传统增材制造依赖预先计算的连续刀路，并假定材料与环境条件保持稳定，难以在打印过程中及时调整。

近日，同济大学和DigitaIFUTURES协会共同主办的全英文学术期刊ARI中发表了一篇题为“Responsive Discrete Deposition Modelling for Environment-Situated Additive Manufacturing”的文章，研究团队提出响应式离散沉积建模（R-DDM）框架，将连续挤出拆分为逐个材料单元的沉积动作，在每次落料前通过环境感知和基于代理的决策模型重新计算位置，系统形成“感知—响应—行动”的闭环，以受植物向光性启发的趋光行为验证环境输入如何引导打印轨迹。

该研究通过校准试验支持材料剂量控制，并借助并行仿真环境定义和探索行为。实体实验在没有预设目标几何的情况下形成分枝、合并及混合轨迹，其整体行为与仿真相符，同时保留感知噪声和材料差异带来的局部变化。该方法为多变环境中的响应式材料组织与建造系统提供了研究基础。

https://doi.org/10.1007/s44223-026-00133-7

 创新点

1、响应式离散沉积建模使系统在制造过程中依据环境感知与代理决策重新计算每次落料，以逐个材料单元的沉积取代完整预设的连续刀路。
2、“感知—响应—行动”闭环让打印轨迹随变化的光源逐步转向，环境输入由此参与材料组织。
3、局部交互规则无需预设目标几何即可形成分枝、合并和混合结构，并允许在不中断打印的情况下切换行为。
4、实体打印复现了仿真中预期的分枝与合并行为，同时因感知、材料沉积及环境条件的相互作用形成各自的几何差异。

 研究背景

挤出式增材制造主要围绕“模型—切片—刀具路径”范式组织，其中几何、顺序与材料流动均在制造前被完整指定。该工作流预设稳定的环境条件与可预测的材料行为，从而限制了当条件偏离这些假设时进行即时决策的能力。因此，制造环境的变化通常被视为需要补偿的扰动，而非能够在制造过程中影响材料组织的信息。

为此，已有研究引入了传感与闭环控制策略，尤其是在挤出式系统中。视觉增强与传感器集成方法能够检测几何漂移或挤出异常，并允许在打印过程中进行校正参数更新。这些工作流保持对预定义几何或工具路径逻辑的保真性，并将传感视为强化预期结果的手段。此类系统在自适应模型下运行，其中反馈确保对先验形态的遵循。

近期信息物理建造与环境感知制造研究通过将传感更紧密地集成到增材过程的执行中，拓展了该方法。相机增强的地形自适应打印或机器人视觉引导沉积等示例表明，环境条件可在制造过程中被纳入，而非提前解决。这些系统在运行时引入了响应性，但沉积通常仍保持连续且以路径为中心，整体几何意图仍在制造开始前确定。

相比之下，生物生长过程说明了形态如何能够在没有预定义几何轨迹的情况下，由生物体与其环境之间的持续交互中涌现。向光性即为这种响应机制的例子。植物通过局部生理过程响应定向光线索，逐步重新定向生长，从而在未预先指定形状或路径的情况下形成连贯的全局结构。在此，响应性的特征并非朝向目标形态的优化，而是与环境输入的持续协商；这一方面已在自生长机器人中得到探索。

受这一原理启发，本文提出响应式离散沉积建模制造框架（Responsive Discrete Deposition Modelling, R-DDM），其中材料沉积被组织为一系列离散动作，并在每个循环中利用过程中环境传感重新计算。该系统面向连贯结构的累积，但未指定预定义工具路径或目标几何。相反，几何由基于传感条件的一系列局部决策中涌现。R-DDM不在事前计算完整沉积路径，而是在制造过程中响应环境输入，增量式生成并更新轨迹。光被用作环境输入，类似于向光性刺激，以展示持续外部输入如何引导沉积行为。R-DDM并非被构想为校正机制，而是由交互驱动的生成过程。

本研究旨在探究离散化沉积是否能够实现一种连续工具路径基挤出无法获得的制造时响应性。本研究由三个假设引导。

H1：离散化材料沉积使增材制造过程能够将环境输入纳入为生长的主动驱动因素。

H2：响应式制造行为可通过局部交互规则成功定义和引导，而无需预定义工具路径或明确目标几何。

H3：此类行为能够在全局尺度上保持可解释性和稳定性，同时容纳由传感和材料执行产生的局部变异。

这些假设共同将 R-DDM 构建为响应式制造的基础方法，拓展了对先前实验研究的分析与批判性理解，以确立增材制造超越以路径为中心执行的操作设计空间。

 图文解析

图 1：响应式打印工作流概览，展示感知、响应与行动阶段及其迭代结构。
图 2：响应式打印周期中 ROS2、Grasshopper、相机与三维打印机之间的通信架构。
图 3：图像预处理流程：a 建造区域裁切；b 灰度归一化；c 像素坐标映射与阴影检测；d 用于估计光源位置的投影向量。
图 4：响应式离散沉积建模流程：a 转向行为的作用力分解；b 代理间的四种局部交互。
图 5：单一趋光仿真情景：光源四次移动后代理轨迹随之转向，蓝色箭头表示各周期的转向向量。
图 6：离散材料单元沉积校准：a 标示测量参数的打印样本；b 用于推导挤出剂量模型的校准样本。
图 7：数字仿真情景：通过分阶段调整吸引、凝聚与分离作用，得到趋光、合并、分枝及混合行为样本。
图 8：趋光实验的仿真、感知与实体打印：上方为仿真轨迹，中间为相机画面及转向向量，下方为对应实体打印过程。
图 9：三次实体试验到光源的距离与仿真轨迹对比；竖线表示光源位置变化。
图 10：不同光源位置及对应周期下的仿真（上）与实体样本（下）：a 分枝；b 合并；c 混合行为。
图 11：三次实体试验与仿真中代理到光源的平均距离：a 分枝与分离；b 合并与凝聚。
图 12：混合行为过程中的活动代理数量，展示分枝与合并阶段的拓扑重组。
图 13：实体样本：a 三次分枝试验；b 三次合并试验。不同试次呈现一致的整体组织及局部差异。
图 14：分枝（a、b）与合并（c、d）样本的局部特写。

by Lucas Helle, Joseph Naguib and Roberto Naboni

l 谷专栏 l

欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。

网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷

铌基难熔合金具有高熔点、适中密度和良好的高温性能，是航空航天热端部件的关键结构材料。激光粉末床熔融（LPBF）为复杂结构铌合金构件的近净成形提供了新途径，但在该工艺下同时实现良好的可打印性、强度与塑性仍是一大挑战：现有的激光粉末床熔融可成形铌合金中，C103合金室温及高温强度偏低，而依赖碳化物强化的Nb521合金在1200 ℃屈服后流动应力快速下降，表现出明显的热软化。

针对上述问题，哈尔滨工业大学与军事科学院合作团队以传统Cb752合金（Nb-10W-2.5Zr）为基础，保留10 wt.% W以维持高温承载能力，并以V替代Zr，提出V诱导局部晶格畸变（local-lattice distortion，LLD）的合金设计策略。结合Scheil非平衡凝固模拟与凝固裂纹敏感性计算，筛选出兼具低开裂倾向和良好强塑性的Nb-10W-5V合金。

激光粉末床熔融成形并经1600 ℃/2 h真空热处理后，该合金为单相体心立方（BCC）组织，室温屈服强度约625 MPa、抗拉强度约739 MPa，较已报道的激光粉末床熔融制备的铌基合金屈服强度提高50%以上；在1200 ℃下仍保持约261 MPa的屈服强度和15.1%的断裂延伸率，在不含任何碳化物增强相的条件下，强度与碳化物强化的Nb521合金相当，延伸率提高约48%，并呈现出优异的抗高温软化能力。

透射电镜（TEM）分析表明，1200 ℃变形后合金中存在大量长直的螺位错，其作为稳定的塑性承载载体表明动态回复受到抑制。第一性原理计算进一步揭示了V诱导的局部晶格畸变、电荷密度重排和d轨道杂化提高了晶格摩擦应力，而多个滑移面上较低的不稳定层错能有利于位错形核与滑移。该研究建立了“V诱导局部晶格畸变—固溶强化—位错运动与层错能—高温强塑性”之间的关联，为开发激光粉末床熔融制备可打印且高强韧的铌基难熔合金提供了新的设计思路。

第一作者：丁洁
通讯作者：Kaiju Lu，黄永江，Xiubing Liang
通讯单位：哈尔滨工业大学；军事科学院。
论文题目：Local-lattice distortion enables remarkable high-temperature strength and ductility in a Nb-based refractory alloy fabricated by laser powder bed fusion
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2026.105404

 论文亮点

（1）本研究开发了一种适用于激光粉末床熔融（LPBF）成形的新型抗裂 Nb-10W-5V 合金。

（2）室温强度显著提升。热处理态Nb-10W-5V的室温屈服强度、抗拉强度和均匀延伸率分别为625 MPa、739 MPa和8.2%，该 Nb-10W-5V 合金的强度优于现有的先进同类难熔合金。

（3）1200 ℃强度与塑性协同。合金在1200 ℃下保持261 MPa屈服强度和15.1%总延伸率，在无碳化物条件下强度与碳化物强化Nb521相当、延伸率提高约48%；流动应力在约12%应变范围内几乎保持稳定，克服了传统铌合金屈服后的快速热软化。

（4）V 元素的加入加剧了局部晶格畸变，从而提高摩擦应力使合金得到强化。

 图文解读

凝固计算筛选低裂纹倾向合金

铌合金对间隙污染和快速凝固高度敏感，激光粉末床熔融工艺下的凝固裂纹是限制可打印性的关键。作者以Cb752合金为基础，对比考察了Nb-10W-5V、Nb-10W-2.5Zr（Cb752）、Nb-10W-2.5V和Nb-10W-5Zr四种候选合金。Scheil凝固路径显示四种合金均为单相BCC凝固，但凝固末端均出现大量二次偏析，倾向于增大凝固区间；凝固裂纹指数SCI（固相分数0.90–0.99区间）以Nb-10W-5V最低，仅为14671，且随凝固进程保持最小。Clyne与Kou凝固裂纹敏感性（SCS）计算进一步表明，Nb-10W-5V的SCS分别低至1.44和1.53×10⁴，低于商用Cb752以及其他三种候选合金；与已有可打印参考合金相比，其Clyne指标低于激光粉末床熔融增材制造的Nb521、接近C103，预示其具备良好的LPBF可打印性。

