南航大学教授提“MSPI-AM”新概念

近期，国际著名学术期刊Science发表了南京航空航天大学材料科学与技术学院顾冬冬教授团队的研究综述论文《材料—结构—性能一体化激光金属增材制造》。

■研究团队论文在《科学》网站上刊登

此次提出的“材料—结构—性能一体化激光金属增材制造”（MSPI-AM）整体概念，是将MSPI-AM定义为通过集成多材料布局和创新结构，一步制造一体式金属组件的过程，目的是主动实现设计的高性能和多功能。

不同于以往增材制造的“串联模式”，MSPI-AM是将材料、结构、工艺、性能进行一体化的“并行模式”。对此，论文作者将“材料—结构—性能一体化增材制造”的特征归纳为，在正确的位置打印正确的材料，以及为独特的功能打印独特的结构，从而实现性能和功能的重大改进。

该研究团队建议放弃以串行方式设计和制造组件的策略，转而采用更全面的金属零件优化方法。在论文中，作者总结了激光粉末床融合和激光定向能量沉积的几个关键发展，并概述了一些仍需克服的问题。更集成的方法将有助于减少制造所需的步骤数量，并扩展可用于最终用途组件的结构类型。

毋庸置疑，MSPI-AM为高性能/多功能金属构件激光增材制造提供了普适性原理与方法。在需要实现的性能或功能的驱动下，MSPI-AM方法能够并行设计多种材料、新结构和相应的印刷工艺，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。

■材料–结构–性能一体化增材制造（MSPI-AM）概念内容

现在，设计和打印具有空间变化的微结构和性能的多材料组件（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在激光打印单体组件体积内成为可能。这些复杂结构（如整体式拓扑优化结构、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/微尺度到宏观尺度）。

Science主编以“跨尺度调控”为题，对该论文做了评述，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。”

■应用在航空航天的一体式金属组件的MSPI-AM实例

金属部件是航空、航天、汽车制造和能源生产等现代工业的基石。对高性能金属部件的严格要求，阻碍了材料选择和制造优化。基于激光技术的增材制造是技术创新和工业可持续性的关键战略技术。

随着工业制造中应用程序数量的增加，科学和技术挑战也在增加。由于激光增材制造具有逐域（例如逐点、逐行、逐层）的局部成形特性，因此印刷工艺和性能控制的必要条件包含6个以上数量级，从微观结构（纳米到微米级）到组件的宏观结构和性能（毫米到米级）。激光金属增材制造的传统路线从设计到构建遵循典型的“串联模式”，导致繁琐的试错方法为实现高性能目标带来了挑战。

■激光定向能量沉积和激光粉末床融合技术的简略介绍

目前，激光定向能量沉积（LDED）和激光粉末床融合（LPBF）代表了两种不同的激光金属增材制造技术。增材制造技术自上世纪80年代问世至今已有40年的历史，期间经历了3个发展阶段。1980年代至2000年前，增材制造主要应用于制作产品的外观模型，打印材料也仅限塑料；21世纪的头十年，随着机械化在行业的渗透速度加快，导致增材制造技术可应用于复杂结构件的制造；2010年至2020年间，在新材料、新结构和高性能、多功能需求的推动下，增材制造技术得到了进一步发展。