材料–結(jié)構(gòu)–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(shù)前沿

此前，國際著名學術(shù)期刊《Science》發(fā)表了南航材料科學與技術(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顧冬冬教授團隊的研究綜述論文《材料–結(jié)構(gòu)–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(chǔ)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(diào)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(shè)計方式。顧等人建議將串聯(lián)式設(shè)計和成形構(gòu)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(gòu)件。這種更為綜合的方法將有助于減少制造所需的工序數(shù)量，并擴大可用于最終應用零部件的結(jié)構(gòu)類型。

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。高性能金屬構(gòu)件多服役于極端嚴苛環(huán)境，故對構(gòu)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打印）技術(shù)是當前世界科技強國競相發(fā)展的一項戰(zhàn)略性關(guān)鍵核心技術(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。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)，這是其核心科學挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)增材制造遵循典型的“串聯(lián)式路線”，即結(jié)構(gòu)設(shè)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。

為對應上述挑戰(zhàn)，本文提出了“材料–結(jié)構(gòu)–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(lián)式增材制造路線，發(fā)展新的材料–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(shè)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。

材料–結(jié)構(gòu)–性能一體化增材制造的概念及內(nèi)涵

為明晰“材料–結(jié)構(gòu)–性能一體化增材制造”的科學內(nèi)涵與技術(shù)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(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(shè)計與布局，實現(xiàn)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。

多功能整體構(gòu)件的材料–結(jié)構(gòu)–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(gòu)件為例

本文定義了“材料–結(jié)構(gòu)–性能一體化增材制造”的兩大特征及其內(nèi)涵。其一是“適宜材料打印至適宜位置”，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；其二是“獨特結(jié)構(gòu)打印創(chuàng)成獨特功能”，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(shè)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(shè)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。

材料–結(jié)構(gòu)–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(jié)構(gòu)–性能一體化增材制造的特征之二：

獨特結(jié)構(gòu)打印創(chuàng)成獨特功能

高性能/多功能金屬構(gòu)件材料–結(jié)構(gòu)–性能一體化激光增材制造的跨尺度形性調(diào)控機制

本文建立了“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)。本文進一步對“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。