候选合金的非平衡凝固行为与凝固裂纹敏感性计算。(a) Scheil凝固路径；(b) 凝固裂纹指数SCI随固相分数的变化；(c) 凝固末端放大；(d) Clyne与Kou凝固裂纹敏感性（SCS）对比，C103、Nb521作为可打印参考合金。

室温与1200 ℃强塑性能匹配

经1600 ℃/2 h真空热处理后，Nb-10W-5V与激光粉末床熔融制备的Nb521合金在室温和1200 ℃下进行了单轴拉伸对比。室温下，Nb-10W-5V屈服强度、抗拉强度和均匀延伸率分别为625±5.4 MPa、739±3.2 MPa和8.2±1.3%，较Nb521的屈服强度和抗拉强度分别提高50.8%和17.2%，仅总延伸率略有降低。在1200 ℃下，Nb-10W-5V屈服强度和抗拉强度分别为261±4.3 MPa和262±4.7 MPa，总延伸率达15.1±2.5%，与Nb521强度相当，而延伸率较Nb521提高约48%。值得注意的是，Nb521在屈服后流动应力迅速下降，而Nb-10W-5V在约12%应变范围内流动应力几乎保持稳定，表明其具有显著的抗高温软化能力。

与已报道的增材/变形铌基合金及难熔高熵合金对比，Nb-10W-5V在室温下具有明显更高的屈服强度；在1200 ℃下，其比屈服强度与Nb521相当，并高于多数已报道的铌基合金及难熔高熵合金，实现了高温强度与塑性的良好匹配。

Nb-10W-5V与Nb521合金在(a)室温和(b) 1200 ℃下的典型工程应力-应变曲线。

Nb-10W-5V与已报道增材/变形铌基合金及难熔高熵合金在(a)室温和(b) 1200 ℃下的力学性能对比，(b)同时给出比屈服强度随密度的变化。

LPBF热处理态的多尺度组织

电子背散射衍射（EBSD）结果显示，热处理态Nb-10W-5V在XY面以等轴晶为主，平均晶粒尺寸约22.65 μm，在XZ面则为柱状晶，晶粒长宽比约2.53；XY面与XZ面的平均核平均取向差（KAM）值分别为1.03°和0.8°，表明LPBF非平衡凝固引入了高密度几何必需位错。明场TEM进一步观察到晶粒内部存在位错墙和胞状位错等典型LPBF位错亚结构，这些亚结构在后续热处理中仍得以保留。[111]带轴的选区电子衍射（SAED）花样仅显示BCC衍射斑点，表明合金为单相BCC组织；X 射线衍射结果（补充材料）表明其晶格常数为3.278 Å，且衍射峰向高角度偏移，进一步印证了W、V固溶引起的晶格畸变。

热处理态LPBF Nb-10W-5V合金的组织。(a-b) XY面与XZ面的反极图（IPF）图；(c) XY面晶粒尺寸分布；(d) XZ面晶粒长宽比分布；(e-f) XY面与XZ面的KAM图；(g-i) 明场TEM形貌，显示位错墙与胞状位错，(i)中插图为[111]带轴SAED花样。

温度依赖的变形机制

拉伸断裂后试样纵截面的EBSD显示，1200 ℃变形后试样的平均KAM值为1.46°，高于室温变形后的0.95°，说明高温下累积了更多的局部取向差和塑性变形。室温拉伸断裂后通过TEM可观察到密集的平面滑移带、位错胞与位错缠结以及蜂窝状位错网络，反映出室温下以位错滑移和位错相互作用为主的变形特征。

在1200 ℃断后试样中，作者观察到大量长而直的位错，其大多为a0/2〈111〉螺位错，通过不同双束衍射条件下的g·b分析识别出两组不同的伯氏矢量。在常规动态回复充分的高温变形中，螺位错通常会快速交滑移和攀移；但在本合金中，这些长直螺位错在断裂后仍稳定存在，说明V、W溶质原子的拖拽作用抑制了动态回复，使位错能够持续承载，从而抑制了屈服后的流动应力下降。

室温与1200 ℃断后Nb-10W-5V合金的代表性EBSD结果。(a,b) IPF图；(c,d) KAM图。

Nb-10W-5V合金室温断后的代表性TEM形貌。(a) 平面滑移带；(b,c)位错胞与位错缠结；(d) 蜂窝状位错网络。

Nb-10W-5V合金1200 ℃断后的TEM表征。(a-d)不同双束衍射条件下的明场像，识别出两组a0/2〈111〉螺位错；(e) 位错组态；(f) 位错类型示意图。

高强度的定量来源与局部晶格畸变

为了解高强度的来源，作者将屈服强度分解为固溶强化、晶界强化和位错强化三项进行定量估算。结果表明，Nb-10W-5V的固溶强化贡献约352.2 MPa（占57%），位错强化约193.6 MPa（占31%），晶界强化约71.4 MPa（占12%），计算得到的屈服强度约617.2 MPa，与实验值625 MPa高度吻合；而Nb521的固溶强化贡献仅约159.3 MPa，前者是其两倍以上，充分体现了W/V协同固溶与位错亚结构的强化作用。

第一性原理计算表明，V的原子半径和弹性模量均明显小于Nb，可在晶格内产生强烈的局部晶格畸变（LLD）：Nb-10W-5V的平均原子位移约0.047 Å，高于Nb-10W的0.033 Å和Nb521的0.023 Å，也高于多数已报道的难熔合金/高熵合金。高度局部化的畸变既提高了溶质原子的位错钉扎能力，又因未达到破坏滑移面连续性的程度而兼顾了塑性，这为通过LLD工程实现高强与高韧的平衡提供了原子尺度依据。

Nb-10W-5V与Nb521合金室温屈服强度中固溶强化、晶界强化、位错强化以及Nb521析出强化贡献的计算对比。

W、V溶质在Nb基体中诱导的原子尺度晶格畸变。(a) 理想BCC Nb晶格、Nb-10W晶格与Nb-10W-5V晶格的原子位移场；(b) Nb521、Nb-10W与Nb-10W-5V的局部晶格畸变对比；(c) 与已报道难熔合金及难熔高熵合金的局部晶格畸变比较。

电子结构、层错能与本征塑性

(110)面的二维电荷密度及三维差分电荷密度显示，Nb-10W-5V中W、V周围出现明显的电荷密度重排，W原子周围聚集更多电子，相邻Nb原子电子密度降低，形成了明显的键合强度差异；同时W-V和W-Nb键合区域存在电子聚集，表明形成了局部强键。态密度（DOS）结果显示，费米能级附近出现宽度约2.262 eV的赝能隙，且W的d轨道与Nb的d轨道发生明显杂化，增强了晶格摩擦应力，有助于提高强度。

在塑性方面，Nb-10W-5V在{110}、{112}和{123}三个BCC主要滑移面上的不稳定层错能γusf均低于Nb521，且各滑移面之间差异较小，有利于位错在多个滑移面上形核与开动。Rice参数D（γsurf/γusf）计算显示，Nb-10W-5V在三个滑移面上的D值分别为3.09、3.05和2.94，高于Nb521、MoReW以及NbTaW、NbTaMoW、NbTaMoWV等脆性难熔高熵合金，表明其具有更高的本征塑性。这解释了该合金在1200 ℃下多滑移面充分开动、位错长程运动而不易萌生裂纹的原因。

Nb-10W-5V与Nb521合金的电子结构。(a,b) (110)面的二维电荷密度；(c,d) 三维差分电荷密度等势面，黄色表示电子聚集、青色表示电子耗尽。
Nb-10W-5V合金的总态密度（TDOS）与分波态密度（PDOS）。
Nb-10W-5V与Nb521合金在(a) {110}、{112}、{123}三个BCC滑移面上的不稳定层错能γusf对比，以及(b) 关键性能参数雷达图

 总结与展望

（1）提出了V诱导局部晶格畸变的合金设计策略。以Cb752为基础保留10 wt.% W、以V替代Zr，结合Scheil凝固模拟与凝固裂纹敏感性计算，证实V可有效降低凝固裂纹敏感性，获得了无裂纹、含典型位错亚结构的Nb-10W-5V合金。

（2）实现了室温与1200 ℃下的强度-塑性协同。合金在1200 ℃屈服后流动应力近恒定、延伸率达15.1%，克服了传统碳化物强化铌合金的快速热软化问题，且在室温下保持了约625 MPa的屈服强度。

（3）揭示了高强度的定量来源。W/V协同固溶强化与位错亚结构共同贡献了主要强度，为超越传统碳化物强化、实现不依赖碳化物的高温承载提供了新路径。

（4）阐明了温度依赖的变形机制。室温下以平面滑移、位错胞和位错缠结为主；1200 ℃下长直螺位错稳定承载，溶质原子的拖拽作用抑制了动态回复，实现了稳定的高温塑性流动。

（5）第一性原理计算表明，V诱导的局部晶格畸变、电荷密度重排和d轨道杂化增强了晶格摩擦，而多个滑移面上较低的不稳定层错能有利于位错形核与滑移，为高强度与高塑性的协同提供了电子结构基础。

总体而言，该工作证明通过局部晶格畸变工程在固溶强化与位错运动能力之间取得平衡，可在不依赖碳化物的前提下实现激光粉末床熔融制备的铌合金可打印性、强度和塑性的协同，为下一代极端高温环境用难熔合金的设计提供了可推广的策略框架。

论文引用

Jie Ding, Kaiju Lu, Yanbo Zhang, Kaixin Wang, Xu Li, Jugan Zhang, Jie Wang, Yongjiang Huang, Xiubing Liang. Local-lattice distortion enables remarkable high-temperature strength and ductility in a Nb-based refractory alloy fabricated by laser powder bed fusion. Additive Manufacturing, 2026, 105404.

https://doi.org/10.1016/j.addma.2026.105404

l 谷专栏 l

欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。

网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷

为突破传统3D打印技术局限于单一均质材料、难以实现复杂功能和动态响应的瓶颈，吉林大学任露泉教授团队近期在SCI期刊《极端制造（英文）》上发表了题为“Heterogeneous material 3D printing: from multi-material integration to spatiotemporal functionality programming”的综述文章。

