材料–結(jié)構(gòu)–性能一體化增材制造（MSPI-AM）的概念及內(nèi)涵。圖片來源：顧冬冬團隊

南京航空航天大學材料科學與技術(shù)學院、江蘇省高性能金屬構(gòu)件激光增材制造工程實驗室教授顧冬冬團隊，提出材料—結(jié)構(gòu)—性能一體化激光金屬增材制造的整體性概念。5月28日，相關(guān)綜述論文發(fā)表于《科學》。

高性能金屬構(gòu)件是航空、航天、交通、能源等現(xiàn)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(gòu)件的高性能。激光增材制造（3D打?。┘夹g(shù)可滿足現(xiàn)代工業(yè)對難加工金屬構(gòu)件短周期、高精度、高性能制造的重大需求。

但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(shù)量級的大跨尺度形性協(xié)調(diào)。傳統(tǒng)增材制造遵循典型的串聯(lián)式路線，即結(jié)構(gòu)設計—材料選擇—加工工藝—實現(xiàn)性能；但因材料、結(jié)構(gòu)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(gòu)件高性能目標實現(xiàn)困難。

針對這些問題，顧冬冬團隊發(fā)展了新的材料—結(jié)構(gòu)—工藝—性能一體化“并行模式”，在復雜整體構(gòu)件內(nèi)部同步實現(xiàn)多材料設計與布局、多層級結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與打印，以主動實現(xiàn)構(gòu)件的高性能和多功能。

研究人員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)展出鱗腳蝸牛殼的層狀復合結(jié)構(gòu)、水蜘蛛的水泡構(gòu)型、多孔蜂窩等仿生結(jié)構(gòu)，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(xiàn)了仿生多材料整體構(gòu)件的材料—結(jié)構(gòu)—性能一體化增材制造及其高性能/多功能。

顧冬冬表示，該方法實現(xiàn)了“適宜材料打印至適宜位置”和“獨特結(jié)構(gòu)打印創(chuàng)成獨特功能”。前者從合金和復合材料內(nèi)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(gòu)件激光增材制造的科學內(nèi)涵、成形機制與實現(xiàn)途徑。后者揭示了拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)、點陣結(jié)構(gòu)、仿生結(jié)構(gòu)增材制造的本質(zhì)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(jié)構(gòu)打印至構(gòu)件內(nèi)最合適的位置，提出了基于上述三類典型結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設計及增材制造實現(xiàn)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。

此外，研究人員還建立了材料—結(jié)構(gòu)—性能一體化增材制造的跨尺度實現(xiàn)原理及調(diào)控方法，包括微觀尺度的材料組織與界面調(diào)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(gòu)件結(jié)構(gòu)與性能精確協(xié)調(diào)。

他們進一步對“材料—結(jié)構(gòu)—性能一體化增材制造”未來發(fā)展方向進行了總結(jié)與展望，包括更加數(shù)字化的材料創(chuàng)成和結(jié)構(gòu)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(shù)及應用等。