2022年2月18日，《Chinese Journel of Mechanical Engineering : additive Mangacturing Frontiers》的首篇論文《Roadmap for Additive Manufacturing: toward Intellectualization and Industrialization》（《增材制造路線圖：邁向智能化和工業化》）”在ScienceDirect上線。14位中國增材制造專家對增材制造的設計方法、材料、工藝和設備、智能結構、生物結構以及在極端規模和環境中的應用進行了全面的綜述，旨在描述未來5~10年的技術研究路線圖。作者為西安交通大學李滌塵、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。

上一期，我們為您帶來設計方法、材料、工藝和設備的精彩內容。本周我們將繼續帶您了解14位中國增材制造專家對增材制造的智能結構、生物結構以及在極端規模和環境中的應用方面的精彩內容。

增材制造智能結構

發展現狀

1、增材制造已經用于戰略性地集成傳感、驅動、計算和通信功能。比如纖維增強復合材料的3D打印使得分層和中空結構的集成制造具有重量輕、強度高和成本低的優點。

2、超材料。非常規的機械、光學、聲學或熱性能。

3、形狀記憶聚合物、液晶彈性體、水凝膠先進材料。如傳輸或處理信息的新型3D打印電子設備、基于電氣組件的具有感測能力的結構、監測心臟組織收縮的組織培養裝置、對環境刺激具有動態響應的智能設備。

具有各種功能的智能結構：（a）具有熱收縮性能的人造皮膚；（b）金屬墨水直接書寫和電子元件的取放相結合的平臺；（c）導電和功能材料的電荷編程調幅；（d）可變形結構的4D打印。

未來方向

1、融合不同的物理場和n維(nd)打印，用于復雜的多尺度結構，基于傳感和驅動能力的有效組合對刺激做出動態響應。

2、更多獨特功能的材料。智能增材制造工藝和設備來精確地制造這些材料的多材料結構。

3、在極端條件下的多物理領域中具有魯棒性和適應性。因此，在結構設計之初，就應該考慮各種不同的工作條件，集成在線診斷、柔性控制、全生命周期設計和自動原型制造的智能系統。

智能結構的挑戰

增材制造生物結構

發展現狀

1、不涉及細胞的3D打印假體和生物可降解支架。

2、活細胞3D打印結構，可以被植入以修復/替換人體中的缺陷組織/器官。

3、導電生物材料和聚合物已經被開發出來，響應物理、化學和生物刺激。各種生物打印工藝也在不斷發展，如嵌入式打印技術直接將軟細胞外基質和細胞沉積在支持緩沖液中，基于光聚合的增材制造技術實現水凝膠儲器快速打印，精確的單細胞打印等等。

用于生物結構的增材制造技術的代表性進展：（a）懸浮浴中基于擠壓的3D生物打印人類心臟模型；（b）具有血管化肺泡模型的光聚合水凝膠的高分辨率立體打印；（c）裝載細胞的水凝膠3D打印快速制造的組織結構。

未來方向

1、技術挑戰。3D打印的活體結構在結構和功能復雜性方面還不能完全匹配天然器官。增材制造技術在構建復雜的多尺度結構時需要更高的空間分辨率和效率，因此需要更多與增材制造兼容的功能生物材料。

2、跨學科挑戰。有效控制3D打印結構內的細胞發育為成功應用奠定基礎。對于植入的活體結構的生物智能，應該進一步建立活體結構和人體之間的相互作用和聯系。因此，需要機械工程師、生物工程師、生命科學家和臨床醫生之間的密切合作，根據對特定應用的生物醫學見解來設計制造策略。

3、監管和倫理挑戰。3D打印活體構造構成了生物醫學行業中一組新的產品，這些產品受到高度監管并涉及倫理問題。3D打印活體構造的商業化需要一套系統的基于科學的法規，專門為這些產品設計，以解決潛在的醫學和倫理影響問題。

生物智能增材制造路線圖

增材制造極端規模和極端環境

發展現狀

1、微/納米尺度。以雙光子聚合為代表的微納米尺度三維打印，由于克服了照明的光學極限，能夠以亞波長空間分辨率打印納米結構，打印精度小于100納米。這種高精度的復雜納米結構極大地拓寬了其在超材料和光電子領域的應用。

2、宏觀尺度。大尺寸混凝土結構的現場打印需要機械工程、混凝土技術、數據管理和施工管理的結合。國產C919飛機主風擋窗框、中央翼緣，重型運載火箭10 m級別的高強度鋁合金連接環，這些突破克服了大尺寸結構在打印過程中的結構變形和應力控制，為我國航天工程的快速發展提供了技術支撐。美國一家初創公司相對論空間公司的目標是制造一種幾乎完全3D打印的火箭，帶有冷卻通道，可將1250公斤重的物體送入近地軌道。

極端尺度和極端環境:（a）雙光子反應3D打印過程和二氧化硅打印晶格的示意圖；（b）中國和美國打印的超大型金屬部件；（d）3D打印雙金屬結構；（d）太空3D打印連續碳纖維增強聚合物復合材料

未來方向

1、極端溫度和壓力、強輻射、微重力等極端環境。如微/零重力、宇宙輻射、晝夜溫差大等極端環境條件下的月球或火星原位打印。

2、開發相關的太空機器人和自動化技術。為了適應這種極端環境，需要開發優良的抗輻射和耐熱電子器件和結構材料，多傳感器集成和數據融合可能是未來無人系統探索的關鍵技術。空間敏捷制造需要控制系統“觀察-定位-決策-行動”的獨特循環，以實現制造過程的自適應控制和監控。

3、加速3D打印的數字化，利用數字孿生技術高效設計3D打印新產品，針對極端使用場景和環境的生產規劃。

面向未來，增材制造技術將進一步向智能化和產業化發展。增材制造是一個極其復雜的系統，涉及多因素、多層次和多尺度，耦合材料、結構、各種物理和化學領域。有必要結合大數據和人工智能對這一極其復雜的系統進行研究，實現增材制造多功能集成優化設計原理和方法的突破。通過開發形狀主動可控的智能增材制造技術，可以為未來增材制造技術在材料、工藝、結構設計、產品質量和使用效率等方面的跨越式提升提供充分的科技基礎。具有自采集、自建模、自診斷、自學習、自決策能力的智能增材制造設備是未來增材制造技術大規模應用的重要基礎。開展增材制造技術與材料、軟件、人工智能、生命醫學等學科的交叉研究，實現重大原始技術創新。