14位中國(guó)3D打印專(zhuān)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(guó)機(jī)械工程學(xué)報(bào)：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(guó)增材制造專(zhuān)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(duì)增材制造的設(shè)計(jì)、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(jìn)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(xué)李滌塵教授、田小永教授團(tuán)隊(duì)；南京航空航天大學(xué)顧冬冬教授團(tuán)隊(duì)；西北工業(yè)大學(xué)林鑫教授團(tuán)隊(duì)；清華大學(xué)林峰教授團(tuán)隊(duì)；華中科技大學(xué)宋波教授團(tuán)隊(duì)。

摘要

隨著過(guò)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(jìn)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(lái)增材制造技術(shù)廣泛工業(yè)應(yīng)用的瓶頸，本文重點(diǎn)闡述了這一點(diǎn)，目標(biāo)是描述未來(lái)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(jià)值鏈中的數(shù)據(jù)流，分別闡述了設(shè)計(jì)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(gè)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(lái)的工業(yè)創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)建立一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)平臺(tái)。

1 . 簡(jiǎn)介

增材制造（AM，也稱(chēng)為3D打印）技術(shù)是一種將材料（包括液體、粉末、線材或片材）連接起來(lái)，從數(shù)字模型中構(gòu)建出三維物體的制造過(guò)程，通常采用逐層的方式。與銑削、車(chē)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(lái)發(fā)展周期較短，但在未來(lái)推動(dòng)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(guó)，新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)創(chuàng)新能力嚴(yán)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(shí)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(mén)檻，有助于促進(jìn)制造業(yè)中的小微企業(yè)發(fā)展，激活社會(huì)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(jī)遇，可以實(shí)現(xiàn)制造業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整，促進(jìn)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(shì)是釋放了材料選擇和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)自由，可以實(shí)現(xiàn)形狀可控和性能定制。增材制造技術(shù)通過(guò)建立從材料到最終應(yīng)用的數(shù)據(jù)流，成功實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)和制造過(guò)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(guò)原材料的微觀結(jié)構(gòu)和成分設(shè)計(jì)來(lái)設(shè)計(jì)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(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造帶來(lái)了重大機(jī)遇，特別是在復(fù)雜的曲面、分層晶格和薄壁/空心結(jié)構(gòu)方面。在復(fù)雜結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)尖端材料科學(xué)、設(shè)計(jì)方法、工藝和設(shè)備的支持，功能和智能結(jié)構(gòu)也可以實(shí)現(xiàn)。

圖1. 增材制造的路線圖示意圖

隨著過(guò)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(jì)轉(zhuǎn)向工業(yè)中功能部件的先進(jìn)制造。因此，工藝和設(shè)備的智能化和工業(yè)化可能是未來(lái)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(guò)閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程的無(wú)人化、精確化和穩(wěn)定化。通過(guò)建立增材制造的工藝模型，利用工藝數(shù)據(jù)庫(kù)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，可以自動(dòng)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(shí)，作為一項(xiàng)迅速崛起和發(fā)展的技術(shù)，增材制造還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)在大規(guī)模生產(chǎn)模式下的標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)化要求。在未來(lái)的工業(yè)化進(jìn)程中，增材制造可以實(shí)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(jì)方法、材料、工藝和設(shè)備、結(jié)構(gòu)到工業(yè)應(yīng)用的過(guò)程和價(jià)值鏈的數(shù)據(jù)流，說(shuō)明了先進(jìn)的發(fā)展和技術(shù)路線圖，如圖1所示。本文強(qiáng)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(lái)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(kāi)發(fā)課題提供了一些建議。

