傳(chuan) 統的3D打印往往要先設計結構，再選擇材料，確定加工工藝，最終打印成形，但因材料、結構和工藝等多因素耦合規律複雜，3D打印的零部件想精確成形需反複試錯，想實現金屬構件的高性能甚至多功能比較難。

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顧冬冬教授團隊，聯袂德、美、英等國學者，建立了一種新的3D打印模式，能在複雜整體(ti) 金屬構件內(nei) 部，同步設計、打印多種材料和多類結構，實現構件的高性能和多功能。

5月28日，這一研究以《材料–結構–性能一體(ti) 化激光金屬增材製造》之題，登上國際著名學術期刊《科學》。

受訪者供圖

3D打印一個(ge) 零件，不同部位有不同功能

激光增材製造，即3D打印技術，是當前世界科技強國競相發展的一項戰略性關(guan) 鍵核心技術，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。

“傳(chuan) 統的3D打印遵循‘串聯式路線’，即結構設計–材料選擇–加工工藝–實現性能。這種路線需要反複試錯，周期較長，成本較高。”論文的第一作者和通訊作者顧冬冬說，基於(yu) 這一挑戰，他和研究團隊提出了一種新的3D打印模式，即“材料–結構–性能一體(ti) 化增材製造”的並行模式。

通俗地說，這種模式在設計和打印產(chan) 品結構時，考慮在零件的不同部位，哪種材料、哪種結構更適合，再確認加工工藝路線，最後打印出來，以確保產(chan) 品的高性能和多功能。

“人們(men) 越來越希望金屬零件能同時滿足多種需求，即使一個(ge) 零件，也能在不同位置，用不同的材料，打印不同的結構，實現不同功能，例如有的部位能耐熱，有的部位能承載受力，而這種3D打印模式可以實現。”顧冬冬說。

如何證明這種製造方式更合理？研究團隊以“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”為(wei) 例，反複驗證“並行模式”的金屬整體(ti) 結構3D打印的可行性。

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。但這些構件多用於(yu) 極端嚴(yan) 苛的環境，對構件的選材、製造工藝、性能、功能均提出了嚴(yan) 峻挑戰。

“在論文中，我們(men) 設定了一個(ge) 目標，試圖讓探測器的著陸器能隔熱、防熱，能減震、抗衝(chong) 擊、抗空間輻射。”顧冬冬說，在研究之初，自然界一些昆蟲、動植物的特殊結構，便引起他們(men) 的關(guan) 注，他們(men) 學習(xi) 自然界天然優(you) 化的結構，強調生物啟迪、仿生設計，並將之用於(yu) 空間著陸器係統的“大底”構件的設計。

“材料–結構–性能一體(ti) 化”3D打印的特征之一：適宜材料打印至適宜位置。受訪者供圖

用仿生學+複合材料，設計打印著陸器“大底”整體(ti) 構件

進入研究團隊視野的3種生物結構，是鱗腳蝸牛殼的層狀複合結構、水蜘蛛的水泡構型、多孔蜂窩。“鱗腳蝸牛生活在海底的熱泉附近，蝸牛殼是一種層狀複合結構，外殼非常硬，我們(men) ‘大底’構件外層設計成鱗腳蝸牛殼結構，讓著陸器能堅固地像盔甲一樣，可以隔熱防熱；水蜘蛛在水下構築住所，其水泡形住所由蛛絲(si) 連接水草而成，能長時間承受不同流速、不同方位水流的衝(chong) 擊，具有優(you) 異的韌性和抗衝(chong) 擊能力。我們(men) 據此設計了‘大底’內(nei) 部的減震結構，這些結構中‘蛛絲(si) ’縱橫交錯，能讓著陸器減震抗衝(chong) 擊；我們(men) 在‘大底’的表麵，附上了一層類似於(yu) 多孔蜂窩的高溫結構材料，能讓著陸器與(yu) 大氣摩擦時防止燒損。”顧冬冬介紹。

在設計結構的同時，研究團隊根據航空航天的需求，還選擇了陶瓷、碳納米管和鋁合金相融合的複合材料。“鋁合金很輕，所以在航空航天領域應用較廣，但熔點隻有600多度，在著陸器著陸時耐受不了這麽(me) 高的溫度，於(yu) 是我們(men) 添加了熔點接近3000度的二硼化鈦陶瓷。又例如碳納米材料具有很多神奇的力學性能和物理化學功能，所以我們(men) 又設計了碳納米管增強金屬基複合材料來應對3D打印零件多功能化的需求。”

顧冬冬說，研究最大的難點，莫過於(yu) 將適宜的材料打印到適宜的位置，“目前，單一材料的3D打印已經比較成熟，但多種材料的打印，還有較大挑戰，也是研究熱點。例如每打印一層，都需要設計不同的結構，打印不同的材料，還要調試激光參數、掃描模式等。從(cong) 原子尺度的3D打印材料顯微組織調控，到打印成看得見摸得著的成品零部件，還要考慮到打印時的變形、開裂等問題。”所以，在實驗驗證時，他們(men) 反複進行多種材料、多類結構的激光3D打印實驗，並開展了熱傳(chuan) 導實驗、抗衝(chong) 擊實驗等功能驗證。

顧冬冬在南航3D打印實驗室。受訪者供圖

適宜材料打印至適宜位置，獨特結構打印創成獨特功能

最終，團隊從(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3D打印的科學內(nei) 涵、成形機製與(yu) 實現途徑。

同時，他們(men) 實現了“獨特結構打印創成獨特功能”，揭示了拓撲優(you) 化結構、點陣結構、仿生結構3D打印的本質，分別是將優(you) 化設計的材料及孔隙、最少的材料、天然優(you) 化的結構打印到構件內(nei) 最合適的位置，提出了基於(yu) 鱗腳蝸牛殼的層狀複合結構、水蜘蛛的水泡構型、多孔蜂窩三類典型結構的創新設計，及利用3D打印實現輕量化、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。

這一成果獲得當期《科學》主編的評價(jia) ，認為(wei) “激光增材製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製造策略，變革至更為(wei) 整體(ti) 性的方法來優(you) 化金屬構件。這種更為(wei) 綜合的方法將有助於(yu) 減少製造所需的工序數量，並擴大可用於(yu) 最終應用零部件的結構類型。”

南京航空航天大學博士生石新宇、德國亞(ya) 琛工業(ye) 大學Fraunhofer激光技術研究所Reinhart Poprawe教授、美國德州大學奧斯汀分校David L. Bourell教授、英國卡迪夫大學Rossitza Setchi和西北工業(ye) 大學朱繼宏教授也參與(yu) 了論文撰寫(xie) 。