14位中國3D打印專家干貨綜述《增材制造路線圖：邁向智能化和工業(yè)化》

2022年2月18日，《中國機械工程學報：增材制造前沿》首期在ScienceDirect上線了,！Chinese Journal of Mechanical Engineering: Additive Manufacturing Frontiers (AMF) 首期共發(fā)表9篇文章。

本文,，南極熊帶您解讀,，由14位中國增材制造專家在該期刊上發(fā)表的首篇論文“增材制造路線圖：邁向智能化和工業(yè)化”，對增材制造的設(shè)計,、材料,、結(jié)構(gòu)、制造,、智能化,、生命結(jié)構(gòu)、極端尺寸和極端環(huán)境等進行了全面的綜述,，內(nèi)容十分干貨精彩,。作者為西安交通大學李滌塵教授、田小永教授團隊,；南京航空航天大學顧冬冬教授團隊,；西北工業(yè)大學林鑫教授團隊；清華大學林峰教授團隊,；華中科技大學宋波教授團隊,。

摘要

隨著過去 30 年增材制造 (AM) 技術(shù)的快速發(fā)展，增材制造已經(jīng)從原型制造轉(zhuǎn)向工業(yè)功能組件的先進制造,。增材制造工藝和設(shè)備的智能化和產(chǎn)業(yè)化可能是未來增材制造技術(shù)廣泛工業(yè)應(yīng)用的瓶頸,，本文重點闡述了這一點，目標是描述未來5到10年的技術(shù)研究路線圖,。根據(jù)增材制造技術(shù)工藝和價值鏈中的數(shù)據(jù)流,，分別闡述了設(shè)計方法、材料,、工藝和設(shè)備,、智能結(jié)構(gòu)以及在極端規(guī)模和環(huán)境中的應(yīng)用等方面的最新技術(shù)。每個部分都提供了一些關(guān)于增材制造技術(shù)研究和發(fā)展的潛在挑戰(zhàn)的建議,，這將最終為未來的工業(yè)創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)建立一個關(guān)鍵的技術(shù)平臺,。

1 . 簡介

增材制造（AM，也稱為3D打�,。┘夹g(shù)是一種將材料（包括液體,、粉末、線材或片材）連接起來,，從數(shù)字模型中構(gòu)建出三維物體的制造過程,，通常采用逐層的方式,。與銑削、車削等減材制造和鑄造,、鍛造等等材制造相比,，增材制造技術(shù)自1980年代出現(xiàn)以來發(fā)展周期較短，但在未來推動制造技術(shù)革命方面有著潛力的巨大,。目前,，在制造業(yè)尤其是中國，新產(chǎn)品開發(fā)創(chuàng)新能力嚴重不足已成為制約制造業(yè)發(fā)展的瓶頸,。增材制造可以快速高效地實現(xiàn)新產(chǎn)品的制造,，為產(chǎn)品研發(fā)提供有效途徑。此外,，增材制造可以降低制造業(yè)在資金和人員技術(shù)方面的門檻,，有助于促進制造業(yè)中的小微企業(yè)發(fā)展，激活社會智慧和資金資源,。此外,，增材制造為制造業(yè)革命和新產(chǎn)品的產(chǎn)生提供了巨大的機遇，可以實現(xiàn)制造業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整,，促進制造業(yè)向智能制造轉(zhuǎn)型[1],。

增材制造技術(shù)最重要的優(yōu)勢是釋放了材料選擇和結(jié)構(gòu)的設(shè)計自由，可以實現(xiàn)形狀可控和性能定制,。增材制造技術(shù)通過建立從材料到最終應(yīng)用的數(shù)據(jù)流,，成功實現(xiàn)了設(shè)計和制造過程的數(shù)字化，如圖1所示,。大多數(shù)處于不同狀態(tài)的工程材料都可以作為原材料在增材制造工藝中使用,，其中甚至可以通過原材料的微觀結(jié)構(gòu)和成分設(shè)計來設(shè)計和制備新的特性和性能。從微觀尺度到中觀和宏觀尺度,，增材制造技術(shù)為具有不同功能的復雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造帶來了重大機遇,，特別是在復雜的曲面、分層晶格和薄壁/空心結(jié)構(gòu)方面,。在復雜結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過尖端材料科學,、設(shè)計方法,、工藝和設(shè)備的支持，功能和智能結(jié)構(gòu)也可以實現(xiàn),。

