2021年5月28日，國際著名學術期刊《Science》發表了我校伟德国际1946官网、江蘇省高性能金屬構件激光增材制造工程實驗室顧冬冬教授團隊的研究綜述論文《材料–結構–性能一體化激光金屬增材制造》（Dongdong Gu*, Xinyu Shi, Reinhart Poprawe, David L. Bourell, Rossitza Setchi, Jihong Zhu, Material-structure-performance integrated laser-metal additive manufacturing. Science 2021, 372, eabg1487）。标志着我校在基礎研究和重大成果方面取得新突破。我校是本文第一署名單位，顧冬冬教授為本文第一作者和通訊作者。
同期Science主編以“跨尺度調控”為題，對論文做了亮點評述，認為“激光增材制造有望變革零部件的設計方式。顧等人建議将串聯式設計和成形構件的增材制造策略，變革至更為整體性的方法來優化金屬構件。這種更為綜合的方法将有助于減少制造所需的工序數量，并擴大可用于最終應用零部件的結構類型。”
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。高性能金屬構件多服役于極端嚴苛環境，故對構件的選材、制造工藝、性能/功能均提出了嚴峻挑戰。激光增材制造（3D打印）技術是當前世界科技強國競相發展的一項戰略性關鍵核心技術，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。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，這是其核心科學挑戰。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複雜，激光增材制造精确成形需反複試錯，造成金屬構件高性能目标實現困難。
為對應上述挑戰，本文提出了“材料–結構–性能一體化增材制造”（MSPI-AM）這一整體性概念，其概念性創新在于：變革傳統的串聯式增材制造路線，發展新的材料–結構–工藝–性能一體化“并行模式”，在複雜整體構件内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。
材料–結構–性能一體化增材制造（MSPI-AM）的概念及内涵
為明晰“材料–結構–性能一體化增材制造”的科學内涵與技術途徑，本文面向下一代空間探測器着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，創新發展鱗腳蝸牛殼的層狀複合結構、水蜘蛛的水泡構型、多孔蜂窩等仿生結構，并基于陶瓷/金屬梯度複合材料、碳納米管增強金屬基複合材料等多材料設計與布局，實現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。
多功能整體構件的材料–結構–性能一體化激光增材制造：以下一代空間探測着陸器“大底”構件為例
本文定義了“材料–結構–性能一體化增材制造”的兩大特征及其内涵。其一是“适宜材料打印至适宜位置”，從合金和複合材料内部多相布局、二維和三維梯度多材料布局、材料與器件空間布局3個複雜度層級，揭示了多材料構件激光增材制造的科學内涵、成形機制與實現途徑；其二是“獨特結構打印創成獨特功能”，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别将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内最合适的位置，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。
材料–結構–性能一體化增材制造的特征之一：适宜材料打印至适宜位置
材料–結構–性能一體化增材制造的特征之二：獨特結構打印創成獨特功能
本文建立了“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緻密化工藝控制、宏觀尺度的構件結構與性能精确協調。本文進一步對“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。
高性能/多功能金屬構件材料–結構–性能一體化激光增材制造的跨尺度形性調控機制
本文研究工作獲得國家自然科學基金重點項目（51735005）、國家重點研發計劃（2016YFB1100101）、國家自然科學基金創新研究群體項目（51921003）等項目資助。