2. 設(shè)計(jì)方法論

增材制造實(shí)現(xiàn)了三維結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品的智能設(shè)計(jì)和制造自由。為增材制造而設(shè)計(jì)已經(jīng)成為跨學(xué)科研究的新興領(lǐng)域。一種被稱(chēng)為拓?fù)鋬?yōu)化（TO）的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法被用來(lái)生成創(chuàng)新和復(fù)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(guò)拓?fù)鋬?yōu)化進(jìn)行的部件整合被認(rèn)為是另一種有利的設(shè)計(jì)策略，將一個(gè)組件的多個(gè)部件組合成一個(gè)可打印的部件（圖2（a））。[4]. 此外，多學(xué)科優(yōu)化在最近得到了解決，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)需要滿(mǎn)足多個(gè)目標(biāo)并滿(mǎn)足相關(guān)的約束條件，如復(fù)雜的負(fù)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(dòng)設(shè)計(jì)被引入到定制中，以考慮典型的設(shè)計(jì)約束（例如，圖2(d)-2(f)中的懸角）。[7, 8]并利用工藝特點(diǎn)（如材料的各向異性、建筑方向和工藝參數(shù)）[9, 10]。先進(jìn)的熱機(jī)械模擬用于預(yù)測(cè)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(chǎng)可用于促進(jìn)拓?fù)鋬?yōu)化消除結(jié)構(gòu)變形[11]。如圖2(h)-2(k)所示，通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化對(duì)微晶格和宏觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分層設(shè)計(jì)，與實(shí)體結(jié)構(gòu)相比，表現(xiàn)出突出的輕質(zhì)和機(jī)械性能。此外，還開(kāi)發(fā)了一個(gè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的拓?fù)鋬?yōu)化，結(jié)合了增材制造的工藝-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)工藝參數(shù)、建筑方向和結(jié)構(gòu)配置的同時(shí)優(yōu)化[12, 13]�；�于周期性構(gòu)造元素的集體響應(yīng)而非單個(gè)元素的材料表現(xiàn)出非凡的宏觀特性[14, 15]，可以通過(guò)兩種主流方法，即特設(shè)方法和拓?fù)鋬?yōu)化[16]建立。



圖2. (a) 用于增材制造的飛機(jī)機(jī)翼Giga-voxel 拓?fù)鋬?yōu)化 [17]; (b) 用于復(fù)雜發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)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(jì); (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(wú)支撐設(shè)計(jì)；(g)通過(guò)SLM對(duì)鈦合金進(jìn)行分層設(shè)計(jì)；(h)、(i)和(j)用于衛(wèi)星支架的實(shí)體晶格設(shè)計(jì)[10]；(k)具有連續(xù)晶格演變的分層設(shè)計(jì)[19] 。
到目前為止，在不久的將來(lái)仍然存在以下挑戰(zhàn)。

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

(2)提出了知識(shí)庫(kù)驅(qū)動(dòng)的方法來(lái)組織和管理增材制造驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的密集數(shù)據(jù)趨勢(shì)，這是智能設(shè)計(jì)和制造系統(tǒng)的一個(gè)重要方面[20]。這個(gè)知識(shí)庫(kù)包括配方/成分的材料數(shù)據(jù)庫(kù)、功能晶格單元庫(kù)、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(jì)、制造和評(píng)估的整個(gè)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(guò)量化的物理模型或數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型來(lái)建立[21]。例如，可以利用多物理過(guò)程模擬、人工智能以及機(jī)器學(xué)習(xí)算法來(lái)建立定量關(guān)系[22]。此后，知識(shí)庫(kù)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)可以將這些關(guān)系與結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化充分結(jié)合起來(lái)，從而彌合理想設(shè)計(jì)原則與現(xiàn)實(shí)增材制造結(jié)構(gòu)之間的差距。

(3)通過(guò)成本導(dǎo)向管理的產(chǎn)品生命周期將在先進(jìn)的解決方案上得到解決，它推薦零件的數(shù)字模型來(lái)主動(dòng)補(bǔ)償預(yù)期的翹曲。在設(shè)計(jì)、制造和服務(wù)壽命期間的真實(shí)數(shù)據(jù)流可以支持決策和面向成本的設(shè)計(jì)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)的迭代過(guò)程在數(shù)字系統(tǒng)中進(jìn)行，將大大降低開(kāi)發(fā)成本和時(shí)間消耗。

