材料–結構–性能一體化增材制造（MSPI-AM）的概念及內涵。圖片來源：顧冬冬團隊

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

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

但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個數量級的大跨尺度形性協調。傳統增材制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復雜，激光增材制造精確成形需反復試錯，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—性能一體化“并行模式”，在復雜整體構件內部同步實現多材料設計與布局、多層級結構創新與打印，以主動實現構件的高性能和多功能。

研究人員面向下一代空間探測器著陸器系統的整體化和多功能化發展趨勢，針對隔熱/防熱、減震抗沖擊、空間抗輻射等多功能需求，創新發展出鱗腳蝸牛殼的層狀復合結構、水蜘蛛的水泡構型、多孔蜂窩等仿生結構，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計與布局，實現了仿生多材料整體構件的材料—結構—性能一體化增材制造及其高性能/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”。前者從合金和復合材料內部多相布局、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，揭示了多材料構件激光增材制造的科學內涵、成形機制與實現途徑。后者揭示了拓撲優化結構、點陣結構、仿生結構增材制造的本質是分別將優化設計的材料及孔隙、最少的材料、天然優化的結構打印至構件內最合適的位置，提出了基于上述三類典型結構創新設計及增材制造實現輕量化、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—性能一體化增材制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界面調控、介觀尺度的粉末激光熔凝及致密化工藝控制、宏觀尺度的構件結構與性能精確協調。

他們進一步對“材料—結構—性能一體化增材制造”未來發展方向進行了總結與展望，包括更加數字化的材料創成和結構創新、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、更加綠色可持續的打印技術及應用等。