圖1. 增材制造的路線圖示意圖

隨著過去30年增材制造技術(shù)的快速發(fā)展,，增材制造已經(jīng)從原型設(shè)計轉(zhuǎn)向工業(yè)中功能部件的先進制造。因此,，工藝和設(shè)備的智能化和工業(yè)化可能是未來增材制造技術(shù)廣泛工業(yè)應(yīng)用的瓶頸,。智能化增材制造技術(shù)可以通過閉環(huán)控制實現(xiàn)制造過程的無人化,、精確化和穩(wěn)定化。通過建立增材制造的工藝模型,，利用工藝數(shù)據(jù)庫和大數(shù)據(jù)分析技術(shù),，可以自動修正相應(yīng)的參數(shù)，這將是增材制造最關(guān)鍵的發(fā)展方向之一,。同時,，作為一項迅速崛起和發(fā)展的技術(shù)，增材制造還遠遠不能滿足傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)在大規(guī)模生產(chǎn)模式下的標準化和產(chǎn)業(yè)化要求,。在未來的工業(yè)化進程中,，增材制造可以實現(xiàn)單件、小批量,、大規(guī)模定制,，尤其是在環(huán)境和規(guī)模方面的極限制造，如圖1所示,。

為了突破增材制造技術(shù)在智能化和工業(yè)化方面的挑戰(zhàn),，本文根據(jù)增材制造技術(shù)從設(shè)計方法、材料,、工藝和設(shè)備,、結(jié)構(gòu)到工業(yè)應(yīng)用的過程和價值鏈的數(shù)據(jù)流，說明了先進的發(fā)展和技術(shù)路線圖,，如圖1所示,。本文強調(diào)了增材制造技術(shù)從數(shù)字化到智能化、創(chuàng)新到工業(yè)化的轉(zhuǎn)變,，旨在描述未來5到10年的技術(shù)研究路線圖,。每一節(jié)都為增材制造技術(shù)的潛在研究和開發(fā)課題提供了一些建議。

2. 設(shè)計方法論

增材制造實現(xiàn)了三維結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品的智能設(shè)計和制造自由,。為增材制造而設(shè)計已經(jīng)成為跨學科研究的新興領(lǐng)域,。一種被稱為拓撲優(yōu)化（TO）的計算機輔助設(shè)計方法被用來生成創(chuàng)新和復雜的結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出可調(diào)整的剛度,、分層特征和出色的輕質(zhì)性能[2, 3]通過拓撲優(yōu)化進行的部件整合被認為是另一種有利的設(shè)計策略,，將一個組件的多個部件組合成一個可打印的部件（圖2（a））。[4]. 此外,，多學科優(yōu)化在最近得到了解決,，設(shè)計結(jié)構(gòu)需要滿足多個目標并滿足相關(guān)的約束條件，如復雜的負載條件,、高耐熱性,、有限的應(yīng)力和位移（圖2（b）和圖2（c））。[5, 6]. 集成的增材制造驅(qū)動設(shè)計被引入到定制中,，以考慮典型的設(shè)計約束（例如,，圖2(d)-2(f)中的懸角）,。[7, 8]并利用工藝特點（如材料的各向異性、建筑方向和工藝參數(shù)）[9, 10],。先進的熱機械模擬用于預測加工后的溫度梯度和殘余應(yīng)力分布,，獲得的溫度或應(yīng)力場可用于促進拓撲優(yōu)化消除結(jié)構(gòu)變形[11]。如圖2(h)-2(k)所示,，通過拓撲優(yōu)化對微晶格和宏觀結(jié)構(gòu)進行分層設(shè)計,，與實體結(jié)構(gòu)相比，表現(xiàn)出突出的輕質(zhì)和機械性能,。此外,，還開發(fā)了一個數(shù)據(jù)驅(qū)動的拓撲優(yōu)化，結(jié)合了增材制造的工藝-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系,，實現(xiàn)了多個工藝參數(shù),、建筑方向和結(jié)構(gòu)配置的同時優(yōu)化[12, 13]�,；�于周期性��(gòu)造元素的集體響應(yīng)而非單個元素的材料表現(xiàn)出非凡的宏觀特性[14, 15],，可以通過兩種主流方法，即特設(shè)方法和拓撲優(yōu)化[16]建立,。



圖2. (a) 用于增材制造的飛機機翼Giga-voxel 拓撲優(yōu)化 [17]; (b) 用于復雜發(fā)動機設(shè)計的薄壁晶格填充物; (c) 用于耐熱結(jié)構(gòu)的雙梯度材料和功能設(shè)計; (d) 帶有支撐結(jié)構(gòu)的金屬承重框架[18],。(e)和(f)用于承重結(jié)構(gòu)的無支撐設(shè)計；(g)通過SLM對鈦合金進行分層設(shè)計,；(h),、(i)和(j)用于衛(wèi)星支架的實體晶格設(shè)計[10]；(k)具有連續(xù)晶格演變的分層設(shè)計[19] ,。
到目前為止,，在不久的將來仍然存在以下挑戰(zhàn)。

(1)結(jié)構(gòu)和多學科拓撲優(yōu)化仍然面臨著設(shè)計挑戰(zhàn)的出現(xiàn),。結(jié)構(gòu)設(shè)計的綜合優(yōu)化需要考慮極端載荷條件,，如寬帶振動、循環(huán)載荷下的材料疲勞,、極端高溫和強輻射,。需要實施外部載荷的多物理場建模，以加強和拓寬綜合優(yōu)化的視野,。所設(shè)計的組件保持必要的機械性能,，并擁有其他功能，如光學,、電磁、熱性能等,。引入多物理學驅(qū)動的體積設(shè)計,，將多尺度的特征和多類型的材料整合到數(shù)字化中,，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的功能融合。

