3D打印新技术登上《科学》期刊，可实现“多线并行”

传统的3D打印往往要先设计结构，再选择材料，确定加工工艺，最终打印成形，但因材料、结构和工艺等多因素耦合规律复杂，3D打印的零部件想精确成形需反复试错，想实现金属构件的高性能甚至多功能比较难。

南京航空航天大学材料科学与技术学院、江苏省高性能金属构件激光增材制造工程实验室顾冬冬教授团队，联袂德、美、英等国学者，建立了一种新的3D打印模式，能在复杂整体金属构件内部，同步设计、打印多种材料和多类结构，实现构件的高性能和多功能。

2021年5月28日，这一研究以《材料–结构–性能一体化激光金属增材制造》之题，登上国际著名学术期刊《科学》。

3D打印一个零件，不同部位有不同功能

激光增材制造，即3D打印技术，是当前世界科技强国竞相发展的一项战略性关键核心技术，可满足现代工业对难加工金属构件短周期、高精度、高性能制造的重大需求。

“传统的3D打印遵循‘串联式路线’，即结构设计–材料选择–加工工艺–实现性能。这种路线需要反复试错，周期较长，成本较高。”论文的第一作者和通讯作者顾冬冬说，基于这一挑战，他和研究团队提出了一种新的3D打印模式，即“材料–结构–性能一体化增材制造”的并行模式。

通俗地说，这种模式在设计和打印产品结构时，考虑在零件的不同部位，哪种材料、哪种结构更适合，再确认加工工艺路线，最后打印出来，以确保产品的高性能和多功能。

“人们越来越希望金属零件能同时满足多种需求，即使一个零件，也能在不同位置，用不同的材料，打印不同的结构，实现不同功能，例如有的部位能耐热，有的部位能承载受力，而这种3D打印模式可以实现。”顾冬冬说。

如何证明这种制造方式更合理？研究团队以“下一代空间探测器着陆器系统的整体化和多功能化发展趋势”为例，反复验证“并行模式”的金属整体结构3D打印的可行性。

高性能金属构件是航空、航天、交通、能源等现代工业的基石，且高端装备的服役性能很大程度上取决于构件的高性能。但这些构件多用于极端严苛的环境，对构件的选材、制造工艺、性能、功能均提出了严峻挑战

“在论文中，我们设定了一个目标，试图让探测器的着陆器能隔热、防热，能减震、抗冲击、抗空间辐射。”顾冬冬说，在研究之初，自然界一些昆虫、动植物的特殊结构，便引起他们的关注，他们学习自然界天然优化的结构，强调生物启迪、仿生设计，并将之用于空间着陆器系统的“大底”构件的设计。

“材料–结构–性能一体化”3D打印的特征之一：适宜材料打印至适宜位置

用仿生学+复合材料，设计打印着陆器“大底”整体构件

进入研究团队视野的3种生物结构，是鳞脚蜗牛壳的层状复合结构、水蜘蛛的水泡构型、多孔蜂窝。“鳞脚蜗牛生活在海底的热泉附近，蜗牛壳是一种层状复合结构，外壳非常硬，我们‘大底’构件外层设计成鳞脚蜗牛壳结构，让着陆器能坚固地像盔甲一样，可以隔热防热；水蜘蛛在水下构筑住所，其水泡形住所由蛛丝连接水草而成，能长时间承受不同流速、不同方位水流的冲击，具有优异的韧性和抗冲击能力。我们据此设计了‘大底’内部的减震结构，这些结构中‘蛛丝’纵横交错，能让着陆器减震抗冲击；我们在‘大底’的表面，附上了一层类似于多孔蜂窝的高温结构材料，能让着陆器与大气摩擦时防止烧损。”顾冬冬介绍。

在设计结构的同时，研究团队根据航空航天的需求，还选择了陶瓷、碳纳米管和铝合金相融合的复合材料。“铝合金很轻，所以在航空航天领域应用较广，但熔点只有600多度，在着陆器着陆时耐受不了这么高的温度，于是我们添加了熔点接近3000度的二硼化钛陶瓷。又例如碳纳米材料具有很多神奇的力学性能和物理化学功能，所以我们又设计了碳纳米管增强金属基复合材料来应对3D打印零件多功能化的需求。”

顾冬冬说，研究最大的难点，莫过于将适宜的材料打印到适宜的位置，“目前，单一材料的3D打印已经比较成熟，但多种材料的打印，还有较大挑战，也是研究热点。例如每打印一层，都需要设计不同的结构，打印不同的材料，还要调试激光参数、扫描模式等。从原子尺度的3D打印材料显微组织调控，到打印成看得见摸得着的成品零部件，还要考虑到打印时的变形、开裂等问题。”所以，在实验验证时，他们反复进行多种材料、多类结构的激光3D打印实验，并开展了热传导实验、抗冲击实验等功能验证。

顾冬冬在南航3D打印实验室

适宜材料打印至适宜位置，独特结构打印创成独特功能

最终，团队从合金和复合材料内部多相布局、二维和三维梯度多材料布局、材料与器件空间布局3个复杂度层级，揭示了多材料构件3D打印的科学内涵、成形机制与实现途径。

同时，他们实现了“独特结构打印创成独特功能”，揭示了拓扑优化结构、点阵结构、仿生结构3D打印的本质，分别是将优化设计的材料及孔隙、最少的材料、天然优化的结构打印到构件内最合适的位置，提出了基于鳞脚蜗牛壳的层状复合结构、水蜘蛛的水泡构型、多孔蜂窝三类典型结构的创新设计，及利用3D打印实现轻量化、承载、减震吸能、隔热防热等多功能化的原理、方法、挑战及对策。

这一成果获得当期《科学》主编的评价，认为“激光增材制造有望变革零部件的设计方式。顾等人建议将串联式设计和成形构件的增材制造策略，变革至更为整体性的方法来优化金属构件。这种更为综合的方法将有助于减少制造所需的工序数量，并扩大可用于最终应用零部件的结构类型。”

南京航空航天大学博士生石新宇、德国亚琛工业大学Fraunhofer激光技术研究所Reinhart Poprawe教授、美国德州大学奥斯汀分校David L. Bourell教授、英国卡迪夫大学Rossitza Setchi和西北工业大学朱继宏教授也参与了论文撰写。