该文系统阐述了异质材料3D打印（HM3DP）的化学基础、工艺创新与前沿应用，提出了涵盖组分、结构与功能-时间三个维度的异质性分类体系，旨在统一领域标准、推动技术创新，为仿生结构、柔性电子与智能器件等先进领域提供理论与技术支撑。

论文链接：
https://doi.org/10.1088/2631-7990/ae87e9

作者
周雪莉，刘洪佩，徐超*，任雷*，张计峰*，钱志辉，刘庆萍，任露泉

机构
吉林大学，曼彻斯特大学，长春理工大学

图1 HM3DP在多学科交叉应用场景中面临的科学挑战。

 图文解析

异质材料3D打印技术通过多材料协同集成、工艺参数动态编程及外场辅助调控等策略，实现对构件材料组成、微观结构与功能的精准三维空间控制。

本文构建的三层异质性分类体系将异质材料分为：1） 组分异质性；2） 结构异质性；3） 功能-时间协同异质性。该体系不仅从分子尺度到宏观功能层面建立了系统化评价指标，更标志着增材制造从静态层叠到动态智能设计的演进（图2）。

图2 HM3DP的化学基础：动态界面化学、仿生粘附分子工程与梯度策略。

文章深入分析了HM3DP当前面临的三大核心交叉科学挑战：

动态界面兼容性难题：多材料界面普遍存在化学不相容、力学失配与时效退化等连锁反应；

跨尺度异质力学完整性及断裂控制难题：从纳米功能填料的取向排布到宏观复杂结构（如仿生血管网络、力学超材料晶格）的精确制造，现有技术缺乏有效的跨尺度协同调控机制；

功能-时间协同缺失难题：现有技术大多局限于静态组分/结构异质性，难以满足4D打印、智能电子等领域对性能随时间演化的需求。

这些挑战在4D打印、柔性电子器件与生物医用材料等高端应用场景中具体表现为界面失效、分辨率低及性能-环境失配等问题。

针对上述挑战，文章从化学基础与工艺创新两大维度系统梳理了前沿突破。首先，动态界面化学：通过动态共价键（如Diels-Alder反应）、可逆配位键与非共价相互作用协同，实现界面的可编程粘附、智能响应与自修复，显著提升异质结构的长期稳定性（图2）。其次是仿生粘附分子工程：模拟天然细胞外基质信号，优化细胞-材料界面相互作用，提升生物打印的组织构建效率。最后是运用梯度策略：在刚-柔界面等突变区域，通过工艺参数与交联密度的空间调控实现力学性能的平滑过渡，有效分散应力集中。

在工艺创新方面，文章重点探讨了光聚合、材料挤出等主流技术如何通过动态树脂交换、微流控混合、体积曝光等创新方法，实现从纳米功能单元排布到宏观复杂结构成形的跨尺度协同调控（图3）。

图3 光聚合工艺在多材料打印中的技术演进：从树脂槽更换到基于毛细管流与微流控的动态梯度控制。

 总结与展望

本文系统综述了异质材料3D打印领域的最新进展，构建了标准化的三层异质性分类体系，并剖析了动态界面兼容性、跨尺度力学控制及功能-时间协同三大核心挑战及其解决方案。未来，通过多物理场协同与智能优化，HM3DP有望实现自适应、高性能的异质系统，真正弥合静态制造与动态智能设计之间的鸿沟，为新一代自监测植入体、自适应软机器人等产品开发铺平道路，开启材料科学与工程的新前沿。

论文引用

Zhou X L, Liu H P, Xu C, Ren L, Zhang J F, Qian Z H, Liu Q P, Ren L Q. 2026. Heterogeneous material 3D printing: from multi-material integration to spatiotemporal functionality programming.Int. J. Extrem. Manuf. 8 062001.

l 谷专栏 l

欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。

网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷

随着质子交换膜燃料电池（PEM FC）技术在汽车领域得到验证，其航空潜力正被认识，航空业正处在变革边缘。但当前燃料电池技术尚不能满足民用航空关键市场推进系统的需求。面向航空定制开发超过2MW乃至多兆瓦级的燃料电池发电系统（PGS），支撑氢燃料电动、高效、高性能飞行，正成为发展方向。

根据3D科学谷的市场观察，空客开展了一项名为Brava的项目，其全称为“面向航空的突破性燃料电池技术”。该项目的目标是开发用于航空、功率超过2MW的燃料电池发电系统（PGS），以重新定义飞机推进方式，支撑空客关于客运航班采用多兆瓦燃料电池发电系统的愿景。项目在燃料电池电堆、辅助系统（BoP）、热管理、热交换器和空气供应设计等方面开展创新。

未来飞机需要应对兆瓦级的散热挑战。按照Brava项目的判断，基于氢燃料电池的可持续航空动力“不仅是推进系统的挑战，更是热管理的挑战”。该项目要在热管理系统中创新采用两相冷却系统（2-PC）和增材制造热交换器（AM-HX）技术，并通过增材制造设计、开发、测试并验证紧凑型空气-液体热交换器；热交换器还需优化排热，同时无缝集成到飞机系统中。

“3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

然而，兆瓦级热负荷所带来的散热挑战远超增材制造以往所服务的紧凑型、低热负荷应用。值得关注的是，参与Brava项目的Madit公司，采用金属增材制造技术以及模块化设计思路，开发了一款近一米的铝合金3D打印热交换器，或将破解这一散热难题。本期谷·透视，将聚焦探讨这款热交换器对于Brava项目下燃料电池发电系统热管理创新的意义。

为Brava项目开发的燃料电池发电系统增材制造热交换器
来源：Madit

 增材制造热交换器是重要的创新子集

Brava项目周期为2022年12月至2025年12月，项目总预算19,986,841欧元，共有14家合作伙伴。

来源：Airbus

项目挑战集中在燃料电池电堆及其辅助系统（BoP）部件，并在采用两相冷却系统（2-PC）和增材制造热交换器（AM-HX）技术的热管理系统中开展创新，空气供应系统也进行研发。每个子系统在集成前都要经过严格验证。

来源：Airbus

在解决方案上，Brava项目从初步设计阶段开始，构想一个无缝融合各子系统的完整的燃料电池发电系统（PGS）。虽然重点是子系统技术进步，但将其集成到动力推进系统以及飞机级集成将在后续阶段进行。项目强调，每个部件都要经过详尽测试以满足最高标准，部件级和子系统级测试确保符合既定准则；并以基准技术部件为参照，对照参考燃料电池系统架构评估性能。

来源：Airbus

Brava项目提出的具体目标包括：定义基于燃料电池的发电系统架构和安全要求；设计、开发、测试并验证燃料电池电堆两相冷却系统；通过增材制造设计、开发、测试并验证紧凑型空气-液体热交换器；开发、优化、测试并验证高性能燃料电池电堆；为航空燃料电池系统开发、测试并验证空气供应子系统；设计具有高效率和功率密度、并与航空规格及约束条件兼容的燃料电池发电系统。

在优势层面，Brava项目提出：基于两相冷却的TMS采用紧凑设计，优先考虑燃油效率和减重；增材制造技术优化排热，同时无缝集成到飞机系统中，提升性能和燃油效率；先进电堆单电池催化剂与膜释放更高性能、耐久性和运行能力；创新空气供应架构减少功率损失和重量，降低燃油消耗和设备成本；优化的燃料电池系统架构通过阳极和阴极流路再循环等创新概念，促进紧凑性、轻量化设计并提高运行可靠性。

由此可见，Brava项目的应对不是单点突破，而是在完整PGS初步设计框架下，聚焦燃料电池电堆、BoP、TMS、热交换器和空气供应等子系统，经过严格验证后再走向动力推进系统和飞机级集成。

热管理中的两相冷却系统和增材制造热交换器，正是这一路径中的关键组成。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

 3D打印模块化装配，做出近一米紧凑热交换器

在Brava项目中，Madit公司的核心贡献是铝合金3D打印以及散热器结构部件和热交换器的装配。为在不牺牲热性能的前提下克服打印舱尺寸的常见限制，项目采用了高精度模块化方案。

Madit开发的热交换器包括4个中心芯体模块和2个主集流管。其中，4个中心芯体模块，采用先进内部几何结构，旨在在不增加质量的情况下最大化水-乙二醇与空气之间的传热。而2个主集流管，旨在优化冷却液流动并确保均匀分配。最终，制造商将这六个3D打印部件进行精密连接与焊接，装配而成单个近一米长的紧凑型热交换器。

金属3D打印能够实现极严格的公差以及传统机加工或成形工艺无法完成的内部几何结构，确保极端工况下的密封性和结构强度。在这一应案例中，Madit公司制造的200 kW热功率演示验证件，不仅代表3D打印部件在尺寸和冷却功率上的里程碑，而且与巡航和起飞工况下的传统基准部件相比，实现了总质量减少33%、占用体积减少11%、气动阻力降低22%，这将转化为更高的能效、更低的燃油消耗和更长的航程。

Madit公司表示，得益于金属增材制造的技术灵活性以及该模块化架构的验证，已准备好将这些3D打印工艺扩展到全尺寸商用氢能飞机所需的散热水平。

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷 l 链接到3D科学谷网站原文

-第六届航空航天增材制造大会优秀论文集章节内容-

摘要:航空航天装备对高性能复杂结构的迫切需求，推动增材制造技术从原型验证加速向批量化生产转型。本文从基础理论、材料体系、工程应用、质量管控与产业生态五个维度，系统开展航空航天增材制造全产业链研究。建立激光粉末床熔融过程热传导数学模型，明确体积能量密度与成形缺陷的量化关联；对比钛合金、镍基高温合金、中熵合金等特种材料的组织性能调控策略；结合四大典型应用场景验证增材制造减重降本的工程价值；构建“感知 – 分析 – 决策 – 追溯” 的智能化质量管控体系；研判产业落地路径与前沿技术趋势。研究结果可为航空航天增材制造的技术研发与产业推广提供理论支撑与实践参考。

 1 引言

航空航天制造业是国家高端装备能力的核心标志，其产品需同时满足复杂构型、极端工况与高可靠性三重要求。传统铸锻焊与减材制造工艺在一体化轻量化结构、随形内部流道、拓扑优化构型的制造中，普遍存在材料利用率低、研制周期长、工装成本高等瓶颈。增材制造以逐层堆积、近净成形为核心原理，突破了几何复杂度对制造工艺的约束，为航空航天装备性能跃升提供了全新的技术范式。

