究领域[103，104]。陶瓷聚合物需要的后处理量非常少，使用它们制造的产品可以在生产后立即使用[105]。粘结剂喷射法由于其高精度和复杂的几何形状而最常用于制造陶瓷基体产品。还开发了一种称为选择性激光凝胶化（SLG）的新型AM技术，该技术使制造商能够将陶瓷溶胶-凝胶与SLS一起使用。该技术开辟了关于在AM中包括浆料的新机会，同时提供良好的可溶解性。这种方法的一个典型例子是嵌入不锈钢的硅溶胶S. Rouf，A.马利克，N. Singh等人可持续运营和计算机3（2022）258266表7一些重要的AM材料及其应用。AM材料AM工艺应用[第109话]EBM SLM航天Inconel 718[110]EBM SLM航天聚苯砜[111]FDM空间应用[111]第111话FDM空间应用铝填充聚酰胺12粉末[111]SLS空间应用钛合金[98]契据医疗植入物Ciba–Geigy 5170VP假体AlSi10Mg[113]PBF-LB弹道马氏体时效钢[114]SLM弹道[106].此外，与陶瓷复合材料相关的FEF技术已经发展到包含功能梯度材料，包括碳化钨和碳化锆[107]。使用陶瓷悬浮液可以有效地完成致密部件的加工，并且通过在立体平版印刷中加入不透明悬浮液，已经在这方面进行了改进[108]。表7中给出了一些重要的AM材料及其应用。4. 生物制造增材制造领域正在日益扩大。 由于其逐层形成，它具有巨大的生物制造潜力。牙科或植入物生产等领域需要各向异性，这些领域是增材制造的最佳客户。AM的重要医疗应用之一是植入部分。植入物根据患者的需求进行定制，因此AM可以根据需要帮助打印这些植入物[115]。用于牙科、夹板、模型和钻导向器 是在AM的帮助下开发的。此外，AM已用于人工组织和器官的开发[116]。此外，AM技术现在被广泛用于器官的3D模型，这对于理解复杂的人体解剖结构是有用的。据估计，生物制造业的AM市场将达到260亿2022年美元[117]。这些部分涉及到母鸡-针对医疗需求的各个方面对增材制造技术进行了深入审查。一些重要的医学部门正在出现， AM域讨论如下：4.1. 矫形外科和修复学骨具有多孔和各向异性的结构，这意味着骨的密度随着长度/宽度或高度而变化。骨的多孔性有助于骨长入，孔径有助于细胞增殖[117]。此外，不同的孔隙形状可能与渗透性变化有关，这可能导致不同的骨长入[118]。此外，骨的向内生长是开发有效机械性能的直接原因。研究人员已经证明，通过简单地控制孔隙率、孔隙形状和孔隙褶皱的尺寸，可以改变抗压强度和杨氏因此，从上述文献中可以清楚地看出，支架需要具有精确的孔形状、尺寸和孔分布类型，以获得与实际骨相同的最佳机械性能和行为。通过考虑增材制造可以更好地解决这个问题。研究人员使用SLS，使用羟基磷灰石（HA）和聚（α-己内酯）PCL复合物生成多孔性瘢痕[121]。扫描电镜分析表明，SLS法制备的微球结构完整，相互连接。SLS也用于生物陶瓷支架。研究人员已经成功地将SLS用于磷酸三钙（BTA-TCP）和生物玻璃[122，123]。���除了上述材料之外，SLS已经成为制造具有低尺寸材料作为添加剂（碳纳米管、石墨烯和氮化硼纳米颗粒）的支架的优良方法[124]。对于金属结垢，由于高能量，可以使用SLM金属熔化过程的密度激光器[125]。研究人员已经使用SLM制造316 L不锈钢的模具。结果表明，瘢痕具有高度多孔性（87%体积），机械性能与骨小梁相似[126]。另一种常见的用于生成积垢的AM方法是FDM，主要用于具有低熔融温度的聚合物。研究人员已经展示了FDM在不同打印方向上使用PCL进行打印的用途。孔隙率为56%或更高，孔径范围为380- 590 μm[127]。FDM已用于设计和制造聚合物和陶瓷复合材料的支架，其机械性能与实际骨相似[128，129]。由于FDM制品的收缩特性的发挥，需要对其进行后处理以获得更好的力学性能。EBM也可以是赌注-但唯一的缺点是，它可以与导电材料一起工作。 除此之外，循证医学需要大量的时间，这肯定会降低生产系统的效率。矫形器是骨科推荐用于外部支撑骨骼和神经肌肉系统的基本东西之一。通过增材制造的矫形器的发展并不太古老，因为它仅仅在十年前开始，并且它们的制造仍然是手动的。通过使用AM进行这项工作，矫形器制造变得更加经济实惠，并且对用户来说更加舒适[130，131]。矫形器的材料有泡沫、复合材料和热塑性塑料[132]。除此之外，它也被用于糖尿病足、足底筋膜炎的发展[133，134]。4.2. AM的牙科应用上午牙科实践并不是一个新的谈论城市。它在那里已经有将近20年了。对于金属牙冠，研究人员已将FDM、SLS、SLA和LOM技术用于牙科应用，特别是用于牙片、牙冠、牙桥等[135，136]。 SLA和FDM通常用于非金属口腔种植体、牙科研究模型、正畸、牙冠和牙桥以及手术设备，特别是牙科手术的手术导向器[137]。