材料–結構–性能一體(ti) 化增材製造（MSPI-AM）的概念及內(nei) 涵。圖片來源：顧冬冬團隊

南京航空航天大學材料科學與(yu) 技術學院、江蘇省高性能金屬構件激光增材製造工程實驗室教授顧冬冬團隊，提出材料—結構—性能一體(ti) 化激光金屬增材製造的整體(ti) 性概念。5月28日，相關(guan) 綜述論文發表於(yu) 《科學》。

高性能金屬構件是航空、航天、交通、能源等現代工業(ye) 的基石，且高端裝備的服役性能很大程度上取決(jue) 於(yu) 構件的高性能。激光增材製造（3D打印）技術可滿足現代工業(ye) 對難加工金屬構件短周期、高精度、高性能製造的重大需求。

但激光增材製造逐點逐域的局部成形特性，決(jue) 定了工藝過程和成形性能涉及宏觀—介觀—微觀至少6個(ge) 數量級的大跨尺度形性協調。傳(chuan) 統增材製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律複雜，激光增材製造精確成形需反複試錯，造成金屬構件高性能目標實現困難。

針對這些問題，顧冬冬團隊發展了新的材料—結構—工藝—性能一體(ti) 化“並行模式”，在複雜整體(ti) 構件內(nei) 部同步實現多材料設計與(yu) 布局、多層級結構創新與(yu) 打印，以主動實現構件的高性能和多功能。

研究人員麵向下一代空間探測器著陸器係統的整體(ti) 化和多功能化發展趨勢，針對隔熱/防熱、減震抗衝(chong) 擊、空間抗輻射等多功能需求，創新發展出鱗腳蝸牛殼的層狀複合結構、水蜘蛛的水泡構型、多孔蜂窩等仿生結構，並基於(yu) 陶瓷/金屬梯度複合材料、碳納米管增強金屬基複合材料等多材料設計與(yu) 布局，實現了仿生多材料整體(ti) 構件的材料—結構—性能一體(ti) 化增材製造及其高性能/多功能。

顧冬冬表示，該方法實現了“適宜材料打印至適宜位置”和“獨特結構打印創成獨特功能”。前者從(cong) 合金和複合材料內(nei) 部多相布局、二維和三維梯度多材料布局、材料與(yu) 器件空間布局3個(ge) 複雜度層級，揭示了多材料構件激光增材製造的科學內(nei) 涵、成形機製與(yu) 實現途徑。後者揭示了拓撲優(you) 化結構、點陣結構、仿生結構增材製造的本質是分別將優(you) 化設計的材料及孔隙、最少的材料、天然優(you) 化的結構打印至構件內(nei) 最合適的位置，提出了基於(yu) 上述三類典型結構創新設計及增材製造實現輕量化、承載、減震吸能、隔熱防熱等多功能化的原理、方法、挑戰及對策。

此外，研究人員還建立了材料—結構—性能一體(ti) 化增材製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(yu) 界麵調控、介觀尺度的粉末激光熔凝及致密化工藝控製、宏觀尺度的構件結構與(yu) 性能精確協調。

他們(men) 進一步對“材料—結構—性能一體(ti) 化增材製造”未來發展方向進行了總結與(yu) 展望，包括更加數字化的材料創成和結構創新、更具自主決(jue) 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、更加綠色可持續的打印技術及應用等。