自 20 世纪 90 年代起，欧美国家率先将增材制造纳入航空航天战略布局：美国空军通过 TITAN-AM 项目牵引大型钛合金结构件工业化应用，GE 航空在 GE9X 发动机中集成 304 个增材制造零部件；空客 A350 系列飞机大规模应用增材制造支架类构件，减重效果显著。国内领域，C919 大型客机、长征系列运载火箭等型号均已实现增材制造部件装机应用；2026 年轻舟试验飞船完成太空金属 3D 打印验证，标志我国空间增材制造技术跻身国际第一梯队。

当前产业正从“能用” 向 “批量耐用” 转型，多激光协同、多材料梯度制造等工艺持续突破，但工艺稳定性不足、内部缺陷定量表征困难、认证周期长等问题仍制约大规模产业化应用。本文系统梳理航空航天增材制造全产业链技术进展，厘清技术演进脉络，构建智能化质量管控框架，为该领域科研与产业决策提供参考。

 2 增材制造基础理论与前沿工艺技术演进

2.1 激光粉末床熔融热传导机理与数学模型

激光粉末床熔融（L-PBF）是航空航天领域应用最广泛的金属增材工艺，其本质是高能激光选择性扫描粉末床，使金属粉末快速熔化 – 凝固并逐层堆积成形，过程涉及激光 – 粉末交互、熔池流动、相变传热等复杂物理现象，明确其热传导机制是工艺精准调控的理论基础。

熔池温度场分布遵循非稳态热传导控制方程：

式中，ρ为材料密度，Cp为定压比热容，T为温度，t为时间，k为热传导系数，Q为激光内热源项。该方程表征单位体积热能变化率与热传导扩散量、内热源发热量的平衡关系，是温度场数值模拟的核心控制方程。

激光热源采用高斯面热源模型描述，热流密度分布为：

式中，A为材料激光吸收率，P为激光输出功率，R为光斑有效半径，(x0,y0)为光斑初始中心坐标。高斯热源准确反映了激光能量中心高、边缘低的分布特征，与实际熔池 “碗状” 截面形貌高度吻合。

工艺参数对成形质量的影响可通过体积能量密度量化：

式中，Ev为体积能量密度（J/mm3），v为扫描速度，h为铺粉层厚，s为扫描线间距。能量密度过低易引发未熔合孔隙，过高则会导致球化、匙孔效应与元素烧损。航空航天常用 Ti6Al4V 钛合金的最优能量密度窗口为 50~80 J/mm3，对应致密度可达 99.9% 以上。详见图1：激光粉末床熔融（L-PBF）工艺成形原理与能量密度调控机制示意图。

图注：本图展示 L-PBF 逐层堆积成形原理，包含激光扫描、粉末熔化、凝固堆积全过程，标注激光功率、扫描速度、层厚等核心工艺参数，直观呈现能量密度与成形缺陷、构件致密度的关联机制，为工艺参数优化提供可视化支撑。

2.2 主流工艺路线的技术演进与对比

航空航天主流金属增材制造工艺分为 L-PBF、电子束熔融（EBM）与定向能量沉积（DED）三类，三者各有侧重，适配不同类型构件。

L-PBF 采用 15~45μm 精细粉末与高精度振镜，可实现 ±0.05mm 尺寸公差与 Ra3.2μm 以下表面粗糙度，是精密复杂构件的首选工艺。多激光协同技术的商业化应用使成形效率大幅提升，配合主动气氛控制、熔池在线监测等配置，单批次成品率已从早期不足 70% 提升至 95% 以上。

EBM 在真空环境下以电子束为能量源，工作温度可达 800~1000℃，成形残余应力低，适配 TiAl 等难加工、易开裂材料。GE 航空采用 EBM 批量生产 GE9X 发动机 TiAl 低压涡轮叶片，较镍基合金减重 50%，但该工艺表面粗糙度偏高，设备运维成本显著高于 L-PBF。

DED（含 LMD、WAAM 等子类型）聚焦大型结构件制造与修复。2026 年美国空军 TITAN-AM 项目采用 20kW 激光金属丝沉积工艺，将大型钛合金构件 Buy-to-Fly 比从 20:1 降至 1.5:1 以下。WAAM 成本更低、沉积效率更高，适配铝合金等大尺寸中等精度构件。

2.3 前沿工艺创新方向

新兴工艺持续拓展航空航天增材制造的能力边界。电场辅助烧结增材制造通过脉冲电场的焦耳热与放电等离子体效应促进致密化，可在低温下实现陶瓷基复合材料快速成形，为航空发动机热端部件提供新路径。超音速冷喷涂增材制造以固态颗粒高速撞击实现沉积，热输入极低且无熔化相变，适配镁合金等热敏材料与异种金属连接，在航空维修再制造领域优势突出。

等离子熔积增材制造兼具高能量密度与高沉积效率，其与铣削复合的增减材一体化工艺可兼顾成形效率与最终精度，大幅缩短工艺流程。

太空增材制造是最具战略价值的前沿方向。微重力环境下，浮力驱动的马兰戈尼对流成为熔池流动的主导机制，与地面行为存在本质差异。2026 年轻舟飞船太空金属打印实验获取了微重力下熔池动态与凝固组织数据，为空间站在轨制造、月球基地建设奠定了技术基础，长远可实现按需制造、在轨维修与原位资源利用的颠覆性变革。详见图2：航空航天主流增材制造工艺技术对比与适用场景图谱。

 3 航空航天特种增材材料研发与性能表征

3.1 钛合金与钛铝金属间化合物

钛合金是航空航天增材制造用量最大的材料体系，其中 Ti6Al4V 占据主导地位。通过工艺参数与热处理制度优化，增材制造 Ti6Al4V 的拉伸、屈服强度均可达到锻件水平，延伸率稳定在 10%~15% 区间。L-PBF 成形 Ti6Al4V 因快速凝固形成细密针状马氏体 α’ 组织，强度高于锻件但塑性略低；经 800~950℃真空退火后，马氏体分解为 α+β 层片组织，塑性可恢复至锻件水平。

热等静压（HIP）可消除构件内部微孔隙与疏松，提升疲劳性能与断裂韧性，是关键承力构件的标准后处理工序。经 HIP 处理的增材制造 Ti6Al4V 疲劳寿命可提升 30% 以上，内部缺陷尺寸降至检测极限以下。

TiAl 金属间化合物密度仅为镍基高温合金的一半，高温强度与抗氧化性能优异，是低压涡轮叶片的理想换代材料。其室温塑性差、传统铸造成品率低，EBM 工艺通过预热温度调控与扫描策略优化，可有效抑制裂纹萌生。GE9X 发动机 228 片 TiAl 低压涡轮叶片全部采用 EBM 制造，已通过适航认证并投入商业运营。

3.2 镍基高温合金

镍基高温合金占航空发动机总重量的 40%~60%，是热端部件的核心材料。Inconel 718（GH4169）是研究最深入的镍基增材材料，其沉淀强化特性对热历史敏感，L-PBF 成形后呈细小树枝晶结构，Laves 相随晶界分布。经标准固溶 + 时效热处理后，γ” 相均匀析出，室温和 650℃高温力学性能均可达到锻件标准。

Inconel 625 凭借优异的高温耐蚀性，广泛应用于发动机管路、换热器壳体等部件。增材制造的核心优势在于可制备含复杂内部流道的一体化结构，如燃油喷嘴、再生冷却推力室。传统工艺需十几个零件焊接组装，增材制造可一次成形，既减重又消除焊接薄弱环节。空客新一代发动机燃油系统采用 3D 打印 Inconel 625 喷嘴，部件数量减少 80%，泄漏风险降低 90% 以上。

3.3 中熵合金与纳米增强复合材料

随着航空航天装备向更高速度、更极端工况发展，传统合金体系逐渐逼近性能极限。高熵 / 中熵合金因多主元设计产生的晶格畸变与迟滞扩散效应，兼具优异的强韧性匹配与低温性能，成为增材材料领域的研究热点。多材料梯度成形技术可实现不同合金体系的成分连续过渡，为中熵合金工程化应用提供了灵活路径。

纳米陶瓷颗粒增强金属基复合材料是另一重要发展方向。TiB₂、TiN、SiC 等纳米增强相通过粉末球磨或原位反应引入基体，借助细晶强化、奥罗万强化与载荷传递效应，实现强度与高温性能同步提升。高熵合金颗粒增强铝基复合材料经激光增材制造成形后，基体晶粒显著细化，界面结合良好，室温和高温力学性能均大幅提升，在高超声速飞行器热结构中具备重大应用潜力。

3.4 铝合金与功能复合材料

铝合金在航空航天结构中用量巨大，但传统铝合金因激光吸收率低、热导率高，增材制造易产生气孔与热裂纹。近年来 AlSi10Mg、Scalmalloy 等专用增材铝合金逐步成熟，经工艺优化后致密度与力学性能持续提升，在无人机机身、卫星结构板等场景极具竞争力。

电弧增材制造铝合金通过熔池调控与层间温度控制，可有效降低热裂纹倾向，沉积效率可达L-PBF的 10 倍以上，成本降低 60% 以上，在火箭贮箱、飞机翼梁等大型结构中应用前景广阔。

聚合物基复合材料增材制造在飞机内饰、机载设备壳体等非承力结构应用增长迅速。连续纤维增强热塑性复合材料 3D 打印构件比强度优于传统注塑件，可集成导电、传感等智能功能，进一步拓展了轻量化结构的设计空间。详见图3：航空航天核心特种增材材料性能体系及应用适配关系图。

 4 航空航天领域增材制造应用场景与部附件研发

4.1 运载火箭与航天动力系统

运载火箭是增材制造降本增效效果最显著的领域。传统火箭发动机由数万个零部件焊接组装，周期长且焊缝是可靠性薄弱环节。增材制造一体化设计将零件数量减少一至两个数量级，大幅缩短研制周期，已成为商业航天企业的核心竞争力。

美国Relativity Space采用L-PBF与WAAM结合的工艺制造 “人族” 火箭，整箭零件从十万级压缩至1000个以内，制造周期从24个月缩短至 2 个月。Orbex 3D打印一体化推力室采用同轴再生冷却设计，数百条冷却流道一次成形，壁温均匀性显著改善。

