材料–結構–性能一體化增材制造 | 回顧南航首篇《Science》論文​

來源：增材制造技術前沿

此前，國際著名學術期刊《Science》發(fā)表了南航材料科學與技術學院、江蘇省高性能金屬構件激光增材制造工程實驗室顧冬冬教授團隊的研究綜述論文《材料–結構–性能一體化激光金屬增材制造》（Dongdong Gu*, Xinyu Shi, Reinhart Poprawe, David L. Bourell, Rossitza Setchi, Jihong Zhu, Material-structure-performance integrated laser-metal additive manufacturing。標志著南航在基礎研究和重大成果方面取得新突破。南航是本文第一署名單位，顧冬冬教授為本文第一作者和通訊作者。

同期Science主編以“跨尺度調控”為題，對論文做了亮點評述，認為激光增材制造有望變革零部件的設計方式。顧等人建議將串聯式設計和成形構件的增材制造策略，變革至更為整體性的方法來優(yōu)化金屬構件。這種更為綜合的方法將有助于減少制造所需的工序數量，并擴大可用于最終應用零部件的結構類型。

高性能金屬構件是航空、航天、交通、能源等現代工業(yè)的基石，且高端裝備的服役性能很大程度上取決于構件的高性能。高性能金屬構件多服役于極端嚴苛環(huán)境，故對構件的選材、制造工藝、性能/功能均提出了嚴峻挑戰(zhàn)。激光增材制造（3D打�。┘夹g是當前世界科技強國競相發(fā)展的一項戰(zhàn)略性關鍵核心技術，可滿足現代工業(yè)對難加工金屬構件短周期、高精度、高性能制造的重大需求。激光增材制造逐點逐域的局部成形特性，決定了工藝過程和成形性能涉及宏觀–介觀–微觀至少6個數量級的大跨尺度形性協(xié)調，這是其核心科學挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)增材制造遵循典型的“串聯式路線”，即結構設計–材料選擇–加工工藝–實現性能；但因材料、結構和工藝等多因素耦合規(guī)律復雜，激光增材制造精確成形需反復試錯，造成金屬構件高性能目標實現困難。

為對應上述挑戰(zhàn)，本文提出了“材料–結構–性能一體化增材制造”（MSPI-AM）這一整體性概念，其概念性創(chuàng)新在于：變革傳統(tǒng)的串聯式增材制造路線，發(fā)展新的材料–結構–工藝–性能一體化“并行模式”，在復雜整體構件內部同步實現多材料設計與布局、多層級結構創(chuàng)新與打印，以主動實現構件的高性能和多功能。

材料–結構–性能一體化增材制造的概念及內涵

為明晰“材料–結構–性能一體化增材制造”的科學內涵與技術途徑，本文面向下一代空間探測器著陸器系統(tǒng)的整體化和多功能化發(fā)展趨勢，針對隔熱/防熱、減震抗沖擊、空間抗輻射等多功能需求，創(chuàng)新發(fā)展鱗腳蝸牛殼的層狀復合結構、水蜘蛛的水泡構型、多孔蜂窩等仿生結構，并基于陶瓷/金屬梯度復合材料、碳納米管增強金屬基復合材料等多材料設計與布局，實現仿生多材料整體構件的材料–結構–性能一體化增材制造及其高性能/多功能。

多功能整體構件的材料–結構–性能一體化激光增材制造：

以下一代空間探測著陸器“大底”構件為例

本文定義了“材料–結構–性能一體化增材制造”的兩大特征及其內涵。其一是“適宜材料打印至適宜位置”，從合金和復合材料內部多相布局、二維和三維梯度多材料布局、材料與器件空間布局3個復雜度層級，揭示了多材料構件激光增材制造的科學內涵、成形機制與實現途徑；其二是“獨特結構打印創(chuàng)成獨特功能”，揭示了拓撲優(yōu)化結構、點陣結構、仿生結構增材制造的本質是分別將優(yōu)化設計的材料及孔隙、最少的材料、天然優(yōu)化的結構打印至構件內最合適的位置，提出了基于上述三類典型結構創(chuàng)新設計及增材制造實現輕量化、承載、減震吸能、隔熱防熱等多功能化的原理、方法、挑戰(zhàn)及對策。

材料–結構–性能一體化增材制造的特征之一：

適宜材料打印至適宜位置

材料–結構–性能一體化增材制造的特征之二：

獨特結構打印創(chuàng)成獨特功能

高性能/多功能金屬構件材料–結構–性能一體化激光增材制造的跨尺度形性調控機制

本文建立了“材料–結構–性能一體化增材制造”的跨尺度實現原理及調控方法，包括微觀尺度的材料組織與界面調控、介觀尺度的粉末激光熔凝及致密化工藝控制、宏觀尺度的構件結構與性能精確協(xié)調。本文進一步對“材料–結構–性能一體化增材制造”未來發(fā)展方向進行了總結與展望，包括更加數字化的材料創(chuàng)成和結構創(chuàng)新、更具自主決策功能的打印裝備、更加智能化的打印過程、更加多元融合的打印工藝、更加綠色可持續(xù)的打印技術及應用等。