(2)提出了知識庫驅(qū)動的方法來組織和管理增材制造驅(qū)動設(shè)計的密集數(shù)據(jù)趨勢,，這是智能設(shè)計和制造系統(tǒng)的一個重要方面[20],。這個知識庫包括配方/成分的材料數(shù)據(jù)庫、功能晶格單元庫,、工藝參數(shù)的組合等,，以及它們之間的關(guān)聯(lián)。這些信息可以從設(shè)計,、制造和評估的整個流程中追蹤到,。在增材制造中，材料-工藝-結(jié)構(gòu)-性能/功能的關(guān)系需要通過量化的物理模型或數(shù)據(jù)驅(qū)動模型來建立[21],。例如,，可以利用多物理過程模擬、人工智能以及機器學習算法來建立定量關(guān)系[22],。此后,，知識庫驅(qū)動的設(shè)計可以將這些關(guān)系與結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化充分結(jié)合起來，從而彌合理想設(shè)計原則與現(xiàn)實增材制造結(jié)構(gòu)之間的差距,。

(3)通過成本導向管理的產(chǎn)品生命周期將在先進的解決方案上得到解決,，它推薦零件的數(shù)字模型來主動補償預期的翹曲。在設(shè)計,、制造和服務(wù)壽命期間的真實數(shù)據(jù)流可以支持決策和面向成本的設(shè)計,。產(chǎn)品設(shè)計的迭代過程在數(shù)字系統(tǒng)中進行，將大大降低開發(fā)成本和時間消耗,。

(4)對于超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計,，實現(xiàn)自動設(shè)計是未來的趨勢。通過利用特設(shè)法和拓撲優(yōu)化法的優(yōu)勢,，模塊化設(shè)計為創(chuàng)造具有理想性能的超材料提供了一條新的途徑,。它從基于現(xiàn)有知識適當選擇的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)開始，因此可以節(jié)省計算時間,，耗時較少,，從而平衡設(shè)計性能和計算成本。

圖3. 智能增材制造的設(shè)計方法路線圖

3. 材料

由于可控的形狀和性能的內(nèi)在特點,，材料在所有的增材制造工藝中發(fā)揮著關(guān)鍵作用,。材料的要求受到創(chuàng)造原料的需要的影響，被制造者成功地加工,，加上后加工,，并表現(xiàn)出可接受的服務(wù)性能。如圖4所示，金屬,、聚合物,、陶瓷和天然材料已經(jīng)在不同的增材制造工藝中得到利用。在這些同質(zhì)材料系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,，已經(jīng)成功建立了異質(zhì)材料的增材制造工藝,，包括各種復合材料和多種材料，以獲得更高的性能,，更多的功能,，甚至定制的性能，包括例如阻燃聚合物,，直接金屬和陶瓷復合材料,。具有某些反應(yīng)特性的智能材料，如形狀記憶,，也被應(yīng)用于增材制造工藝,，以生產(chǎn)形狀或性能改變的結(jié)構(gòu)，即所謂的4D打印,。

圖4. 增材制造工藝中使用的材料系統(tǒng)

這種多樣性導致了材料的高度多樣化,。材料和材料加工的巨大挑戰(zhàn)是在更廣泛的材料多樣性中以較低的材料、機器,、加工和整理成本提高質(zhì)量,、工藝一致性、可重復性和可靠性,。以金屬材料系統(tǒng)為例,，如圖5所示。在過去幾年中,，基于金屬基增材制造的快速凝固特性,，越來越多的新材料被設(shè)計出來，擴大了增材制造中的材料范圍,。通過引入納米核素顆粒來控制凝固過程,，可以解決大柱狀晶粒和周期性裂紋的問題，制備的鋁合金呈現(xiàn)出無裂紋,、等軸,、細晶粒的微結(jié)構(gòu)[23, 24]。已經(jīng)報道了一種為增材制造量身設(shè)計的Fe19Ni5Ti（重量百分比）鋼,，其中納米沉淀和馬氏體轉(zhuǎn)變可以通過冷卻時間來控制[25],。為了處理鈦合金中的各向異性問題，設(shè)計了鈦銅合金,。這種合金具有較高的冷卻能力,，可以克服激光熔化區(qū)的高熱梯度的負面影響，并導致完全的等軸細粒化的微觀結(jié)構(gòu)[26],。此外,，鈦合金中元素的濃度可以通過增材制造中的原位設(shè)計方法來改變[27]。

圖5. (a)通過選擇性激光熔化加工的帶有納米顆粒的7075合金示意圖[23],；(b)定向能量沉積產(chǎn)生的Fe19Ni5Ti（wt%）樣品[25]；(c)Ti-8.5Cu合金的掃描電子顯微鏡特征[26]