国内方面，天龙二号 TH-11V 液氧煤油发动机核心部件全部采用增材制造，零件数量减少 80%，制造周期缩短 70%~80%，推质比突破 100。星河动力2500N 姿控发动机单台制造成本降幅达 90%，为星座组网部署奠定了经济基础。

此外，增材制造微通道点阵结构换热器换热效率提升30%以上，减重 20%~40%，在高超声速飞行器热管理系统中不可或缺。大型电弧增材制造可直接成形火箭贮箱筒段与加强筋，焊缝数量减少70%以上，3.35 米铝合金贮箱箱底已完成验证。

4.2 大飞机与航空发动机领域

大型民用客机对安全性与可靠性的极致要求，决定了增材制造应用需循序渐进。当前增材制造部件主要集中在非承力与次承力结构，空客 A350XWB 客机已有超 1000 个增材零部件通过适航认证，单架减重逾百公斤，燃油消耗降低约 0.5%。

C919 大型客机的机头雷达罩支架、液压系统接头等多个钛合金零件已采用 L-PBF 制造并通过装机验证，交付周期缩短 60%，材料利用率从不足 10% 提升至 80% 以上。随着适航经验积累，增材制造部件正逐步从次承力向主承力结构拓展。

航空发动机是增材制造价值密度最高的领域。GE9X 发动机集成 304 个增材制造零部件，其中燃油喷嘴将 20 个独立零件整合为一体，内部 14 条精密流道一次成形，重量减轻 25%，使用寿命提升 5 倍，成本降低 30%，累计飞行小时数已突破数百万 [33]。

国内长江- 1000发动机的一体化燃油喷嘴已完成全工况台架试验，性能达到国际同类水平。在维修再制造领域，采用 DED 技术修复磨损的涡轮叶片叶尖、机匣封严面，修复成本仅为新件的 20%~30%，交付周期缩短 80%，经济效益显著。

4.3 卫星与太空制造应用

卫星平台小批量、多品种、轻量化的特点，与增材制造技术特性高度契合。传统卫星铝板蜂窝夹层结构设计制造周期长，增材制造一体化点阵结构可在保证刚度强度的前提下减重30%~50%，同时集成安装接口、走线槽等功能，大幅减少装配环节。

星载天线是典型高价值应用场景。L-PBF 制造的铝合金波导天线内腔表面粗糙度可达 Ra1.6μm，电性能优于传统铣削产品，重量降低 40% 以上。通过固有应变法预测成形偏差并反变形补偿，尺寸精度可控制在公差范围内，满足空间服役环境要求。

太空在轨制造可突破整流罩包络限制，在轨制造大尺寸天线与桁架结构，还可实现零部件在轨维修替换。2026 年轻舟飞船太空打印实验的成功，标志我国已掌握空间增材制造核心技术，为后续空间站制造设施建设与月球原位资源利用铺平了道路。

4.4 低空经济与通用航空领域

低空经济的兴起为增材制造带来新的增长极。eVTOL、工业级无人机等产品迭代快、轻量化需求迫切，与增材制造适配性极强。

eVTOL 对重量极度敏感，拓扑优化的增材制造机身骨架、电机支架可比传统机加工减重 25%~40%，且研发周期大幅缩短，可快速响应设计迭代。多家 eVTOL 头部企业已将增材制造作为核心工艺，单架应用零件达数百件。

工业级无人机领域应用更为成熟，拓扑优化的机翼接头减重效果显著，小批量生产无模具成本，改型速度快。碳纤维增强 PEEK 材料 3D 打印的无人机翼面比强度优于传统铺层工艺，可集成内部加强筋，结构整体性更好。随着空域开放，低空经济将成为增材制造增长最快的细分赛道。

 5 智能化质量管控与标准体系构建

5.1 增材制造质量管控面临的核心挑战

航空航天产品“一次成功、万无一失” 的质量要求，与增材制造多参数耦合、缺陷隐蔽、性能离散的特点形成尖锐矛盾，质量管控是规模化应用的最大瓶颈，核心挑战体现在四方面。

原材料管控难度大：金属粉末的粒度、球形度、氧含量等指标直接决定成形质量，但传统检测抽样率低、周期长，难以实现全批次筛查，空心粉、夹杂物等缺陷会转化为内部孔隙与裂纹，激光诱导击穿光谱、机器视觉等新技术距工业化在线检测仍有差距。

内部缺陷检测困难：构件内部微孔隙、未熔合、裂纹等缺陷多为微米级，且深埋于复杂结构内部，常规超声、X 射线检测分辨率与定量精度不足，点阵、随形流道等构型更使传统无损检测几乎失效。工业 CT 是当前最有效的检测手段，但效率低、成本高，难以实现全批量 100% 检测。

工艺稳定性不足：L-PBF 过程涉及数十个工艺参数，激光功率波动、铺粉不均、气流扰动、热积累等均可能引发局部缺陷，单层异常会逐层累积放大，最终导致整批零件报废。高价值构件单套成本可达数十万元，废品损失极高，对工艺闭环控制提出严苛要求。

认证体系不健全：增材制造“材料 – 工艺 – 性能” 强耦合的特点，使传统基于材料牌号与工艺规范的认证模式不再适用。设备更换、参数调整都可能需要重新全性能验证，认证周期长、成本高，严重阻碍技术推广。

5.2 基于多源传感与AI的智能化质量管控架构

解决质量管控难题的根本路径是智能化。通过在增材装备中集成多维度传感器，对粉末铺设、激光扫描、熔池演化、凝固成形全过程进行毫秒级数据采集，结合人工智能算法实时分析与反馈控制，构建“感知 – 分析 – 决策 – 执行” 的闭环管控体系，实现从 “事后检测” 向 “过程保证” 的范式转变。

感知层是管控基础，包含四类传感系统：熔池监测系统采用高速红外与可见光相机同轴采集熔池温度场与形貌，采样频率达万帧每秒，捕捉匙孔波动、飞溅等异常；铺粉质量监测通过线激光轮廓仪扫描每层粉末床，识别缺粉、堆粉等缺陷；光谱分析系统采集等离子体发射光谱，反演元素成分变化；声发射系统捕捉材料开裂的特征声信号，预警层间裂纹萌生。

分析层是管控核心，基于海量工艺数据与缺陷样本训练深度学习模型，实现缺陷实时识别、定位与分级。卷积神经网络对熔池图像进行像素级语义分割，匙孔型气孔与未熔合缺陷识别准确率达98%以上。机器学习模型可建立工艺参数与质量指标的非线性映射，致密度与力学性能预测误差远优于传统回归方法。

决策执行层实现工艺动态优化：监测到能量输入不足时，自动微调激光功率或扫描速度补偿；检测到铺粉缺陷时，触发重铺机制修复；缺陷严重不可修复时，及时中止打印避免损失。先进闭环系统可将熔池温度波动控制在±5℃以内，显著提升批次一致性与成品率。数字孪生技术实现物理与数字空间实时映射，完整记录全流程工艺数据，形成构件 “数字出生证明”，为质量追溯与寿命评估提供支撑。详见图4：基于多源传感与 AI 的增材制造智能化质量管控架构图。

5.3 标准体系建设与质量鉴定方法

标准是产业规模化的基础设施。国际上，ISO/TC 261 与 ASTM F42 深度合作，构建了涵盖术语、材料、工艺、检测、质量的完整标准簇。航空航天领域，SAE AS9100 已将增材制造纳入特殊过程管控，明确首件鉴定、过程确认、可追溯性等核心要求。中国商飞建立的迭代式鉴定架构，分试样级与零件级多轮验证，逐步扩大认证范围，兼顾严谨性与效率。

我国增材制造标准化工作推进迅速，SAC/TC 562 已发布数十项国家标准，覆盖基础通用、工艺方法、材料性能等维度。航空航天领域，针对钛合金、高温合金 L-PBF 工艺规范、质量控制要求、验收准则的行业与团体标准已陆续出台，形成 “基础通用 – 工艺专项 – 零部件应用” 的三级标准架构，为产业链协同提供支撑。

质量鉴定方面，航空航天正逐步形成“工艺确认 + 过程监控 + 抽样检测 + 破坏性验证” 四位一体的综合鉴定模式。与传统工艺依赖终检不同，增材制造更强调过程稳定性与可重复性：通过设备能力验证、参数固化、试样性能确认三层工艺评定，证明过程受控；生产中在线监控 100% 采集数据并自动判异；成品阶段抽样无损检测与解剖验证，定期全性能复测。这种 “过程保质量、数据证合格” 的思路，适配增材制造技术特点，代表了先进质量工程的发展方向。

6 产业化落地路径与发展趋势展望

6.1 产业发展现状与市场格局

全球航空航天增材制造产业处于高速增长期。2025 年全球 3D 打印整体市场规模突破 219 亿美元，金属增材制造占比约 45%，其中航空航天是最大下游应用领域，占比超 37%。预计 2030 年全球航空航天增材制造市场规模将突破 180 亿美元，年复合增长率超 20%。中国市场增速更快，2025 年规模接近 700 亿元，年增长率超 30%，工业级设备占比达 74%，正加速从原型制造向生产制造转型。

产业格局上，美国凭借先发优势与航空工业基础，在技术、标准与应用深度上全面领先，GE、波音等巨头构建了完整产业生态；欧洲空客、赛峰等企业在商用航空领域应用广泛；中国设备制造环节已实现从跟跑到并跑，铂力特、华曙高科等企业全球市场占有率稳步提升，C919、长征火箭等重大工程持续牵引技术进步，整体呈追赶态势，部分方向实现领跑。

产业链分工日益清晰，上游材料与设备技术壁垒高、附加值大，中游打印服务与后处理规模化效应显著，下游应用集成深度绑定主机厂需求。专业化增材制造服务企业快速崛起，通过规模化设备布局、工艺数据积累与专业认证获取，为客户提供批量制造服务，大幅降低了应用门槛。详见图5：航空航天增材制造全产业链结构及未来发展趋势框图。