(4)對(duì)于超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)設(shè)計(jì)是未來(lái)的趨勢(shì)。通過(guò)利用特設(shè)法和拓?fù)鋬?yōu)化法的優(yōu)勢(shì)，模塊化設(shè)計(jì)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(shí)適當(dāng)選擇的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)開(kāi)始，因此可以節(jié)省計(jì)算時(shí)間，耗時(shí)較少，從而平衡設(shè)計(jì)性能和計(jì)算成本。

圖3. 智能增材制造的設(shè)計(jì)方法路線圖

3. 材料

由于可控的形狀和性能的內(nèi)在特點(diǎn)，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(fù)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(fù)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(dǎo)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(jī)器、加工和整理成本提高質(zhì)量、工藝一致性、可重復(fù)性和可靠性。以金屬材料系統(tǒng)為例，如圖5所示。在過(guò)去幾年中，基于金屬基增材制造的快速凝固特性，越來(lái)越多的新材料被設(shè)計(jì)出來(lái)，擴(kuò)大了增材制造中的材料范圍。通過(guò)引入納米核素顆粒來(lái)控制凝固過(guò)程，可以解決大柱狀晶粒和周期性裂紋的問(wèn)題，制備的鋁合金呈現(xiàn)出無(wú)裂紋、等軸、細(xì)晶粒的微結(jié)構(gòu)[23, 24]。已經(jīng)報(bào)道了一種為增材制造量身設(shè)計(jì)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(guò)冷卻時(shí)間來(lái)控制[25]。為了處理鈦合金中的各向異性問(wèn)題，設(shè)計(jì)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(fù)面影響，并導(dǎo)致完全的等軸細(xì)�；�的微觀結(jié)構(gòu)[26]。此外，鈦合金中元素的濃度可以通過(guò)增材制造中的原位設(shè)計(jì)方法來(lái)改變[27]。

圖5. (a)通過(guò)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(bǔ)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(jì)理論，有必要根據(jù)增材制造的工藝特點(diǎn)來(lái)完善材料設(shè)計(jì)的理論體系和方法。材料基因組提供了新的可能性。建立專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)，可以實(shí)現(xiàn)智能優(yōu)化材料選擇。通過(guò)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(jì)出符合要求的微觀結(jié)構(gòu)。

(2)對(duì)于目標(biāo)導(dǎo)向的材料設(shè)計(jì)策略，應(yīng)從材料的服務(wù)角度出發(fā)，實(shí)現(xiàn)材料的多層次、多因素設(shè)計(jì)。對(duì)于結(jié)構(gòu)材料，要實(shí)現(xiàn)面向材料的增韌設(shè)計(jì)；對(duì)于智能材料，如形狀記憶聚合物和合金，要實(shí)現(xiàn)可控變形恢復(fù)設(shè)計(jì)。

(3)對(duì)于智能復(fù)合材料，自然界通過(guò)進(jìn)化以有效的方式利用天然復(fù)合材料制造了生物系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多功能集成和智能化。生物系統(tǒng)將傳感、驅(qū)動(dòng)、計(jì)算和通信緊密地結(jié)合在一起，而利用復(fù)合材料可以實(shí)現(xiàn)類(lèi)似原理的工程應(yīng)用。先進(jìn)復(fù)合材料的增材制造將提供一個(gè)有用的工具來(lái)實(shí)現(xiàn)跨尺度的智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造。

4. 工藝與設(shè)備

為了在制造業(yè)中占得先機(jī)，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(shì)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(jìng)爭(zhēng)力。如圖6所示，將高端機(jī)床和智能工業(yè)機(jī)器人引入增材制造設(shè)備架構(gòu)，將大大提升增材制造過(guò)程中傳感和控制的效率和自動(dòng)化水平。同時(shí)，融入數(shù)字信息化的設(shè)備自動(dòng)化是實(shí)現(xiàn)智能化的途徑�；�于數(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(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能等先進(jìn)技術(shù)，將更有效地把信息與物理過(guò)程聯(lián)系起來(lái)，激發(fā)新的制造能力。