為了彌補材料,、工藝,、結(jié)構(gòu)和性能以及各種性能之間的差距，仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn),。

(1)為了完善材料設(shè)計理論,，有必要根據(jù)增材制造的工藝特點來完善材料設(shè)計的理論體系和方法。材料基因組提供了新的可能性,。建立專業(yè)數(shù)據(jù)庫,，可以實現(xiàn)智能優(yōu)化材料選擇。通過建立成分,、工藝,、微觀結(jié)構(gòu)和性能之間的內(nèi)在關(guān)系，可以根據(jù)材料的性能設(shè)計出符合要求的微觀結(jié)構(gòu),。

(2)對于目標導向的材料設(shè)計策略,，應(yīng)從材料的服務(wù)角度出發(fā)，實現(xiàn)材料的多層次,、多因素設(shè)計,。對于結(jié)構(gòu)材料，要實現(xiàn)面向材料的增韌設(shè)計,；對于智能材料,，如形狀記憶聚合物和合金，要實現(xiàn)可控變形恢復設(shè)計,。

(3)對于智能復合材料,，自然界通過進化以有效的方式利用天然復合材料制造了生物系統(tǒng)，實現(xiàn)了多功能集成和智能化,。生物系統(tǒng)將傳感,、驅(qū)動、計算和通信緊密地結(jié)合在一起,，而利用復合材料可以實現(xiàn)類似原理的工程應(yīng)用,。先進復合材料的增材制造將提供一個有用的工具來實現(xiàn)跨尺度的智能復合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造。

4. 工藝與設(shè)備

為了在制造業(yè)中占得先機,，基于數(shù)字化制造支持系統(tǒng)的關(guān)鍵行業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型是可期的,。具有數(shù)字基因的增材制造需要在保持定制化優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，提高大規(guī)模生產(chǎn)效率、質(zhì)量控制和靈活性等方面的核心競爭力,。如圖6所示,，將高端機床和智能工業(yè)機器人引入增材制造設(shè)備架構(gòu)，將大大提升增材制造過程中傳感和控制的效率和自動化水平,。同時,，融入數(shù)字信息化的設(shè)備自動化是實現(xiàn)智能化的途徑�,；�于��(shù)據(jù),、軟件和網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)，結(jié)合多尺度建模和仿真,、機器學習和人工智能等先進技術(shù),，將更有效地把信息與物理過程聯(lián)系起來，激發(fā)新的制造能力,。


圖6. 基于先進設(shè)備和數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)的物理和數(shù)據(jù)驅(qū)動的增材制造框架的示意圖

關(guān)于設(shè)備結(jié)構(gòu),，機器人輔助增材制造是一個很有前途的系統(tǒng)，因為它在設(shè)計選擇上提供了額外的自由度,。多個機器人促進了多材料加工,，沒有尺寸限制，而且是以局部定制的方式[28],。通過將增材制造與減材或等材制造相結(jié)合的混合多任務(wù)工藝,，使得在單一的加工中修改內(nèi)部和外部特征成為可能[29]。此外,，在機器人傳感器或攝像機的幫助下,，增材制造可以通過在線識別和反饋實現(xiàn)自主路徑規(guī)劃和原位參數(shù)調(diào)整[30]。然后,，關(guān)于增材制造數(shù)字生態(tài)系統(tǒng),，物理學和數(shù)據(jù)驅(qū)動的框架可以識別工藝-結(jié)構(gòu)-屬性（p-s-p）關(guān)系，擺脫試錯負擔[31],。物理驅(qū)動的建模和模擬可以找出多尺度上的工藝和結(jié)構(gòu)的基本物理學[32],。而數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法，利用數(shù)據(jù)挖掘算法,、機器學習和人工智能,，可以探索增材制造輸入和輸出之間的相關(guān)性，而不需要明確的物理解釋,。數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法在快速預測,、過程優(yōu)化，特別是反饋控制的實時診斷中受到青睞[33],。另外,，通過結(jié)合物理學和數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法,，物理學信息數(shù)據(jù)科學因可解釋性和快速性的優(yōu)勢而變得有吸引力[34]。利用上述數(shù)字工具創(chuàng)建一個數(shù)字雙胞胎,，包括機械,、統(tǒng)計和控制模型，以智能和成本效益的方式鑒定和認證增材制造產(chǎn)品[35],。

增材制造智能化改造仍處于早期探索階段,。未來與增材制造硬件和軟件的工業(yè)化相一致的幾個行動包括以下內(nèi)容（圖7）。

圖7. 與工藝和設(shè)備的增材制造智能改造相一致的未來行動

(1)開發(fā)多機器人合作下的混合增材制造解決方案,。結(jié)合各種加工技術(shù)的優(yōu)勢,，以增材制造為核心的混合制造在多材料、多結(jié)構(gòu)和多功能的制造方面顯示出前景,。與其他工藝或能源相結(jié)合的增材制造框架依賴于工藝鏈的整合。有關(guān)多物理效應(yīng)對零件特征的影響機制和不確定性的知識差距值得解決,。此外,，混合制造需要精確地協(xié)作控制機床或機器人，以管理各個部分,。設(shè)備制造商應(yīng)致力于提出關(guān)于機器人系統(tǒng)和增材制造設(shè)備之間的數(shù)據(jù)互操作性和互通性的合適的數(shù)據(jù)編譯器和標準,，從而創(chuàng)造一個可行的混合-增材制造解決方案。

