华科史玉升团队在增材制造领域30年来的代表性研究成果和产业化进展

来源：机械工程学报

增材制造（快速成形）技术已在我国发展 30 余年，为向全球学者介绍中国的研究成果，在Additive Manufacturing Frontiers (AMF) 执行主编李涤尘教授的带领下，组织策划了“中国增材制造 30 年发展”特刊 (Special Issue on 30 Years of Development of Additive Manufacturing in China)，通过十余个国内增材制造领域的代表性团队的高质量论文，向大家介绍过去 30年来我国增材制造技术的发展历程、主要研究成果以及未来发展趋势。

引用论文：
Yusheng Shi, Chunze Yan, Bo Song, Bin Su, Qingsong Wei, Lichao Zhang, Jiamin Wu, Shifeng Wen, Jie Liu, Chao Cai, Shengfu Yu, Chenhui Li, Yan Zhou, Annan Chen, Lei Yang, Peng Chen, Yang Zou, Minkai Tang, Ying Chen, Yunsong Shi, Hongzhi Wu, Lei Zhang, Zhufeng Liu, Haoze Wang, Changshun Wang, Siqi Wu, Guizhou Liu, Zhen Ouyang. Recent Advances in Additive Manufacturing Technology: Achievements of the Rapid Manufacturing Center in Huazhong University of Science and Technology. Additive Manufacturing Frontiers, Volume 3, Issue 2, 2024, 200144.

https://doi.org/10.1016/j.amf.2024.200144.

文章链接：
https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2950431724000340

1 研究现状
增材制造技术（包括3D打印、4D打印等），采用逐层制造并叠加原理，从三维模型数据直接创建复杂构件，在航空航天、轨道交通、生物医疗等领域已展现出重大价值与广阔应用前景。因此，增材制造已成为国际上先进制造领域发展最快、研究最活跃、关注度最高的方向之一，是学术界和工业界研发热点。

2 研究难点或瓶颈
现阶段，增材制造技术仍存在以下突出问题：(1) 增材专用材料种类少、性能低；(2) 成形效率低、难以实现大规模产业化；(3) 增材制造形性主动控制难度大；(4) 缺乏多材料增材制造装备等。

3 论文亮点
（1）发明高复用、形态可控的增材制造专用聚合物复合粉、丝材和低烧结变形、高堆积密度和良好流动性的增材制造专用陶瓷复合粉材，部分实现产业化，产品获美国UL和欧盟CE认证，出口美德澳等国；

（2）提出碳化硅陶瓷的微纳多尺度协同强韧化方法，首创增材制造-反应溶渗成形技术，实现最大尺寸达1.6米的空间反射镜、渣浆泵叶轮等复杂碳化硅陶瓷构件的整体成形，引领碳化硅陶瓷增材制造技术的国际前沿；

（3）发明连续纤维增强复合材料的机器人激光增材制造工艺与装备，使连续纤维增强复合材料的增材制造构件致密度和层间剪切强度大幅提升；

（4）从原料选择、打印工艺、诱导策略和潜在应用等方面讨论了尖端4D打印的最新研究成果；

（5）研发成功成形台面达1.7米×1.7米激光选区烧结增材制造装备，可用于大型复杂聚合物、陶瓷等材料构件的整体成形。

4 结论
总结了华中科技大学材料科学与工程学院快速制造中心在增材制造领域30多年的代表性研究成果和和产业化成果，及其在国内外产生的深远影响，提供了对增材制造技术未来发展方向的独到见解，推动弥合当前技术能力和未来应用需求之间的差距。尽管增材制造技术具有创造高性能产品的巨大潜力，但仍需要科研界和工业界共同付出更多的努力来推进其在工业应用中的大规模使用。

5 展望
本文提供了AM技术在未来的潜在发展方向：（1）由三维向多维AM演变，使增材制造构件更智能、更逼真、更有意识；（2）由平面向曲面切片过渡，再向编织切片演变，实现高性能轻量化构件的无支撑高效集成制造；（3）由逐点/逐线/逐面向逐卷/逐块AM演变，提高成形效率以推动大规模工业化应用；（4）由单一材料向多材料AM演变，实现区域材料、结构和性能特性的精细化和定制化调整；（5）由单一宏观结构设计向宏/介/微观结构多尺度设计方向演变，实现具有微观结构可控、介观形态可调、宏观结构约束的多尺度AM；（6）材料制备与成形一体化结合,为开发高性能新材料提供更多可能性；（7）由小批量向大批量扩展，降低生产成本，推动整个制造业的数字化和可持续发展。