6.2 产业化落地的关键路径

推动航空航天增材制造从“点上应用” 走向 “面上普及”，需沿技术、成本、标准三条路径协同发力。技术成熟度提升是前提。当前 L-PBF 在中小尺寸精密构件上已达工业化水平，但大尺寸、高精度、高一致性仍是核心突破方向。多激光扫描策略优化、气流场均匀化设计、智能铺粉与自动清粉系统、在线热处理集成等装备创新，将持续提升生产效率与成品率。后处理自动化同样关键，自动化去支撑、精加工、无损检测的智能化产线建设，可降低人工成本并提升质量稳定性。成本下降是规模化的核心驱动力。当前增材制造成本仍高于传统工艺，主要源于设备折旧、材料与人工成本。设备国产化与规模化已使 L-PBF 设备价格降至十年前的三分之一。金属粉末占制造成本的 30%~50%，提升粉末收得率、发展回收再生技术、扩大生产规模是降本关键。据测算，粉末价格下降 50% 且设备效率提升一倍时，航空结构件增材制造成本将与精密锻造基本持平，迎来大规模替代拐点。标准体系完善与认证加速是制度保障。加快制定全产业链标准，统一测试方法与验收准则，降低产业链协同成本。推动适航部门建立增材制造专项审查指南，探索数据驱动的适航认证新模式，缩短认证周期。完善的标准与认证体系将消除主机厂与供应商的顾虑，加速技术采纳。

6.3 未来技术与产业发展趋势

展望未来五至十年，航空航天增材制造将呈现五大发展趋势。①成形能力持续跃升，向更大、更精、更快演进。米级甚至十米级L-PBF 与 DED 设备逐步商业化，满足大型梁框、贮箱的制造需求；微纳增材制造应用于航空电子、传感器等微小精密器件；千激光并行、面曝光烧结等新型成形原理有望实现效率数量级提升，彻底改变生产节拍。②材料体系加速拓展，多材料功能梯度制造成为新前沿。从单一金属向金属 – 陶瓷、金属 – 聚合物、多金属梯度复合方向发展，实现 “一个构件、多种材料、分区性能” 的设计目标。4D 打印引入形状记忆与智能响应材料，使结构具备环境自适应能力，在可展开天线、变形机翼等场景价值突出。③智能化深度渗透，全流程无人化工厂加速到来。人工智能深度融入设计、工艺、监控、后处理、检测全链条：生成式设计AI输出最优结构，工艺 AI 生成最优参数包，质量 AI 实时监控闭环控制，检测 AI 自动判读 CT 影像。结合 AGV 物流、机器人后处理、智能仓储，实现熄灯工厂运行模式，人均产出与质量一致性大幅提升。④太空制造从演示验证走向实用化。空间站增材制造设施常态化运行，实现工具与备件在轨制造；月球原位资源利用技术逐步成熟，利用月壤3D打印基础设施；在轨组装与制造结合，建造地面无法发射的超大型空间结构，催生全新航天工业体系。⑤产业生态日趋成熟，供应链协同水平大幅提升。专业化分工持续深化，各环节涌现头部企业，形成高效协同的产业网络。数字主线贯穿产品全生命周期，设计、制造、运维数据无缝流转，支撑精准运维与寿命预测。增材制造将从特殊工艺升级为航空航天主流制造方式之一，与传统工艺优势互补、协同发展。

 7 结论

本文系统开展航空航天增材制造全产业链研究，涵盖基础理论、材料体系、应用场景、质量管控与产业生态五个维度，得出以下主要结论。

(1)增材制造已在航空航天多个关键领域实现工程化应用，减重降本缩周期价值显著。L-PBF、EBM、DED 三大主流工艺各有侧重，分别覆盖精密复杂件、难加工材料与大型结构件场景，热传导模型与能量密度理论是工艺优化的核心理论基础。

(2)特种增材材料体系持续丰富。钛合金与镍基高温合金应用成熟，性能达锻件水平；TiAl 金属间化合物通过 EBM 实现规模化应用；中熵合金、纳米增强复合材料等新型材料展现出优异的极端环境性能，为下一代装备提供了材料储备。

(3)四大应用场景均取得重要突破。火箭发动机领域降本增效效果最显著，零件数量与周期缩短达数量级；航空发动机核心部件已进入批产阶段；卫星结构与天线应用日益广泛；eVTOL 与无人机等新兴领域增长迅速，增材制造正逐步向主承力、热端部件拓展。

(4)智能化是解决质量管控难题的根本途径。多源传感采集、AI 分析判异、闭环动态补偿的技术路线已得到验证，可显著提升工艺稳定性与成品率。“过程保证 + 数据追溯” 的质量鉴定新模式逐步形成，为规模化应用提供制度保障。

(5)产业前景广阔但仍面临挑战。成本偏高、认证周期长、高端装备材料部分依赖进口等问题需持续攻关。未来技术将向更大更精更快、多材料梯度、全流程智能化与太空制造方向演进，预计2030年前后迎来大规模产业化爆发期。

总体而言，航空航天增材制造正处于技术升级与产业扩容的关键机遇期。坚持创新驱动，强化基础研究，完善标准体系，培育产业生态，我国完全有能力在该领域实现高水平科技自立自强，为航空强国与航天强国建设提供坚实支撑。

（—本文结束—）

文章为第六届航空航天增材制造大会优秀论文集章节内容

作者单位：1.青岛丰光精密机械股份有限公司；

2.山东世阳德尔粉末冶金科技有限公司；

3.中国机械工程学会培训管理处

作者：张世君1，刘海杰1，苏有元2，赵奉天3

l 谷专栏 l

欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。

网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷

 金属全链路量产方案
     从Fuees450到自动化产线

设备端

本次发布的重头戏，是全新一代Fuees450六光金属鞋模专机。该设备采用鞋模定制“日字型”光路，凭借加长幅面450×420×330mm³，实现“一版一双、全码一次成型”的诉求，且首次搭载单激光扫轮廓技术，完美解决鞋模拼接难题，并标配全自动可换槽，核心突破在于15分钟快换缸（可换杆技术）大幅压缩排产时间，为后续全自动化奠定坚实基础。

材料端

联泰自研的高导热合金Al901X，已切实落地越南市场。该材料以高安全、高强度、细节好的核心定位，从根源上解决了传统铝合金易燃易爆的问题，显著提升量产生产安全性；同时兼具优异的强度与导热性能，熔宽更窄，细节花纹更清晰，可直接打印透气模等鞋模类型，后续可实现传统鞋业铝模的轻松导入。

软件与产线端

联泰科技展示了鞋模变形预处理、自动选区抽壳、自动嫁接等前处理技术，将“事后修模”变为“事前补偿”。同时，现场重点推荐了金属增材制造自动化产线方案：以智能打印、智能物流（AGV/RGV）、智能后处理（清粉、热处理、线切割）三大区域闭环协同，依托UT-One与MES系统，助力工厂向7×24小时无人化迈进。

 3D打印鞋量产方案
     Cute800大幅面整鞋批量制造

在弹性体应用领域，联泰科技展示了在鞋业规模化生产中推出的解决方案——Cute800量产型弹性体3D打印机。凭借819×432×400mm³的超大成型幅面，8K高分辨率，配合全自动无人化产线，单台设备可节省2-3名操作人力，夜间及周末连续生产，产能提升60%以上，为整鞋及中底制造提供了稳定、高效的连续生产方案。

 开启鞋业下一个“量产”十年

越南是联泰科技全球布局的重要阵地。十年前，联泰鞋业事业部便在此出海，一路走来，联泰完成了从传统木模替代到金属鞋模应用的工艺跨越，这离不开众多老客户的长期信任与深度合作。展望未来十年，联泰科技的目标是实现金属与弹性体真正的“量产”，带着客户的信任与支持继续深耕。

联泰鞋业事业部从最初的业务起步，到如今建立起覆盖研发、工艺与服务的庞大专业团队，每一步跨越都离不开客户的支持。未来，联泰科技将持续深耕东南亚市场，完善“设备、材料、软件、工艺与本地化服务”的全链路配套。联泰科技愿以长期的定力与决心，与全球鞋业客户并肩同行，共建共赢智能制造新生态。

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷 l 链接到3D科学谷网站原文

近日，香港城市大学吕坚院士团队联合天津大学何春年教授团队在Nature Materials发表题为“Sub-10-nm stacking bands enable ultrastrong additively manufactured titanium”的研究论文。香港城市大学博士后白翔仁、华东鹏和栾亨伟为论文共同第一作者，天津大学何春年教授和香港城市大学吕坚院士为共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家自然科学基金委员会与香港研究资助局联合科研资助项目（9054050 / N_CityU151/23）等项目的支持。

研究将高通量实验、机器学习与激光粉末床熔融增材制造相结合，在Ti-Al-Cr合金的α′纳米马氏体内部构筑了特征厚度小于10 nm的HCP晶体超纳异堆垛带，并以其为基本结构基元，形成在整个块体构件中充分发育的层级纳米马氏体组织。代表性Ti-7.5Al-3.3Cr合金的屈服强度约1.5 GPa，抗拉强度约1.7 GPa，同时保持7.5%的均匀延伸率。

论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41563-026-02749-6

 引言

金属3D打印不仅能够成形复杂构件，其快速凝固和远离平衡态的热过程，也为新成分和新组织的探索提供了更多可能。以激光粉末床熔融（LPBF）为例，金属粉末经历快速熔化、凝固以及反复热循环，可产生传统冶金过程难以达到的巨大温度梯度和极高冷却速率。这些远离平衡态的条件，不仅有利于形成超细晶、亚稳相和纳米尺度结构，也能够突破传统铸造过程中偏析、固溶度和成形性的限制，为新成分和新组织的探索打开更大的空间。

但空间越大，设计也越困难。合金成分与激光功率、扫描速度等工艺参数相互耦合，使增材制造合金面对一个庞大的“成分-工艺”搜索空间。机器学习因此成为近年来材料设计的重要工具，可以从已有数据中建立成分、工艺与性能之间的联系，再对大量候选组合进行快速预测。

机器学习首先需要可靠的数据。现有增材制造研究虽然数量众多，但不同研究之间的设备、原料粉末、工艺参数和测试条件存在差异，直接汇总往往会带来明显的数据噪声和不一致性；另外，对于过去很少探索的新成分区域，可供模型学习的数据则更加有限。因此，限制机器学习用于新合金发现的一个关键问题，是如何获得数量足够且内部一致的高质量实验数据。

针对这一问题，本研究提出了一种通用范式：先通过高通量实验主动生成可靠数据，再利用机器学习扩大搜索范围。

 高通量实验与机器学习协同筛选

研究以Ti-Al-Cr为模型体系，在统一的LPBF制备和测试条件下，系统改变Al、Cr含量以及激光功率和扫描速度，共获得118组不同成分-工艺组合的实验数据。标准化实验减少了不同数据来源造成的噪声和不一致，为后续机器学习提供了可靠基础。