(2)改善監(jiān)測和傳感設(shè)備的功能和整合,。增材制造期間的處理信號涉及視覺,、光譜、聲學和熱學,。多個傳感器的疊加不僅引起了設(shè)備的復雜性和可靠性的降低,，而且由于各種數(shù)據(jù)類型的非統(tǒng)一結(jié)構(gòu)，也給數(shù)據(jù)處理和自動控制帶來困難,。因此,，多功能單體設(shè)備將顯著提高監(jiān)測和傳感設(shè)備在工業(yè)領(lǐng)域的普及率；同時,，通過與數(shù)據(jù)預處理軟件的耦合,，將提高物理建模、過程優(yōu)化和閉環(huán)控制中的數(shù)據(jù)可用性,。

(3)將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合到增材制造數(shù)字孿生中,。智能化增材制造與連接分布式人員、機器和材料的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是分不開的,。數(shù)字孿生的核心是模型和數(shù)據(jù),，但對于眾多增材制造企業(yè)來說，數(shù)字孿生的建設(shè)和使用具有較高的技術(shù)和成本門檻,。幸運的是,，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可以解決上述問題,，從而通過云DT平臺共享和分析數(shù)據(jù)和模型。學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界可以分別從云DT中獲取數(shù)據(jù)和模型,，從而實現(xiàn)常態(tài)化的產(chǎn)學研合作機制,。

(4)支持建立和完善增材制造數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)。旨在將先進設(shè)備或技術(shù)（如過程監(jiān)控,、信息感知,、機器學習人工智能、數(shù)據(jù)庫等）融入增材制造數(shù)字化制造生態(tài)系統(tǒng),，增材制造研發(fā)項目的持續(xù)開展需要國家層面的政策支持,。由工業(yè)界和學術(shù)界共同提出的指導意見將促進新的增材制造硬件/軟件向數(shù)字化設(shè)計和智能控制的過渡。

5. 智能結(jié)構(gòu)

在過去的幾十年里,，我們目睹了對智能,、集成和多功能結(jié)構(gòu)的需求不斷增加，這些結(jié)構(gòu)具有復雜的內(nèi)部配置,。因此,，在智能部件的工業(yè)化進程中，制造困難一直是最棘手的障礙之一,。增材制造已經(jīng)成為一種強大的技術(shù),，可以戰(zhàn)略性地整合傳感、執(zhí)行,、計算和通信功能,。一個例子是最近關(guān)于纖維增強復合材料的3D打印的創(chuàng)新[36], [37], [38], [39]，它可以集成制造分層和中空的結(jié)構(gòu),，具有輕質(zhì),、高強度和低成本的優(yōu)勢。

基于增材制造技術(shù),，超材料可以構(gòu)造和制造出具有不同尋常的機械[14],、光學、聲學或熱學性能的材料,，圖8(a)顯示了一個具有負泊松比的人造皮膚,，可以大大提高恢復速度，減少受傷部位的疼痛感[40],。此外,，增材制造的巨大材料兼容性促進了先進材料的產(chǎn)業(yè)化，如形狀記憶聚合物,、液晶彈性體,、水凝膠等，這些材料很難通過傳統(tǒng)的制造技術(shù)制成原型,。傳遞或處理信息的3D打印結(jié)構(gòu)也被報道為新型電子產(chǎn)品,。例如,，金屬基油墨的直接書寫和表面貼裝電子元件的取放被結(jié)合在一個軟性電子設(shè)備的制造平臺中（圖8(b)）。[41]. 通過操縱電荷,，人們提出了一種新的方法,，在任意的三維布局中沉積包括金屬和半導體在內(nèi)的功能材料，以創(chuàng)造混合電子設(shè)備（圖8(c) [42]. 此外,，增材制造技術(shù)已經(jīng)賦予結(jié)構(gòu)以傳感能力,，通常是基于電子元件。例如,，一個帶有嵌入式壓阻應(yīng)變傳感器的組織培養(yǎng)裝置可以在多材料增材制造程序中被制造出來,，以監(jiān)測心臟組織的收縮[43]。除了上述結(jié)構(gòu)顯示出不變的性能外,，對環(huán)境刺激有動態(tài)反應(yīng)的智能設(shè)備,，包括可重新配置和重新編程的形狀（圖8（d））。[44],、剛度和光學性能可以通過4D打印工藝實現(xiàn),。相關(guān)的應(yīng)用包括可自行部署的設(shè)備、藥物輸送,、體感執(zhí)行器等。