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

關(guān)于設(shè)備結(jié)構(gòu)，機(jī)器人輔助增材制造是一個(gè)很有前途的系統(tǒng)，因?yàn)樗�在設(shè)計(jì)選擇上提供了額外的自由度。多個(gè)機(jī)器人促進(jìn)了多材料加工，沒(méi)有尺寸限制，而且是以局部定制的方式[28]。通過(guò)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(jī)器人傳感器或攝像機(jī)的幫助下，增材制造可以通過(guò)在線識(shí)別和反饋實(shí)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(xué)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的框架可以識(shí)別工藝-結(jié)構(gòu)-屬性（p-s-p）關(guān)系，擺脫試錯(cuò)負(fù)擔(dān)[31]。物理驅(qū)動(dòng)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(xué)[32]。而數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法，利用數(shù)據(jù)挖掘算法、機(jī)器學(xué)習(xí)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(dòng)的方法在快速預(yù)測(cè)、過(guò)程優(yōu)化，特別是反饋控制的實(shí)時(shí)診斷中受到青睞[33]。另外，通過(guò)結(jié)合物理學(xué)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法，物理學(xué)信息數(shù)據(jù)科學(xué)因可解釋性和快速性的優(yōu)勢(shì)而變得有吸引力[34]。利用上述數(shù)字工具創(chuàng)建一個(gè)數(shù)字雙胞胎，包括機(jī)械、統(tǒng)計(jì)和控制模型，以智能和成本效益的方式鑒定和認(rèn)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(lái)與增材制造硬件和軟件的工業(yè)化相一致的幾個(gè)行動(dòng)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(lái)行動(dòng)

(1)開(kāi)發(fā)多機(jī)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(shì)，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(lài)于工藝鏈的整合。有關(guān)多物理效應(yīng)對(duì)零件特征的影響機(jī)制和不確定性的知識(shí)差距值得解決。此外，混合制造需要精確地協(xié)作控制機(jī)床或機(jī)器人，以管理各個(gè)部分。設(shè)備制造商應(yīng)致力于提出關(guān)于機(jī)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(biāo)準(zhǔn)，從而創(chuàng)造一個(gè)可行的混合-增材制造解決方案。

(2)改善監(jiān)測(cè)和傳感設(shè)備的功能和整合。增材制造期間的處理信號(hào)涉及視覺(jué)、光譜、聲學(xué)和熱學(xué)。多個(gè)傳感器的疊加不僅引起了設(shè)備的復(fù)雜性和可靠性的降低，而且由于各種數(shù)據(jù)類(lèi)型的非統(tǒng)一結(jié)構(gòu)，也給數(shù)據(jù)處理和自動(dòng)控制帶來(lái)困難。因此，多功能單體設(shè)備將顯著提高監(jiān)測(cè)和傳感設(shè)備在工業(yè)領(lǐng)域的普及率；同時(shí)，通過(guò)與數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件的耦合，將提高物理建模、過(guò)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(jī)器和材料的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是分不開(kāi)的。數(shù)字孿生的核心是模型和數(shù)據(jù)，但對(duì)于眾多增材制造企業(yè)來(lái)說(shuō)，數(shù)字孿生的建設(shè)和使用具有較高的技術(shù)和成本門(mén)檻。幸運(yùn)的是，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可以解決上述問(wèn)題，從而通過(guò)云DT平臺(tái)共享和分析數(shù)據(jù)和模型。學(xué)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(shí)現(xiàn)常態(tài)化的產(chǎn)學(xué)研合作機(jī)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(jìn)設(shè)備或技術(shù)（如過(guò)程監(jiān)控、信息感知、機(jī)器學(xué)習(xí)人工智能、數(shù)據(jù)庫(kù)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(xiàng)目的持續(xù)開(kāi)展需要國(guó)家層面的政策支持。由工業(yè)界和學(xué)術(shù)界共同提出的指導(dǎo)意見(jiàn)將促進(jìn)新的增材制造硬件/軟件向數(shù)字化設(shè)計(jì)和智能控制的過(guò)渡。

