華科史玉升團隊在增材制造領域30年來的代表性研究成果和產業(yè)化進展

來源：機械工程學報

增材制造（快速成形）技術已在我國發(fā)展 30 余年，為向全球學者介紹中國的研究成果，在Additive Manufacturing Frontiers (AMF) 執(zhí)行主編李滌塵教授的帶領下，組織策劃了“中國增材制造 30 年發(fā)展”特刊 (Special Issue on 30 Years of Development of Additive Manufacturing in China)，通過十余個國內增材制造領域的代表性團隊的高質量論文，向大家介紹過去 30年來我國增材制造技術的發(fā)展歷程、主要研究成果以及未來發(fā)展趨勢。

引用論文：
Yusheng Shi, Chunze Yan, Bo Song, Bin Su, Qingsong Wei, Lichao Zhang, Jiamin Wu, Shifeng Wen, Jie Liu, Chao Cai, Shengfu Yu, Chenhui Li, Yan Zhou, Annan Chen, Lei Yang, Peng Chen, Yang Zou, Minkai Tang, Ying Chen, Yunsong Shi, Hongzhi Wu, Lei Zhang, Zhufeng Liu, Haoze Wang, Changshun Wang, Siqi Wu, Guizhou Liu, Zhen Ouyang. Recent Advances in Additive Manufacturing Technology: Achievements of the Rapid Manufacturing Center in Huazhong University of Science and Technology. Additive Manufacturing Frontiers, Volume 3, Issue 2, 2024, 200144.

https://doi.org/10.1016/j.amf.2024.200144.

文章鏈接：
https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2950431724000340

1 研究現(xiàn)狀
增材制造技術（包括3D打印、4D打印等），采用逐層制造并疊加原理，從三維模型數據直接創(chuàng)建復雜構件，在航空航天、軌道交通、生物醫(yī)療等領域已展現(xiàn)出重大價值與廣闊應用前景。因此，增材制造已成為國際上先進制造領域發(fā)展最快、研究最活躍、關注度最高的方向之一，是學術界和工業(yè)界研發(fā)熱點。

2 研究難點或瓶頸
現(xiàn)階段，增材制造技術仍存在以下突出問題：(1) 增材專用材料種類少、性能低；(2) 成形效率低、難以實現(xiàn)大規(guī)模產業(yè)化；(3) 增材制造形性主動控制難度大；(4) 缺乏多材料增材制造裝備等。

3 論文亮點
（1）發(fā)明高復用、形態(tài)可控的增材制造專用聚合物復合粉、絲材和低燒結變形、高堆積密度和良好流動性的增材制造專用陶瓷復合粉材，部分實現(xiàn)產業(yè)化，產品獲美國UL和歐盟CE認證，出口美德澳等國；

（2）提出碳化硅陶瓷的微納多尺度協(xié)同強韌化方法，首創(chuàng)增材制造-反應溶滲成形技術，實現(xiàn)最大尺寸達1.6米的空間反射鏡、渣漿泵葉輪等復雜碳化硅陶瓷構件的整體成形，引領碳化硅陶瓷增材制造技術的國際前沿；

（3）發(fā)明連續(xù)纖維增強復合材料的機器人激光增材制造工藝與裝備，使連續(xù)纖維增強復合材料的增材制造構件致密度和層間剪切強度大幅提升；

（4）從原料選擇、打印工藝、誘導策略和潛在應用等方面討論了尖端4D打印的最新研究成果；

（5）研發(fā)成功成形臺面達1.7米×1.7米激光選區(qū)燒結增材制造裝備，可用于大型復雜聚合物、陶瓷等材料構件的整體成形。

4 結論
總結了華中科技大學材料科學與工程學院快速制造中心在增材制造領域30多年的代表性研究成果和和產業(yè)化成果，及其在國內外產生的深遠影響，提供了對增材制造技術未來發(fā)展方向的獨到見解，推動彌合當前技術能力和未來應用需求之間的差距。盡管增材制造技術具有創(chuàng)造高性能產品的巨大潛力，但仍需要科研界和工業(yè)界共同付出更多的努力來推進其在工業(yè)應用中的大規(guī)模使用。

5 展望
本文提供了AM技術在未來的潛在發(fā)展方向：（1）由三維向多維AM演變，使增材制造構件更智能、更逼真、更有意識；（2）由平面向曲面切片過渡，再向編織切片演變，實現(xiàn)高性能輕量化構件的無支撐高效集成制造；（3）由逐點/逐線/逐面向逐卷/逐塊AM演變，提高成形效率以推動大規(guī)模工業(yè)化應用；（4）由單一材料向多材料AM演變，實現(xiàn)區(qū)域材料、結構和性能特性的精細化和定制化調整；（5）由單一宏觀結構設計向宏/介/微觀結構多尺度設計方向演變，實現(xiàn)具有微觀結構可控、介觀形態(tài)可調、宏觀結構約束的多尺度AM；（6）材料制備與成形一體化結合,為開發(fā)高性能新材料提供更多可能性；（7）由小批量向大批量擴展，降低生產成本，推動整個制造業(yè)的數字化和可持續(xù)發(fā)展。

