材料–结构–性能一体化激光金属增材制造

供稿人：张晓宇 李涤尘 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室　

高性能的金属零部件是现代工业的基石，特别在航空、航天、汽车制造和能源生产领域。高性能金属零部件成形的苛刻要求阻碍了材料选择和制造的优化。激光增材制造是技术创新和产业可持续发展的关键战略技术，可满足现代工业对高性能金属零部件件短周期、高精度、高性能制造的重大需求。传统的激光金属增材制造路线从设计到制造遵循典型的“串联式路线”，导致了繁琐试错，并难以实现金属零部件制造的高性能要求。南京航空航天大学的顾冬冬教授团队等人提出了“材料–结构–性能一体化增材制造”（MSPI-AM）这一整体性概念。该概念是在需要实现的性能或功能的驱动下，通过“并行”设计多种材料、新结构和相应的打印工艺，并强调它们的相互兼容性，为激光金属增材制造的现有挑战提供了一个系统的解决方案。

图1 材料–结构–性能一体化增材制造（MSPI-AM）的概念及内涵图

“材料–结构–性能一体化增材制造”具有两大特征及其内涵：“适宜材料打印至适宜位置”和“独特结构打印创成独特功能”。越来越多的创造性的可用于打印组件的微观和宏观结构的工程方法使得增材制造可以生产更复杂的结构与多种材料。设计和打印具有空间变化的微结构和性能的多材料组件(例如，纳米复合材料、原位复合材料和梯度材料)是可行的，进一步使功能结构与电子集成的打印成为可能。这些复杂结构(如整体拓扑优化结构、仿生结构、多尺度分层晶格或细胞结构)在力学性能和物理/化学功能方面都取得了一定突破。高性能和多功能的主动实现需要跨尺度的协调机制(即从纳米/微观到宏观)。

图2 多功能整体构件的材料–结构–性能一体化激光增材制造：以下一代空间探测着陆器“大底”构件为例

面向“材料–结构–性能一体化增材制造”未来在生产过程中将变得更加智能化，集成了智能检测、传感和监测、大数据统计和分析、机器学习和数字孪生。并进一步将通过更多的复合方法来实现高性能/多功能打印，同时通过更多功能的材料选择和更全面的虚拟制造和真实生产的集成来指导更复杂的打印。“材料–结构–性能一体化增材制造”有望能够成为增材制造技术可持续发展的关键战略。

参考文献：
Gu, Dongdong & Shi, Xinyu & Poprawe, Reinhart & Bourell, David & Setchi, Rossi & Zhu, Jihong. (2021). Material-structure-performance integrated laser-metal additive manufacturing. Science. 372. eabg1487. 10.1126/science.abg1487.