研究人员正在将增材制造用于颌面植入物，其中使用选择性激光熔化方法（SLM）[138，139]的金属粉末取代了患者的整个颌骨。增材制造技术已被用于创建完整或部分义齿。DLMS是一种直接激光金属烧结工艺，已用于制造金属义齿[140，141]。FDM，熔融沉积成型技术，有可能创建中空、半中空或实心结构的聚合物义齿[142]。现在正在进行研究，以开发使用AM的义齿，其具有抗菌性能[143]。研究人员使用FDM和SLA等工艺生产生物可吸收聚合物牙种植体，其甚至表现出牙源性[144，145]。 表8中给出的该领域的一些最新进展清楚地表明，粉末床融合技术在牙科应用中处于领先地位。此外，与印刷部件相关联的粗糙度可能是有问题的。因此，需要进行一些处理以降低牙科植入物的粗糙度。5. AM的航空航天应用3D打印技术自引入制造业以来一直在上升随着其潜力和适用性的确定，它在几乎所有工业领域的使用越来越多。航空航天业也不例外。它是快速增长的行业之一，预计未来二十年收入将超过1000亿美元[14]。增材制造所提供的优势，如卓越的可扩展性、复杂的几何形状和更快的生产速度，是航空航天应用的理想选择。此外，3D打印能够生产高度复杂且重量轻的部件，几乎没有材料浪费，这引起了许多行业的关注。满足了航空航天工业对薄壁、耐用、坚固和轻量化部件的要求S. Rouf，A.马利克，N. Singh等人可持续运营和计算机3（2022）258267表8AM在牙科应用中的最新进展作者材料AM工艺Dental域名言论[第146话]PVA薄膜FDM临时牙冠用LAVA-TDS扫描磨牙基牙.表面精度进行了比较，与传统的模型由传统的石头铸造模型。作者最后说，3D打印的PVA模型可以用于牙冠制造，具有良好的准确性。[第147话]氧化铝陶瓷FDM牙冠把玻璃渗透到氧化铝中的作者。样品在1150 °C下预烧结机械性能与纯氧化铝相似。该方法不仅节能，而且降低了成本[一百四十八]钴铬合金SLM常规铣削假牙通过两种工艺制造的样本的剪切粘结强度没有显著影响。然而，样品的粗糙度与SLM工艺增强。[149]第一百四十九话Co-Cr-W合金SLM牙嵌体和牙桥使用不同的喷砂介质对样本进行3D打印后，根据医疗需求改变粗糙度，对粗糙度进行了修改。喷砂工艺增加了硬度。[150]3 Y-TZP牙科陶瓷SLM+冷等静压牙冠、假牙、牙齿修复。在1500 °C下烧结的样品具有最大的抗压强度和最大的致密度。该方法为3 Y-TZP牙科陶瓷的SLS/CIP技术通过3D打印。此外，航空航天工业已经能够通过将设计与最终使用部件以及维修相结合来推进这一过程[151]。在各种AM工艺中，最适合用于航空航天工业的是选择性激光烧结（SLS），选择性激光熔化（SLM），电子束熔化（EBM）和线和电弧增材制造（WAAM）[152]。航空航天工业越来越多地使用这些技术背后的原因是，与传统制造工艺相比，生产非常密集的零件，后处理相当少[153]。EBM采用高能量密度电子束来生产由金属制成的致密且无空隙的部件[111]。搅拌摩擦增材制造（FSAM）也用于航空航天工业。研究人员表明，不仅机械性能得到增强，而且通过使用FSAM获得的性能与通过传统工艺获得的性能不同[154]。在航空航天工业中，使用FSAM制造加强件、纵梁、翼梁和纵梁[155]。激光金属沉积（LMD）最适合航空航天零件的修复。它利用金属粉末来修复零件。金属粉末沉积在受损部分上，然后采用激光固化通过这种方法获得的强度与原始零件的强度相同[14]。开发新材料，特别是金属和金属合金是3D打印研究的热点。.航空航天工业领域所使用的材料分为金属和非金属部件[156]。镍和钛基合金在航空航天工业中受到更多关注[157]。就镍基合金而言，它们具有高拉伸强度、损伤容限以及良好的耐腐蚀性和抗氧化性[158]。在钛合金中，Ti-6Al-4 V在SLS和EBM等不同工艺中具有不同的硬度和延展性其原因是Ti-6Al-4V在不同工艺条件下的冷却速度不同，导致了不同的显微组织。研究人员还表明，使用AM制造的Ti-6Al-4 V的机械性能可以通过热处理改变和调整[159，109]。许多航空工业已经开始使用3D打印生产各种飞机部件。2015年3月，波音公司生产了至少200种用于10种不同飞机的到那时为止，至少有20，000个零件（非金属）已安装在各种飞机上[160]。截至2019年，AM制造的数万个组件安装在波音公司的16架不同的商用和军用飞机上[161]。2017年，波音公司在787梦想飞机的制造中使用了至少4个由钛合金制成的AM部件同时还计划使用增材制造制造1000个零部件，这将最终为每架飞机节省200 - 300万美元波音公司在利用激光制造热塑性塑料部件方面也取得了进展烧结用于其飞机，如737，747，777和787[163]。一些组件确实具有复杂的结构，但它们是通过使用3D打印在更短的时间内消除生产限制并增强功能来制造的[164]。另一家领先的公司在使用AM在 航空工业是空中客车公司。空中客车A320ne