5. 智能結(jié)構(gòu)

在過(guò)去的幾十年里，我們目睹了對(duì)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(fù)雜的內(nèi)部配置。因此，在智能部件的工業(yè)化進(jìn)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(qiáng)大的技術(shù)，可以戰(zhàn)略性地整合傳感、執(zhí)行、計(jì)算和通信功能。一個(gè)例子是最近關(guān)于纖維增強(qiáng)復(fù)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(qiáng)度和低成本的優(yōu)勢(shì)。

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(jī)械[14]、光學(xué)、聲學(xué)或熱學(xué)性能的材料，圖8(a)顯示了一個(gè)具有負(fù)泊松比的人造皮膚，可以大大提高恢復(fù)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(jìn)了先進(jìn)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(guò)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(bào)道為新型電子產(chǎn)品。例如，金屬基油墨的直接書(shū)寫(xiě)和表面貼裝電子元件的取放被結(jié)合在一個(gè)軟性電子設(shè)備的制造平臺(tái)中（圖8(b)）。[41]. 通過(guò)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(dǎo)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(gè)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(lái)，以監(jiān)測(cè)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(duì)環(huán)境刺激有動(dòng)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(xué)性能可以通過(guò)4D打印工藝實(shí)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(shū)寫(xiě)和電子元件的取放的增材制造平臺(tái)[41]；(c)導(dǎo)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(kāi)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(biāo)是融合不同的物理領(lǐng)域和nD（nD）打印，用于復(fù)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(duì)刺激作出動(dòng)態(tài)反應(yīng)。

(2)與增材制造兼容的材料庫(kù)應(yīng)該被擴(kuò)大，以包括更多獨(dú)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(kāi)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(biāo)。

(3)由于未來(lái)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(chǎng)中具有堅(jiān)固性和適應(yīng)性。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之初就應(yīng)考慮不同的工作條件。通過(guò)處理這些困難，增材制造正朝著一個(gè)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(jì)和自動(dòng)原型制作。

6. 生命結(jié)構(gòu)

器官是復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)在其中相互作用而發(fā)展和運(yùn)作。由于其形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)和材料組成（包括細(xì)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(fù)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(xì)胞，而越來(lái)越多的研究采用活細(xì)胞來(lái)3D打印結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)生物功能的生長(zhǎng)。獲得的活體結(jié)構(gòu)可以被植入人體，以修復(fù)/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(xì)胞培養(yǎng)模型更準(zhǔn)確地再現(xiàn)生理?xiàng)l件。

材料和加工方面的技術(shù)進(jìn)步大大增強(qiáng)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(dǎo)電生物材料已被開(kāi)發(fā)用于增材制造，它授予具有類(lèi)似于大腦和心臟的電活動(dòng)的活體結(jié)構(gòu)。對(duì)物理[55, 56]、化學(xué)[57]或生物[58]刺激有反應(yīng)的生物材料也已被打印出來(lái)，為細(xì)胞形成動(dòng)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(xì)胞外基質(zhì)和細(xì)胞沉積在支持性緩沖器中，這使得軟質(zhì)細(xì)胞外基質(zhì)和細(xì)胞的多尺度構(gòu)建能夠形成復(fù)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(qiáng)，使用適當(dāng)?shù)墓馕�收器可以�?shí)現(xiàn)水凝膠的高分辨率投影立體光刻（圖10（b））。[60]以及通過(guò)動(dòng)態(tài)照亮一個(gè)旋轉(zhuǎn)的充滿(mǎn)細(xì)胞的光敏水凝膠儲(chǔ)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)快速體積打�。▓D10(c) [61]. 對(duì)于精確的單細(xì)胞打印，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一個(gè)結(jié)合了3D打印機(jī)和小型化微流控分揀機(jī)的制造平臺(tái)，以從細(xì)胞混合物中沉積出單個(gè)細(xì)胞[62]。作為先進(jìn)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(xué)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(dá)方面超過(guò)了其二維和三維體的對(duì)應(yīng)物[63]。同樣，3D打印的多細(xì)胞膀胱腫瘤模型支持識(shí)別腫瘤進(jìn)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(jìn)展。(a) 懸浮浴中基于擠出的三維生物打印可以制造人類(lèi)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可光聚合水凝膠[60]；(c) 載有細(xì)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(lái)，活體構(gòu)造的增材制造可以大大改善生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用，并可能創(chuàng)新出高級(jí)生物智能的產(chǎn)品（圖11）。例如，增材制造技術(shù)可能進(jìn)一步將細(xì)胞與執(zhí)行和傳感材料整合起來(lái)，形成活體機(jī)器，在人體內(nèi)移動(dòng)和工作，用于基于細(xì)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(shí)需要解決多方面的挑戰(zhàn)。