圖8. 具有各種功能的智能結(jié)構(gòu),。(a)具有熱收縮性能的人造皮膚[40],；(b)結(jié)合金屬墨水的直接書寫和電子元件的取放的增材制造平臺[41]；(c)導電和功能材料的電荷編程增材制造[42],；(d)形狀可轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的4D打印[44] ,。

盡管用于構(gòu)建智能結(jié)構(gòu)的增材制造技術(shù)發(fā)展迅速，但仍有一些挑戰(zhàn)需要克服,，如圖9所示,。

圖9. 增材制造技術(shù)在開發(fā)智能結(jié)構(gòu)方面遇到的挑戰(zhàn) [44-50]

(1)除了3D和4D打印，增材制造系統(tǒng)現(xiàn)在的目標是融合不同的物理領(lǐng)域和nD（nD）打印,，用于復雜的多尺度結(jié)構(gòu),，在有效結(jié)合傳感和執(zhí)行能力的基礎(chǔ)上對刺激作出動態(tài)反應(yīng)。

(2)與增材制造兼容的材料庫應(yīng)該被擴大,，以包括更多獨特的功能,，而智能增材制造工藝和設(shè)備被高度期待，以精確制造這些材料的多材料結(jié)構(gòu),。開發(fā)高精度的噴嘴和提高不同材料之間的界面兼容性是關(guān)鍵的研究目標,。

(3)由于未來的工作環(huán)境可能包括外太空、深海,、火山等,，3D打印的結(jié)構(gòu)應(yīng)該在極端條件下的多物理場中具有堅固性和適應(yīng)性,。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計之初就應(yīng)考慮不同的工作條件,。通過處理這些困難,，增材制造正朝著一個智能系統(tǒng)的方向發(fā)展，該系統(tǒng)集成了原位診斷,、靈活控制,、全生命周期設(shè)計和自動原型制作。

6. 生命結(jié)構(gòu)

器官是復雜的結(jié)構(gòu),，細胞和細胞外基質(zhì)在其中相互作用而發(fā)展和運作,。由于其形成復雜結(jié)構(gòu)和材料組成（包括細胞和生物材料）的杰出能力，增材制造技術(shù)在模仿器官的復雜系統(tǒng)方面具有巨大潛力[51],。早期研究3D打印的假體和可生物降解的支架不涉及任何細胞,，而越來越多的研究采用活細胞來3D打印結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)生物功能的生長,。獲得的活體結(jié)構(gòu)可以被植入人體,，以修復/替代有缺陷的組織/器官，它們可以被用作體外生物模型,，比二維細胞培養(yǎng)模型更準確地再現(xiàn)生理條件,。

材料和加工方面的技術(shù)進步大大增強了我們以更精確和有效的方式模仿器官和豐富功能的能力。在材料方面,，基于納米材料[52, 53]和聚合物[54]的導電生物材料已被開發(fā)用于增材制造,，它授予具有類似于大腦和心臟的電活動的活體結(jié)構(gòu)。對物理[55, 56],、化學[57]或生物[58]刺激有反應(yīng)的生物材料也已被打印出來,，為細胞形成動態(tài)的微環(huán)境。在加工方面,，嵌入式打印技術(shù)直接將軟質(zhì)細胞外基質(zhì)和細胞沉積在支持性緩沖器中,，這使得軟質(zhì)細胞外基質(zhì)和細胞的多尺度構(gòu)建能夠形成復雜的器官模型，如心臟（圖10（a））,。[59]. 基于光聚合的增材制造技術(shù)也得到了加強,，使用適當?shù)墓馕�收器可以實現(xiàn)水凝膠的高分辨率投影立體光刻（圖10（b））。[60]以及通過動態(tài)照亮一個旋轉(zhuǎn)的充滿細胞的光敏水凝膠儲庫來實現(xiàn)快速體積打�,。▓D10(c) [61]. 對于精確的單細胞打印,，已經(jīng)開發(fā)了一個結(jié)合了3D打印機和小型化微流控分揀機的制造平臺，以從細胞混合物中沉積出單個細胞[62],。作為先進的生物模型,，3D打印的活體結(jié)構(gòu)被用于芯片上的器官裝置等產(chǎn)品中，并被證明有可能改變生物醫(yī)學研究和制藥業(yè),。三維打印的肝臟模型在肝臟特異性轉(zhuǎn)錄因子的表達方面超過了其二維和三維體的對應(yīng)物[63],。同樣,，3D打印的多細胞膀胱腫瘤模型支持識別腫瘤進展的重要分子基礎(chǔ)[64]。


圖10. 活體結(jié)構(gòu)的增材制造技術(shù)的代表性進展,。(a) 懸浮浴中基于擠出的三維生物打印可以制造人類心臟模型[59],；(b) 高分辨率立體光刻打印具有血管化肺泡模型拓撲結(jié)構(gòu)的可光聚合水凝膠[60]；(c) 載有細胞的水凝膠的體積三維生物打印可以快速制造活體組織構(gòu)造[61] ,。