6 代表性图片

Fig.1 Development direction of AM technology

Fig.2 Evolution of the dot-line-sheet-volume printing

Fig.3 Development from single-material to multi-material AM

作者团队介绍

史玉升（团队带头人），华中科技大学华中学者领军岗特聘教授。现任华中科技大学华中学者领军岗特聘教授，中国有色金属学会增材制造分会主任委员、中国材料学会增材制造材料分会主任委员、中国航天科技集团有限公司增材制造工艺技术中心专家委员会主任、教育部长江学者创新团队负责人等职务。主要从事高性能聚合物、金属、陶瓷等增材制造专用材料的制备与成形技术。成果获发明专利399件，主撰著作/教材9部，发表论文704篇，2022年入选斯坦福大学“全球前2%顶尖科学家”和中国各学科高贡献者名单。获国家技术发明二等奖1项（排1）、国家科技进步二等奖2项（排1、排3）、中国十大科技进展和中国智能制造十大科技进展各1项（均排1）、省部级一等奖9项（5项排1）；获全国创新争先奖状、十佳全国优秀科技工作者提名奖、中国发明创业奖特等奖、湖北省五一劳动奖章、武汉市科技重大贡献个人奖等称号。

闫春泽（通讯作者），华中科技大学二级教授、博导，教育部长江学者特聘教授，国家重点研发计划首席科学家，爱思唯尔2023中国高被引学者。现担任材料成形与模具技术全国重点实验室主任、增材制造陶瓷材料教育部工程研究中心主任、湖北省增材制造技术国际科技合作基地主任等职务，国际期刊Journal of Materials Processing Technology副主编（Associate Editor），全国增材制造标准化技术委员会（SAC/TC562）委员。主持国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重点基金、航天联合基金重点基金、工信部工业转型升级重点项目等国家级项目。研发的增材制造材料与装备已实现产业化，在中国航发、航天科技等单位得到应用，并出口美英德澳等国。以第一或通讯作者在Adv. Mater.、Acta. Mater.等期刊发表SCI收录论文80余篇，授权发明专利84项，包括美日欧德俄国际发明专利14项，出版专著、教材8部，包括Elsevier英文专著2部；牵头/参与制定国家标准4项。相关成果获国家技术发明二等奖（排2）、国家科技进步二等奖（排3）。

近年团队发表文章
[1]Zhang L, Liu H, Song B, et al. Wood-inspired metamaterial catalyst for robust and high-throughput water purification. Nature Communications, 2024, 15: 2046.

[2]Chen A, Wang W, Mao Z, et al. Multimaterial 3D and 4D bioprinting of heterogenous constructs for tissue engineering. Advanced Materials, 2023: 2307686.

[3]Shi Y, Tang S, Yuan X, et al. In Situ 4D Printing of Polyelectrolyte/Magnetic Composites for Sutureless Gastric Perforation Sealing. Advanced Materials, 2023: 2307601.

[4]Wu H, Luo R, Li Z, et al. Additively Manufactured Flexible Liquid Metal-Coated Self-Powered Magnetoelectric Sensors with High Design Freedom. Advanced Materials, 2023: 2307546.

[5]Chen P, Wang H, Su J, et al. Recent Advances on High-Performance Polyaryletherketone Materials for Additive Manufacturing. Advanced Materials, 2022, 34(52): 2200750.

[6]Ma Z, Wang Q, Wu Z, et al. A superconducting-material-based maglev generator used for outer-space. Advanced Materials, 2022, 34: 2203814.

[7]Zhang L, Song B, Zhang J, et al. Decoupling microlattice metamaterial properties through a structural design strategy inspired by the Hall–Petch relation. Acta Materialia, 2022, 238: 118214.

[8]Wu Z, Sun D, Shi C, et al. Moisture‐Thermal Stable, Superhydrophilic Alumina‐Based Ceramics Fabricated by a Selective Laser Sintering 3D Printing Strategy for Solar Steam Generation. Advanced Functional Materials, 2023, 33(45): 2304897.

[9]Wu Z, Shi C, Chen A, et al. Large-Scale, Abrasion-Resistant, and Solvent-Free Superhydrophobic Objects Fabricated by a Selective Laser Sintering 3D Printing Strategy. Advanced Science, 2023, 10: 2207183.

[10]Wang C, Yang Q, Gu X, et al. 3D in situ heterogeneous SiC/mullite hollow constructs for broadband electromagnetic absorption. Cell Reports Physical Science, 2024, 5: 101813.