航天发射、航空运载时使用的高端装备，其性能很大程度上依赖构件的高性能，而这些高性能金属构件的服役环境极端苛刻，因此对构件选材、制造工艺、性能和功能等要求极高。
　　对于那些难以加工的金属构件，激光增材制造（Laser Additive Manufacturing，LAM）技术可满足其短周期、高精度、高性能制造等需求。
　　但是，激光增材制造也面临着一个核心挑战，其逐点逐域的局部成形特性，使得工艺过程和成形性能会涉及到宏观-介观-微观等起码6个数量级的大跨尺度形性协调。
　　在传统增材制造中，一般采用结构设计-材料选择-加工工艺-实现性能的“串联式路线”。但是，材料、结构和工艺这些因素杂糅起来，会导致耦合规律复杂。因此，在高性能金属构件的制备中，往往需要反复试错才能精确成形。
　　例如，行星着陆器的“大底”部件的传统加工制造，一般要经过多种工艺步骤的不断尝试和耦合，目前仍面临着结构选择和材料选择有限、过程复杂、性能和功能不足等局限。
　　近日，南京航空航天大学材料科学与技术学院顾冬冬教授革新传统串联式的增材制造路线，并提出“材料-结构-性能一体化增材制造”（MSPI-AM）的概念，从而实现在复杂整体构件内部，同步实现多材料设计与布局、多层级结构创新与打印，最终可实现相关构件的高性能和多功能。
　　他表示，金属零件可同时满足多种需求，已成为业内的盼望之一：即某个零件能在不同位置、使用不同材料、打印不同结构，最终实现不同功能。例如有的部位能耐热，有的部位能承重，而MSPI-AM恰恰可以实现该功能。
　　据悉，基于MSPI-AM策略，可并行设计多种材料、多类新结构和相应的3D打印工艺，且具备相互兼容性，可给激光-金属的一体化增材制造提供系统性解决方案。
　　5 月28 日，顾冬冬教授在Science发表题为《材料-结构-性能一体化激光金属增材制造》的论文（Material-structure-performance integrated laser-metal additive manufacturing），顾教授担任第一作者和通讯作者，这也是南航发表的第一篇CNS正刊论文。
　　虽然是一个零件但是不同部位有不同功能
为证明该制造方式的合理性。“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，顾冬冬验证了“并行模式”的金属整体结构3D打印的可行性。
　　为了验证本次方法的合理性，顾冬冬面向下一代空间探测器着陆器系统的发展趋势，就隔热/防热、减震抗冲击、空间抗辐射等需求，设计与布局了鳞脚蜗牛壳的层状复合结构、水蜘蛛的水泡构型、多孔蜂窝等仿生结构。
　　研究中，该团队设定了一个目标——让未来探测器的着陆器可实现隔热、能减震、抗冲击和抗空间辐射，并从自然界中的昆虫和动植物获得灵感，构想出了空间着陆器的“大底”构件。
　　具体来说，顾冬冬主要参考了三种生物的结构，分别是鳞脚蜗牛壳、水蜘蛛和蜂窝。其中，生活在海底热泉附近的鳞脚蜗牛的外壳非常硬，并且是一种层状复合结构，给未来空间着陆器“大底”构件布局上这种结构，空间着陆器就能像盔甲一样坚固，此外还可隔热防热。
　　给空间着陆器“大底”设计减震结构时，顾冬冬参考了水蜘蛛的结构，这种蜘蛛会自行在水底造“房子”，房子外观呈水泡形，“房子”墙壁由水草和蜘蛛丝连接而成，可承受不同方位和不同流速的水流冲击。
　　据此，顾冬冬设计了空间着陆器“大底”部的减震结构，和水蜘蛛“房子”一样，该减震结构中纵横交错着“蜘蛛丝”，从而可给予空间着陆器减震抗冲击的功能。
　　空间着陆器“大底”的表面设计，参考了蜂窝结构，上面附着一层多孔蜂窝状的高温结构材料，当空间着陆器和大气摩擦时，这种设计可避免引起烧损。
　　此外，他还基于碳纳米管增强金属基复合材料、陶瓷/金属梯度复合材料等材料，实现了仿生多材料整体构件的MSPI-AM，相关高性能和多功能也可以得以实现。
　　以铝合金为例，凭借质量轻的优点，它在航空航天领域有着广泛应用。但在该领域，铝合金的熔点并不算高，只有600多摄氏度，因此难以在空间着陆器着陆时承受高温。为此，顾冬冬在相关材料中添加了熔点接近3000摄氏度的二硼化钛陶瓷，从而提高空间着陆器的耐热性。
　　在适宜位置打印适宜的材料为独特功能打印独特的结构
研究中，顾冬冬还定义了MSPIAM的两大特征及其内涵。MSPI-AM第一个特征，是“在适宜的位置打印适宜的材料”。顾冬冬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等入手，将多材料构件激光增材制造的科学内涵、成形机制与实现途径一一展现。
　　MSPI-AM的第二个特征是“为独特的功能打印独特的结构”。借助该特征，他发现拓扑优化结构、点阵结构、仿生结构增材制造这三种的典型结构创新设计的本质，是分别将优化设计后的材料和孔隙、天然优化的结构、以及最少的材料打印到最合适的位置。
　　随后，基于上述三种结构创新设计和增材制造，他提出了实现轻量化的、可承载的、可减震吸能的、以及可隔热防热等多功能化的方法、挑战和对策。
　　概括来说，该研究建立了MSPIAM的跨尺度实现原理和调控方法，包括微观尺度的材料组织与界面调控、介观尺度的粉末激光熔凝和致密化工艺控制、以及宏观尺度的构件结构与性能精确协调。
　　在论文最后，顾冬冬还总结与展望了MSPI-AM的未来方向，比如更加数字化的材料创成和结构创新、更具自主决策功能的打印装备、更加智能化的打印过程等。
　　该研究的最大难点在于将适宜的材料打印到适宜的位置，顾冬冬表示，当前单一材料的3D打印已经比较成熟，但多种材料的打印还有较大挑战，同时这也是一个研究热点。
　　每打印一层材料，都得设计不同的结构。要是打印的材料种类不同，还得调试激光参数和扫描模式等。再比如说，从调控原子尺度的3D打印材料显微组织，到打印成肉眼可见的成品零部件，还需考虑打印时的变形和开裂等问题。
　　为此在实验中，他和团队反复进行多类结构、多种材料的激光3D打印实验研究，并开展了热传导实验、抗冲击实验等功能验证，为的是建立高性能与多功能金属构件激光增材制造的材料-结构-工艺-性能的内在关联及一体化调控方法。 （麻省）