在未來,，活體構(gòu)造的增材制造可以大大改善生物醫(yī)學的應(yīng)用，并可能創(chuàng)新出高級生物智能的產(chǎn)品（圖11）,。例如,，增材制造技術(shù)可能進一步將細胞與執(zhí)行和傳感材料整合起來，形成活體機器,，在人體內(nèi)移動和工作,，用于基于細胞的治療和藥物輸送等應(yīng)用。伴隨著巨大的前景,，3D打印的活體結(jié)構(gòu)在走向智能化和商業(yè)化時需要解決多方面的挑戰(zhàn),。

圖11. 實現(xiàn)生物智能的增材制造技術(shù)路線圖，用BioRender.com創(chuàng)建

(1)技術(shù)挑戰(zhàn),。3D打印的活體結(jié)構(gòu)在建筑和功能的復雜性方面還沒有完全與本地器官相匹配,。在制造復雜的多尺度結(jié)構(gòu)時，增材制造技術(shù)應(yīng)實現(xiàn)更高的空間分辨率和更高的效率,，并且需要更多與增材制造技術(shù)兼容的功能性生物材料,。

(2)跨學科的挑戰(zhàn)。有效控制3D打印結(jié)構(gòu)內(nèi)的細胞發(fā)育,，為成功應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。對于植入式活體結(jié)構(gòu)的生物智能,，活體結(jié)構(gòu)和人體之間的互動和溝通應(yīng)該進一步建立,。因此，需要機械工程師,、生物工程師,、生命科學家和臨床醫(yī)生之間的緊密合作，根據(jù)對具體應(yīng)用的生物醫(yī)學見解設(shè)計制造策略,。

(3)監(jiān)管和倫理方面的挑戰(zhàn),。3D打印的活體構(gòu)造物構(gòu)成了生物醫(yī)學產(chǎn)業(yè)中的一類新產(chǎn)品，受到高度監(jiān)管并涉及倫理問題,。3D打印活體構(gòu)建物的商業(yè)化需要一套系統(tǒng)的,、基于科學的法規(guī)，專門為這些產(chǎn)品設(shè)計,，以解決醫(yī)療和倫理影響方面的潛在問題,。

7. 極端尺寸和極端環(huán)境

增材制造具有豐富的科學和技術(shù)內(nèi)涵,，涉及機械、材料,、計算,、自動化控制和其他先進技術(shù)。由于其設(shè)計自由,、快速成型,、浪費少以及能夠制造具有獨特性能的復雜結(jié)構(gòu)的特點，它在航空航天,、生物醫(yī)學,、汽車、核能和建筑行業(yè)帶來了革命性的應(yīng)用,。作為 "中國制造2025 "和 "中國十四五規(guī)劃 "等中國國家戰(zhàn)略中關(guān)鍵的工業(yè)技術(shù),，增材制將極大地促進和引領(lǐng)中國智能制造的升級和發(fā)展。

增材制造的發(fā)展主要從兩個極端尺度出發(fā)：一個是微/納米尺度,，即實現(xiàn)微米和納米尺寸的精細3D打�,。涣硪粋�是宏觀尺度,，即實現(xiàn)大尺寸和高速3D打印,。以雙光子聚合為代表的微/納米尺度3D打印，由于克服了照明的光學極限,，能夠以亞波長的空間分辨率打印納米結(jié)構(gòu),，打印精度小于100納米[65]。這種高精度的復雜納米結(jié)構(gòu)大大拓寬了在超材料和光電子學方面的應(yīng)用,。另一方面,，大尺寸混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場打印需要機械工程、混凝土技術(shù),、數(shù)據(jù)管理和施工管理的混合,。第一個物理演示，通過多個移動機器人同時打印大型混凝土結(jié)構(gòu),，將擴展建筑和施工行業(yè)的設(shè)計和打印規(guī)模[66],。在航空航天領(lǐng)域，繼打印中國首架國產(chǎn)C919飛機的主風擋窗框和中央法蘭盤等大型復雜鈦合金結(jié)構(gòu)件之后,，中國又成功打印了世界上第一個重型運載火箭上10米級別的高強度鋁合金連接環(huán)[67],。這些突破克服了大尺寸結(jié)構(gòu)在打印過程中的結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力控制問題，為中國航天工程的快速發(fā)展提供了技術(shù)支持,。美國的一家初創(chuàng)公司Relativity Space的目標是制造一個幾乎完全3D打印的帶有冷卻通道的火箭,，將1250公斤的火箭升入低地球軌道[68]。這些由機器人手臂建造的大型金屬打印項目，由于零件少了100倍,，生產(chǎn)時間快了10倍,，沒有固定的收費和簡單的供應(yīng)鏈，正在顛覆60年來的航空航天業(yè)[69],。