6 代表性圖片

Fig.1 Development direction of AM technology

Fig.2 Evolution of the dot-line-sheet-volume printing

Fig.3 Development from single-material to multi-material AM

作者團隊介紹

史玉升（團隊帶頭人），華中科技大學華中學者領軍崗特聘教授�，F(xiàn)任華中科技大學華中學者領軍崗特聘教授，中國有色金屬學會增材制造分會主任委員、中國材料學會增材制造材料分會主任委員、中國航天科技集團有限公司增材制造工藝技術中心專家委員會主任、教育部長江學者創(chuàng)新團隊負責人等職務。主要從事高性能聚合物、金屬、陶瓷等增材制造專用材料的制備與成形技術。成果獲發(fā)明專利399件，主撰著作/教材9部，發(fā)表論文704篇，2022年入選斯坦福大學“全球前2%頂尖科學家”和中國各學科高貢獻者名單。獲國家技術發(fā)明二等獎1項（排1）、國家科技進步二等獎2項（排1、排3）、中國十大科技進展和中國智能制造十大科技進展各1項（均排1）、省部級一等獎9項（5項排1）；獲全國創(chuàng)新爭先獎狀、十佳全國優(yōu)秀科技工作者提名獎、中國發(fā)明創(chuàng)業(yè)獎特等獎、湖北省五一勞動獎章、武漢市科技重大貢獻個人獎等稱號。

閆春澤（通訊作者），華中科技大學二級教授、博導，教育部長江學者特聘教授，國家重點研發(fā)計劃首席科學家，愛思唯爾2023中國高被引學者�，F(xiàn)擔任材料成形與模具技術全國重點實驗室主任、增材制造陶瓷材料教育部工程研究中心主任、湖北省增材制造技術國際科技合作基地主任等職務，國際期刊Journal of Materials Processing Technology副主編（Associate Editor），全國增材制造標準化技術委員會（SAC/TC562）委員。主持國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學基金重點基金、航天聯(lián)合基金重點基金、工信部工業(yè)轉型升級重點項目等國家級項目。研發(fā)的增材制造材料與裝備已實現(xiàn)產業(yè)化，在中國航發(fā)、航天科技等單位得到應用，并出口美英德澳等國。以第一或通訊作者在Adv. Mater.、Acta. Mater.等期刊發(fā)表SCI收錄論文80余篇，授權發(fā)明專利84項，包括美日歐德俄國際發(fā)明專利14項，出版專著、教材8部，包括Elsevier英文專著2部；牽頭/參與制定國家標準4項。相關成果獲國家技術發(fā)明二等獎（排2）、國家科技進步二等獎（排3）。

近年團隊發(fā)表文章
[1]Zhang L, Liu H, Song B, et al. Wood-inspired metamaterial catalyst for robust and high-throughput water purification. Nature Communications, 2024, 15: 2046.

[2]Chen A, Wang W, Mao Z, et al. Multimaterial 3D and 4D bioprinting of heterogenous constructs for tissue engineering. Advanced Materials, 2023: 2307686.

[3]Shi Y, Tang S, Yuan X, et al. In Situ 4D Printing of Polyelectrolyte/Magnetic Composites for Sutureless Gastric Perforation Sealing. Advanced Materials, 2023: 2307601.

[4]Wu H, Luo R, Li Z, et al. Additively Manufactured Flexible Liquid Metal-Coated Self-Powered Magnetoelectric Sensors with High Design Freedom. Advanced Materials, 2023: 2307546.

[5]Chen P, Wang H, Su J, et al. Recent Advances on High-Performance Polyaryletherketone Materials for Additive Manufacturing. Advanced Materials, 2022, 34(52): 2200750.

[6]Ma Z, Wang Q, Wu Z, et al. A superconducting-material-based maglev generator used for outer-space. Advanced Materials, 2022, 34: 2203814.

[7]Zhang L, Song B, Zhang J, et al. Decoupling microlattice metamaterial properties through a structural design strategy inspired by the Hall–Petch relation. Acta Materialia, 2022, 238: 118214.

[8]Wu Z, Sun D, Shi C, et al. Moisture‐Thermal Stable, Superhydrophilic Alumina‐Based Ceramics Fabricated by a Selective Laser Sintering 3D Printing Strategy for Solar Steam Generation. Advanced Functional Materials, 2023, 33(45): 2304897.

[9]Wu Z, Shi C, Chen A, et al. Large-Scale, Abrasion-Resistant, and Solvent-Free Superhydrophobic Objects Fabricated by a Selective Laser Sintering 3D Printing Strategy. Advanced Science, 2023, 10: 2207183.

[10]Wang C, Yang Q, Gu X, et al. 3D in situ heterogeneous SiC/mullite hollow constructs for broadband electromagnetic absorption. Cell Reports Physical Science, 2024, 5: 101813.