在此基础上，研究采用机器学习建立成分、工艺与力学性能之间的关系，并进一步对38,052种虚拟成分-工艺组合进行预测，从中筛选高强度候选区域，再重新回到实验进行验证。筛选出的高性能成分已经超出了传统铸造和变形钛合金长期使用的常规成分范围。

图1 高通量实验-机器学习驱动的增材制造Ti-Al-Cr合金筛选

 超纳异堆垛带结构

进一步表征发现，代表性Ti-7.5Al-3.3Cr合金主要由厚度约75 nm的α′马氏体板条组成，而在这些纳米马氏体内部，还密集分布着尺度更小的平行条带。原子分辨STEM显示，这些条带由HCP晶体内部不同的AB、BC和CA型原子堆垛序列组成。不同堆垛区域彼此相邻，并贯穿马氏体板条，构成了材料的基本结构基元。研究将这种特征尺度低于10 nm的结构称为超纳异堆垛带。APT还观察到与其空间尺度接近的Al、Cr层状成分起伏。MD模拟和不同冷却速率下的实验进一步表明，这一结构来源于LPBF快速冷却诱导的非平衡马氏体转变。

图2 钛合金纳米马氏体中的超纳异堆垛带及其形成

 力学性能与变形机制

Ti-7.5Al-3.3Cr合金获得1,501 MPa的屈服强度和1,726 MPa的抗拉强度，同时具有7.5%的均匀延伸率，并表现出明显的加工硬化。此外，还表现出良好的高温强度。

图3 增材制造钛合金的力学性能

进一步的MD模拟和变形后显微组织表明，超纳异堆垛带通过堆垛界面展现出与位错特殊的相互作用。对于a型位错，异堆垛边界能够将长位错分割为亚10 nm短位错段并产生钉扎，从而增加了a型位错的滑移阻力；对于<a+c>型位错，这些界面又能够促进位错产生、增殖和多个滑移系活动，使位错形成更加分散的网络。这种“阻碍与持续激活并存”的位错行为，使材料在获得高强度的同时仍能持续储存位错和加工硬化。

图4 超纳异堆垛带与位错的相互作用

 小结

本研究从增材制造合金设计中的数据问题出发，通过高通量实验在统一条件下主动建立可靠数据库，再利用机器学习扩大成分-工艺搜索空间，最终发现传统钛合金设计范围之外的高性能成分，并利用LPBF快速非平衡过程构筑出HCP晶体中的超纳异堆垛带。

这一工作也延续了吕坚院士团队对超纳结构材料的长期探索。从此前双相超纳结构（Nature 2017）和超纳有序结构（Science 2025），到本工作中利用HCP晶体内部不同原子堆垛构筑超纳异堆垛带，揭示了超纳结构对于结构金属材料的重要作用。

通讯作者简介

何春年教授（通讯作者），天津大学讲席教授，材料学院院长，博导，国家杰青，天津大学材料学院学术委员会主任，校学术委员会委员，贵金属功能材料全国重点实验室（天津）主任。长期从事高强耐热与高强高导金属及复合材料的设计制备与应用研究，主持国家重点研发计划项目、国自然重点基金等项目10余项，以第一或通讯作者在Nat. Mater., Nat. Energy., Prog. Mater. Sci., Nat. Commun., Adv. Mater., Acta Mater.等国际期刊发表论文150余篇，他引16000余次，单篇最高他引900余次，出版专著2部，获授权发明专利20余项，获天津市自然科学一等奖2项，多项成果正在产业化。

吕坚教授（通讯作者），香港城市大学机械工程讲座教授、先进结构材料研究中心主任，法国国家技术科学院（NATF）院士（为该院首位华裔院士）、香港工程科学院（HKAES）院士、美国国家发明家科学院（NAI）院士，现任香港特别行政区创新、科技及再工业化委员会委员、香港材料研究会（HK-MRS）理事长、香港发明创新总会主席、国家贵金属材料工程技术研究中心香港分中心主任，并担任世界新能源汽车大会科技委员会委员等职。主要从事先进结构纳米材料、生物与仿生材料、先进材料集成设计及3D/4D打印材料与工艺研究。在Nature、Science、Nature Materials、Nature Chemistry、Nature Water、Nature Communications、Science Advances、PNAS、Advanced Materials、Materials Today、PRL等期刊发表论文650余篇，被引6万余次，H-index 112，获授权欧、美、中发明专利89项。2025年入选科睿唯安“全球高被引科学家”。曾获法国国家荣誉骑士勋章及中国工程院光华工程科技奖等荣誉。

l 谷专栏 l

欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。

网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷

近日，上海交通大学材料科学与工程学院特种材料研究所团队提出了一种仿生表面分级Gyroid三周期极小曲面（TPMS）超结构设计策略。研究将二维三角形和六边形蜂窝拓扑映射至 Gyroid 曲面，通过调节表面特征的类型、数量及空间排布，协同控制局部变形与整体塌缩顺序，实现逐层及层间交错的多阶段吸能。

相关成果以“Additively manufactured surface-hierarchical gyroid triply periodic minimal surface with high dynamic energy-absorption”为题，发表于国际学术期刊《Thin-Walled Structures》（中科院力学一区，IF=8.3）。上海交通大学博士生任芃源为第一作者，王洪泽和高振洋为共同通讯作者。共同作者包括王浩伟、吴一、唐梓珏、孙华、王茂松等。

原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.tws.2026.115740

轻量化吸能结构在航空航天、交通运输和防护装备等领域具有重要应用价值。面对外部载荷，结构能否持续、稳定地吸收能量，不仅取决于材料本身，也与内部几何形态和变形方式密切相关。如何让不同区域有序参与变形，避免局部过早压实，是提升吸能性能的重要问题。

传统TPMS设计主要通过调整孔隙率、壁厚或单胞排列改善性能。研究团队进一步借鉴天然蜂窝与竹秆的结构特征，将六边形和三角形蜂窝网络引入 Gyroid 曲面，分别构建HG-TPMS（六边形蜂窝表面分级Gyroid）和TG-TPMS（三角形蜂窝表面分级Gyroid），并通过改变单胞上的蜂窝特征数量（图片），调节结构密度与力学响应（{ REF _Ref243571394 \h |图 1}{ REF _Ref243571395 \h |图 2}）。

图 { SEQ 图 \* ARABIC |1} 仿生表面分级Gyroid超结构的设计思路

图 { SEQ 图 \* ARABIC |2} （a）TG-TPMS与HG-TPMS点阵结构的生成过程，其中，常数 a 表示单胞尺寸；（b）具有不同单胞表面特征数量的TG-TPMS点阵结构；（c）具有不同单胞表面特征。数量的HG-TPMS点阵结构。图中数字表示每个单胞上集成的蜂窝分级数量（图片）。

研究采用柔性光敏树脂（Formlabs® Flexible 80A resin），通过立体光固化增材制造技术制备试样，并结合不同加载速度下的压缩实验、循环加载实验及有限元分析，考察表面拓扑与变形行为之间的关系。

实验与模拟表明，传统 Gyroid 结构在压缩过程中容易形成局部塌缩和应力集中区域，部分区域提前压实，限制后续可用于吸能的变形空间。引入表面分级设计后，应力能够沿蜂窝网络重新分配，结构的变形方式随之改变。三角形表面网络有利于形成较强的承载骨架，在压缩过程中表现出较明显的局部屈曲；六边形表面网络则更有利于局部弯曲和渐进折叠，使变形更加分散，延缓大范围致密化。有限元应力分布与实验变形形貌相互印证，显示表面网络能够改变载荷传递和局部塌缩路径（{ REF _Ref243571403 \h |图 3}）。在25 mm/s的压缩速度下，与传统 Gyroid 结构相比，所研究三角形表面分级结构的归一化强度最高提升约44%；六边形表面分级结构的归一化吸能效率提升约20.4%—26.0%。归一化强度考虑了密度因素，反映结构在轻量化条件下的承载能力。

图 { SEQ 图 \* ARABIC |3} 传统 Gyroid 与两类表面分级结构的应力分布及实验变形对比。

在明确两类表面拓扑的力学差异后，研究团队进一步通过空间排布设计，将单胞层面的性能差异转化为整体结构的有序变形。首先，沿高度方向改变表面特征数量，构建具有层间力学差异的梯度结构。压缩时，较低强度层优先变形，随后其他层逐步参与，使塌缩过程沿预设顺序推进。

在此基础上，研究将三角形与六边形表面分级单胞组合，构建复合多层级结构（{ REF _Ref243571418\h |图4}）。实验观察到，变形首先在预设的较低强度六边形单胞区域启动，再向相邻层及三角形单胞区域扩展，形成层间交错的多阶段塌缩路径（{ REF_Ref243571422\h |图5}，见视频1）。

这种设计使不同区域在不同阶段参与承载和吸能，有助于协调局部柔顺性与整体稳定性，延长应力平台阶段。各区域通过连续几何过渡实现连接，并采用一体化打印制备。

图 { SEQ 图 \* ARABIC |4} 复合多层级Gyroid结构设计

图 { SEQ 图 \* ARABIC |5} 复合多层级Gyroid结构层间交错坍塌的压缩过程

对于需要反复承受载荷的缓冲结构，单次吸能能力之外，循环过程中的性能保持同样重要。研究团队进一步开展了循环动态压缩实验，考察结构耗能衰减与损伤演化。

结果显示，各类结构的耗能均经历初期较快下降、随后逐渐趋于稳定的过程。与传统 Gyroid 结构相比，表面分级设计减轻了早期性能衰减，并提高了循环后的耗能水平。在25 mm/s加载条件下，表面分级结构在20次循环后保留的耗散能量最高提升约47.6%。循环耗能保持与衰减参数的对比见{ REF _Ref243572673 \h |图 6}。循环后的形貌观察表明，传统 Gyroid 试样出现了可见表面裂纹，而表面分级试样在相同加载程序下未观察到可见裂纹。这与局部变形方式的改变相呼应：分散的弯曲和屈曲变形有助于减轻集中压实及局部损伤积累。