增材制造的實際應(yīng)用往往在以下方面受到挑戰(zhàn),。

(1)極端環(huán)境，如極端溫度和壓力,、強輻射和微重力,。2020年，NASA完成了液體火箭發(fā)動機3D打印雙金屬燃燒室的重要材料表征和測試,，同時進行了點火測試,，證明了雙金屬燃燒室在惡劣溫度和壓力下的多功能性和生存能力[70]。自2014年國際空間站配備3D打印設(shè)備后,，中國也在2020年成功完成了首次微重力空間的3D打印測試[71],。這個世界上第一個連續(xù)碳纖維增強聚合物復合材料的在軌3D打印測試使研究人員能夠檢查材料的成型過程，更好地說明微重力對相關(guān)材料和結(jié)構(gòu)機制的影響,。3D打印不僅有助于國際空間站上現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)設(shè)施,，而且使長時間的航天飛行、太空探索和殖民化更加方便和可持續(xù),。微/零重力,、宇宙輻射、晝夜溫差大等極端環(huán)境條件對利用月球或火星雷石進行原位打印有很大影響,。

圖12. 3D打印的應(yīng)用：極端規(guī)模和極端環(huán)境,。(a)雙光聚合3D打印工藝和二氧化硅打印晶格晶體示意圖[65]；(b)中國和美國打印的超大型金屬部件[67,，68],；(c)3D打印的雙金屬室的點火測試[70]；(d)世界首次在太空中3D打印連續(xù)碳纖維增強聚合物復合材料[71]

(2)在月球和火星上3D打印棲息地的另一個挑戰(zhàn)是開發(fā)相關(guān)的空間機器人和自動化技術(shù),。需要開發(fā)優(yōu)秀的抗輻射和抗熱的電子設(shè)備和結(jié)構(gòu)材料來適應(yīng)這樣的極端環(huán)境,，多傳感器集成和數(shù)據(jù)融合可能是未來無人系統(tǒng)探索的關(guān)鍵技術(shù)。太空增材制造需要 "觀察-定向-決定-行動 "的控制系統(tǒng)的獨特循環(huán),，以實現(xiàn)制造過程的自適應(yīng)控制和監(jiān)測,。

(3)為了加快3D打印的數(shù)字化進程,，智能增材制造領(lǐng)域最令人興奮的前沿領(lǐng)域之一是數(shù)字雙胞胎的概念[72],。通過整合對實時物體的智能傳感、大數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析以及機器學習能力,，數(shù)字雙胞胎在以下方面顯示出巨大的潛力：
（1）3D打印新產(chǎn)品的高效設(shè)計,；
（2）針對極端使用場景和環(huán)境的增材制造生產(chǎn)計劃；
（3）對3D打印操作數(shù)據(jù)和最終高質(zhì)量的捕捉、分析和行動,。

8. 未來展望

面對未來,，增材制造技術(shù)將進一步向智能化和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。增材制造是一個極其復雜的系統(tǒng),，涉及多因素,、多層次、多尺度,，耦合了材料,、結(jié)構(gòu)、各種物理和化學領(lǐng)域,。有必要結(jié)合大數(shù)據(jù)和人工智能對這一極其復雜的系統(tǒng)進行研究,，并在增材制造多功能集成優(yōu)化設(shè)計的原理和方法上取得突破。通過發(fā)展主動可控形狀的智能增材制造技術(shù),，為未來的增材制造技術(shù)實現(xiàn)材料,、工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計,、產(chǎn)品質(zhì)量和服務(wù)效率的飛躍式提升打下充分的科技基礎(chǔ),。具有自我采集、自我建模,、自我診斷,、自我學習和自我決策能力的智能增材制造設(shè)備是未來增材制造技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。應(yīng)開展增材制造技術(shù)與材料,、軟件,、人工智能、生命和醫(yī)藥科學的跨學科研究,，實現(xiàn)重大原創(chuàng)性技術(shù)創(chuàng)新,。增材制造的應(yīng)用應(yīng)擴展到并集中在新能源、航空航天,、健康,、建筑、文化創(chuàng)意以及導航,、核電等其他領(lǐng)域,。

未來，增材制造技術(shù)將朝著制造四維智能結(jié)構(gòu),、生命體,，以及材料、結(jié)構(gòu),、功能一體化的部件方向發(fā)展,，為形狀和性能可控提供新的技術(shù)方法，為產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)提供技術(shù)平臺。發(fā)展增材制造應(yīng)遵循 "以應(yīng)用開發(fā)為導向,，以技術(shù)創(chuàng)新為動力,，以產(chǎn)業(yè)發(fā)展為目標 "的原則[1]。應(yīng)建立合理的增材制造行業(yè)標準體系,，結(jié)合云制造,、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)和智能制造系統(tǒng),，推動增材制造工藝和裝備的全面創(chuàng)新和應(yīng)用,，這對實現(xiàn)制造技術(shù)的跨越式發(fā)展具有重要意義。


原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cjmeam.2022.100014


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