圖11. 實(shí)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(fù)雜性方面還沒(méi)有完全與本地器官相匹配。在制造復(fù)雜的多尺度結(jié)構(gòu)時(shí)，增材制造技術(shù)應(yīng)實(shí)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(xué)科的挑戰(zhàn)。有效控制3D打印結(jié)構(gòu)內(nèi)的細(xì)胞發(fā)育，為成功應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。對(duì)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(dòng)和溝通應(yīng)該進(jìn)一步建立。因此，需要機(jī)械工程師、生物工程師、生命科學(xué)家和臨床醫(yī)生之間的緊密合作，根據(jù)對(duì)具體應(yīng)用的生物醫(yī)學(xué)見(jiàn)解設(shè)計(jì)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(xué)產(chǎn)業(yè)中的一類(lèi)新產(chǎn)品，受到高度監(jiān)管并涉及倫理問(wèn)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(xué)的法規(guī)，專(zhuān)門(mén)為這些產(chǎn)品設(shè)計(jì)，以解決醫(yī)療和倫理影響方面的潛在問(wèn)題。

7. 極端尺寸和極端環(huán)境

增材制造具有豐富的科學(xué)和技術(shù)內(nèi)涵，涉及機(jī)械、材料、計(jì)算、自動(dòng)化控制和其他先進(jìn)技術(shù)。由于其設(shè)計(jì)自由、快速成型、浪費(fèi)少以及能夠制造具有獨(dú)特性能的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，它在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、汽車(chē)、核能和建筑行業(yè)帶來(lái)了革命性的應(yīng)用。作為 "中國(guó)制造2025 "和 "中國(guó)十四五規(guī)劃 "等中國(guó)國(guó)家戰(zhàn)略中關(guān)鍵的工業(yè)技術(shù)，增材制將極大地促進(jìn)和引領(lǐng)中國(guó)智能制造的升級(jí)和發(fā)展。

增材制造的發(fā)展主要從兩個(gè)極端尺度出發(fā)：一個(gè)是微/納米尺度，即實(shí)現(xiàn)微米和納米尺寸的精細(xì)3D打印；另一個(gè)是宏觀尺度，即實(shí)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(xué)極限，能夠以亞波長(zhǎng)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(fù)雜納米結(jié)構(gòu)大大拓寬了在超材料和光電子學(xué)方面的應(yīng)用。另一方面，大尺寸混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)打印需要機(jī)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(gè)物理演示，通過(guò)多個(gè)移動(dòng)機(jī)器人同時(shí)打印大型混凝土結(jié)構(gòu)，將擴(kuò)展建筑和施工行業(yè)的設(shè)計(jì)和打印規(guī)模[66]。在航空航天領(lǐng)域，繼打印中國(guó)首架?chē)?guó)產(chǎn)C919飛機(jī)的主風(fēng)擋窗框和中央法蘭盤(pán)等大型復(fù)雜鈦合金結(jié)構(gòu)件之后，中國(guó)又成功打印了世界上第一個(gè)重型運(yùn)載火箭上10米級(jí)別的高強(qiáng)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(guò)程中的結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力控制問(wèn)題，為中國(guó)航天工程的快速發(fā)展提供了技術(shù)支持。美國(guó)的一家初創(chuàng)公司Relativity Space的目標(biāo)是制造一個(gè)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(jī)器人手臂建造的大型金屬打印項(xiàng)目，由于零件少了100倍，生產(chǎn)時(shí)間快了10倍，沒(méi)有固定的收費(fèi)和簡(jiǎn)單的供應(yīng)鏈，正在顛覆60年來(lái)的航空航天業(yè)[69]。

