增材制造路线图：迈向智能化和工业化（下）

2022年2月18日，《Chinese Journel of Mechanical Engineering : additive Mangacturing Frontiers》的首篇论文《Roadmap for Additive Manufacturing: toward Intellectualization and Industrialization》（《增材制造路线图：迈向智能化和工业化》）”在ScienceDirect上线。14位中国增材制造专家对增材制造的设计方法、材料、工艺和设备、智能结构、生物结构以及在极端规模和环境中的应用进行了全面的综述，旨在描述未来5~10年的技术研究路线图。作者为西安交通大学李涤尘、田小永教授团队；南京航空航天大学顾冬冬教授团队；西北工业大学林鑫教授团队；清华大学林峰教授团队；华中科技大学宋波教授团队。

上一期，我们为您带来设计方法、材料、工艺和设备的精彩内容（点击链接跳转精彩内容）。本周我们将继续带您了解14位中国增材制造专家对增材制造的智能结构、生物结构以及在极端规模和环境中的应用方面的精彩内容。

01 增材制造智能结构

发展现状

1、增材制造已经用于战略性地集成传感、驱动、计算和通信功能。比如纤维增强复合材料的3D打印使得分层和中空结构的集成制造具有重量轻、强度高和成本低的优点。

2、超材料。非常规的机械、光学、声学或热性能。

3、形状记忆聚合物、液晶弹性体、水凝胶先进材料。如传输或处理信息的新型3D打印电子设备、基于电气组件的具有感测能力的结构、监测心脏组织收缩的组织培养装置、对环境刺 激具有动态响应的智能设备。

未来方向

1、融合不同的物理场和n维(nd)打印，用于复杂的多尺度结构，基于传感和驱动能力的有效组合对刺 激做出动态响应。

2、更多独特功能的材料。智能增材制造工艺和设备来精确地制造这些材料的多材料结构。

3、在极端条件下的多物理领域中具有鲁棒性和适应性。因此，在结构设计之初，就应该考虑各种不同的工作条件，集成在线诊断、柔性控制、全生命周期设计和自动原型制造的智能系统。

02 增材制造生物结构

发展现状

1、不涉及细胞的3D打印假体和生物可降解支架。

2、活细胞3D打印结构，可以被植入以修复/替换人体中的缺陷组织/器官。

3、导电生物材料和聚合物已经被开发出来，响应物理、化学和生物刺 激。各种生物打印工艺也在不断发展，如嵌入式打印技术直接将软细胞外基质和细胞沉积在支持缓冲液中，基于光聚合的增材制造技术实现水凝胶储器快速打印，精确的单细胞打印等等。

未来方向

1、技术挑战。3D打印的活体结构在结构和功能复杂性方面还不能完全匹配天然器官。增材制造技术在构建复杂的多尺度结构时需要更高的空间分辨率和效率，因此需要更多与增材制造兼容的功能生物材料。

2、跨学科挑战。有效控制3D打印结构内的细胞发育为成功应用奠定基础。对于植入的活体结构的生物智能，应该进一步建立活体结构和人体之间的相互作用和联系。因此，需要机械工程师、生物工程师、生命科学家和临床医生之间的密切合作，根据对特定应用的生物医学见解来设计制造策略。

3、监管和伦理挑战。3D打印活体构造构成了生物医学行业中一组新的产品，这些产品受到高度监管并涉及伦理问题。3D打印活体构造的商业化需要一套系统的基于科学的法规，专门为这些产品设计，以解决潜在的医学和伦理影响问题。

03 增材制造极端规模和极端环境

发展现状

1、微/纳米尺度。以双光子聚合为代表的微纳米尺度三维打印，由于克服了照明的光学极限，能够以亚波长空间分辨率打印纳米结构，打印精度小于100纳米。这种高精度的复杂纳米结构极大地拓宽了其在超材料和光电子领域的应用。

2、宏观尺度。大尺寸混凝土结构的现场打印需要机械工程、混凝土技术、数据管理和施工管理的结合。国产C919飞机主风挡窗框、中央翼缘，重型运载火箭10 m级别的高强度铝合金连接环，这些突破克服了大尺寸结构在打印过程中的结构变形和应力控制，为我国航天工程的快速发展提供了技术支撑。美国一家初创公司相对论空间公司的目标是制造一种几乎完全3D打印的火箭，带有冷却通道，可将1250公斤重的物体送入近地轨道。

未来方向

1、极端温度和压力、强辐射、微重力等极端环境。如微/零重力、宇宙辐射、昼夜温差大等极端环境条件下的月球或火星原位打印。

2、开发相关的太空机器人和自动化技术。为了适应这种极端环境，需要开发优良的抗辐射和耐热电子器件和结构材料，多传感器集成和数据融合可能是未来无人系统探索的关键技术。空间敏捷制造需要控制系统“观察-定位-决策-行动”的独特循环，以实现制造过程的自适应控制和监控。

3、加速3D打印的数字化，利用数字孪生技术高效设计3D打印新产品，针对极端使用场景和环境的生产规划。

面向未来，增材制造技术将进一步向智能化和产业化发展。增材制造是一个极其复杂的系统，涉及多因素、多层次和多尺度，耦合材料、结构、各种物理和化学领域。有必要结合大数据和人工智能对这一极其复杂的系统进行研究，实现增材制造多功能集成优化设计原理和方法的突破。通过开发形状主动可控的智能增材制造技术，可以为未来增材制造技术在材料、工艺、结构设计、产品质量和使用效率等方面的跨越式提升提供充分的科技基础。具有自采集、自建模、自诊断、自学习、自决策能力的智能增材制造设备是未来增材制造技术大规模应用的重要基础。开展增材制造技术与材料、软件、人工智能、生命医学等学科的交叉研究，实现重大原始技术创新。

推荐|“增材思维 数智未来”系列文章

1. 挑战与机遇并存：增材制造的数字化智造未来

2. 数字化制造的技术引擎，3D打印是否低碳？

3. 自动化时代，人工智能如何改变设计