增材制造的實(shí)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(qiáng)輻射和微重力。2020年，NASA完成了液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)3D打印雙金屬燃燒室的重要材料表征和測(cè)試，同時(shí)進(jìn)行了點(diǎn)火測(cè)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(guó)際空間站配備3D打印設(shè)備后，中國(guó)也在2020年成功完成了首次微重力空間的3D打印測(cè)試[71]。這個(gè)世界上第一個(gè)連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料的在軌3D打印測(cè)試使研究人員能夠檢查材料的成型過(guò)程，更好地說(shuō)明微重力對(duì)相關(guān)材料和結(jié)構(gòu)機(jī)制的影響。3D打印不僅有助于國(guó)際空間站上現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)設(shè)施，而且使長(zhǎng)時(shí)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(duì)利用月球或火星雷石進(jìn)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(guó)和美國(guó)打印的超大型金屬部件[67，68]；(c)3D打印的雙金屬室的點(diǎn)火測(cè)試[70]；(d)世界首次在太空中3D打印連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料[71]

(2)在月球和火星上3D打印棲息地的另一個(gè)挑戰(zhàn)是開(kāi)發(fā)相關(guān)的空間機(jī)器人和自動(dòng)化技術(shù)。需要開(kāi)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(lái)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(lái)無(wú)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(dòng) "的控制系統(tǒng)的獨(dú)特循環(huán)，以實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程的自適應(yīng)控制和監(jiān)測(cè)。

(3)為了加快3D打印的數(shù)字化進(jìn)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(guò)整合對(duì)實(shí)時(shí)物體的智能傳感、大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析以及機(jī)器學(xué)習(xí)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(jì)；
（2）針對(duì)極端使用場(chǎng)景和環(huán)境的增材制造生產(chǎn)計(jì)劃；
（3）對(duì)3D打印操作數(shù)據(jù)和最終高質(zhì)量的捕捉、分析和行動(dòng)。

8. 未來(lái)展望

面對(duì)未來(lái)，增材制造技術(shù)將進(jìn)一步向智能化和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。增材制造是一個(gè)極其復(fù)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(xué)領(lǐng)域。有必要結(jié)合大數(shù)據(jù)和人工智能對(duì)這一極其復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行研究，并在增材制造多功能集成優(yōu)化設(shè)計(jì)的原理和方法上取得突破。通過(guò)發(fā)展主動(dòng)可控形狀的智能增材制造技術(shù)，為未來(lái)的增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)材料、工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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(xué)習(xí)和自我決策能力的智能增材制造設(shè)備是未來(lái)增材制造技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。應(yīng)開(kāi)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(xué)的跨學(xué)科研究，實(shí)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(kuò)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(dǎo)航、核電等其他領(lǐng)域。

未來(lái)，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(tái)。發(fā)展增材制造應(yīng)遵循 "以應(yīng)用開(kāi)發(fā)為導(dǎo)向，以技術(shù)創(chuàng)新為動(dòng)力，以產(chǎn)業(yè)發(fā)展為目標(biāo) "的原則[1]。應(yīng)建立合理的增材制造行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)增材制造工藝和裝備的全面創(chuàng)新和應(yīng)用，這對(duì)實(shí)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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