图 { SEQ 图 \* ARABIC |6} 循环压缩后的耗能保持与衰减参数对比

为进一步评价该策略，研究团队制备了BCC、FCC、Tesseract、Octet-truss及Vintiles等典型杆系点阵，以及Gyroid、Primitive、IWP和Neovius等传统TPMS结构作为对照。所有对比试样采用相同材料和打印参数，并在25 mm/s加载速度下进行测试。

在相近有效密度下，相较于所测试的传统杆系点阵，表面分级 Gyroid 结构的比吸能、归一化强度及20次循环后保留的归一化耗散能量，最高分别提升686%、566%和478%；相较于所测试的传统TPMS结构，对应指标最高分别提升134.5%、174.0%和108.8%。

不同结构的性能对比见{ REF _Ref243573725 \h |图 7}。上述数值分别对应研究密度范围及对照结构集合中的最佳提升结果，体现了表面分级设计在轻量化承载、吸能和循环耗能方面的潜力。

图 { SEQ 图 \* ARABIC |7} 不同结构的比吸能、归一化强度及循环后归一化耗散能量对比

这项研究将TPMS的连续曲面拓展为可主动调控力学响应的设计空间，建立了从仿生表面拓扑、局部变形机制到整体塌缩路径的设计思路。通过调节不同单胞的力学特征及空间组合，结构能够实现分阶段、渐进式吸能，为面向缓冲防护需求的轻量化超结构提供新的研究依据。

该工作得到国家自然科学基金（52441503、52305391、52305490）、上海市自然科学基金（25ZR1402248）、安徽省高校协同创新项目（GXXT-2023-029）等项目支持，并得到上海交通大学与宁德时代新能源电池9σ联合研究项目的部分支持。

课题组介绍

上海交通大学材料学院特种材料研究所是金属基复合材料国家重点实验室的重要组成部分，由王浩伟讲席教授任负责人。研究所主要从事新型特种材料的设计、制备及其成形技术研究，支撑了多项国家重大工程需求，在航空航天和汽车轨交等多领域获得广泛应用。多年来承担国防重点攻关项目、重点研发计划、民机预研、民用航天预研、国家自然科学基金及国际合作项目等五十余项。在国内外学术刊物上发表学术研究论文近300篇，获授权中国国家发明专利100余项。先后获得教育部技术发明一等奖、上海市技术发明一等奖及中国有色金属工业技术发明一等奖。研究所秉承“创新创造、科研报国”的精神，胸怀祖国、服务社会，面向世界科技前沿、面向国家重大需求，砥砺前行、勇攀高峰。

团队现长期诚聘激光增材制造/激光成形工艺和装备，增材制造材料表征（微观组织、力学性能、疲劳），增材制造过程同步辐射成像、增材制造超结构等方向博士后。

联系人：王洪泽 (hz.wang@sjtu.edu.cn)

l 谷专栏 l

欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。

网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷

10月21-23日，以“从验证到量产，增材制造赋能航空航天规模化应用”为主题的第六届航空航天增材制造大会在上海市闵行区举行。根据主办方的消息，本次大会汇聚行业40余位权威专家作专题报告，600余名来自国内航空航天主机单位、科研院所、高等院校及产业链企业的代表参会，搭建起集学术交流、技术研讨、成果展示、产需对接于一体的高水平行业交流合作平台。

中国航天科技集团商业火箭有限公司科技委主任高松涛在开幕式上致辞表示，商业航天是培育新质生产力、建设航天强国的重要赛道，增材制造作为支撑商业火箭快速迭代、结构轻量化、降本增效、提升产品可靠性的核心制造技术，伴随商业航天产业化发展，战略价值日益凸显。增材制造可实现复杂构件一体化成型，有效减少零部件数量、缩短研制周期、降低结构重量，为商业火箭实现“快研制、低成本、高可靠”目标提供了不可替代的技术路径。他同时指出，当前增材制造迈向规模化稳定批产依旧任重道远，材料粉末稳定性、工艺一致性、缺陷无损检测、质量体系建设、批产能力提升及标准规范完善等关键环节亟待突破。全产业链需推动材料、装备、工艺、检测、标准、应用全要素协同发力，打通行业发展堵点，推动增材制造从单件试制向规模化、批量化、工程化应用跨越，共同构建大中小企业融通创新、上下游协同共进的产业生态，助力我国航空航天先进制造能力迈上新台阶。

本届大会阵容强大，由上海市增材制造协会秘书长曾绍连、南昌大学学术副校长、上海交通大学特聘研究员董安平、上海航天精密机械研究所工艺与材料中心党支部书记柯林达、航天增材科技（北京）有限公司专业总师助理刘莹莹、中国科学院金属研究所研究员张少华共同主持。来自航天科技集团商业火箭公司、航天二院、沈阳飞机设计研究所、中国航空制造技术研究院、上海航天精密机械研究所、上海航天设备制造总厂、北京卫星制造厂、航天增材科技、蓝箭航天、星河动力、中国商飞、成飞、西飞、苏州中瑞智创、中航迈特、西安空天机电、广州德擎光学、西安铂力特等企事业单位的40多位行业专家依次登台分享。报告围绕可重复使用火箭材料创新、飞机增材制造结构研制、镁合金航天应用、异质金属增材制造、4D打印、商业航天产业化落地、工艺过程监控、精密抛光、液氧甲烷火箭发动机构件、铜合金内衬制造、搅拌摩擦增材、行业标准化、民用飞机/航空发动机增材制造、大尺寸构件制造等前沿热点展开，深度剖析行业技术痛点，分享一线工程实践案例，完整覆盖材料、工艺、装备、质量控制等全链条关键技术。

开幕式现场举行航空航天增材制造行业需求发布仪式与大会优秀论文颁奖仪式。一方面对大会论文集优秀论文作者予以表彰，激励本领域学术探索与创新；另一方面集中发布航空航天重点应用单位的实际技术需求，打通科研端与应用端信息壁垒，为技术成果转化指明方向。

本次大会同期设置配套展览展示，27家参展企业集中亮相，带来金属增材制造装备、特种金属粉末材料、全套工艺解决方案、质量检测设备等多款拳头产品，集中展示国内航空航天增材制造领域最新科研成果与产业化实力。参会嘉宾驻足展台观摩技术展品，开展面对面商务洽谈，有力促进产学研用多方对接，畅通技术成果向型号工程转化的合作渠道。

本次大会紧扣航空航天装备发展重大现实需求，兼顾基础理论研究与工程产业化实践，直面行业标准化、批产应用、适航验证、构件可靠性等共性问题，推动高校、科研院所与产业单位深度对话交流。与会代表普遍认为，增材制造技术是支撑航空航天装备轻量化、复杂化研制的关键技术，未来需要持续强化型号牵引，补齐工艺、装备、标准体系短板，加速技术规模化落地应用。

大会同期发布了“航空航天增材制造行业需求” 如下：

第六届航空航天增材制造大会的圆满举办，进一步凝聚起全行业发展共识，促进产业链上下游资源互通联动，为推动我国航空航天增材制造技术迭代升级和产业高质量发展注入强劲动能。

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷 l 链接到3D科学谷网站原文

增材制造是先进制造领域国际竞争焦点方向。当前，我国增材制造产业已达到国际先进水平，但主流增材制造工艺方法多原创于欧美国家。刘长猛团队聚焦增材制造微熔池冶金学，十年攻关探索单晶制造新方法，首次实现工业级金属单晶增材制造，突破尺寸、结构、材料与成本四大瓶颈，作为我国原创金属增材制造新方法发表在《Nature》, 开拓增材制造发展新赛道。

单晶材料是航空发动机与燃气轮机、先进核能装置、半导体等领域战略性基础材料。传统单晶制备主要依赖籽晶、模具和定向凝固，难以兼顾大尺寸、复杂构型、多材料适用性和低成本制造。单晶增材制造以微熔池为基本晶体生长单元，通过逐点熔化和定向凝固，突破了传统单晶“尺寸受限、形状受限、材料范围窄、成本高”的瓶颈，实现米级、复杂构型、跨材料体系、低成本单晶制造。

研究团队所发表的论文题为“Additive manufacturing ultralong and architected single crystals”。该工作的第一作者为北京理工大学机械与车辆学院教授刘长猛、清华大学航天航空学院副教授崔一南、清华大学航天航空学院博士后王嘉琛(现就职于南京师范大学)、北京理工大学机械与车辆学院博士生韩骁，通讯作者为北京理工大学刘长猛、清华大学崔一南、加州大学洛杉矶分校Yinmin Morris Wang。

https://www.nature.com/articles/s41586-026-11185-0

Nature期刊同步配发News & Views评述，称该工作“为未来技术与科学发展创造了令人振奋的机遇”（creates exciting opportunities for future technological and scientific developments）

 理论突破
     强非平衡场下的无籽晶
     无杂晶单晶稳定生长

增材制造快速变化的温度梯度、高冷却速率和反复热循环等热条件，偏离经典单晶凝固理论通常采用的准稳态热场假设，使杂晶控制、晶体取向的稳定保持成为核心挑战。

团队提出“深蹲脉冲”热输入增材制造新方法，通过强弱交替的热输入调控熔池演化，在强非平衡条件下建立单晶生长的动态稳定性。该方法无需预制单晶籽晶，可从多晶基板直接生长出高度达米级、直径达厘米级的单晶，展示了剧烈交变热条件下实现长程取向保持的可行性，拓展了单晶稳定生长的理论边界。

 构型突破
     耦合力学与凝固学实现无模具
     无支撑悬空单晶结构制造

制造复杂单晶结构，不仅要保持晶体取向，还必须防止悬空熔池失稳。研究团队耦合单晶凝固与悬空熔池力学稳定性，建立力-凝固耦合理论模型及可打印相图，确定兼顾外延生长与结构稳定的工艺策略。

这一方法首次实现了无需模具、无需额外支撑的复杂单晶结构制造，包括由曲折单晶杆件组成的点阵。单晶由此从受模具约束的实体构件，拓展为几何构型可设计的空间结构，为材料性能与结构功能的一体化设计提供了新可能。

 性能突破
     超越晶粒尺寸效应的
     抗蠕变性能提升

以航空航天常用的Ti-6Al-4V 钛合金为模型材料，研究团队展示了增材制造单晶极致性能。制备钛合金单晶的抗蠕变性能较锻件及增材制造多晶有量级式的提升，且改善幅度显著超出常规晶粒尺寸标度律的预测。

多层级组织表征与晶体塑性建模揭示，晶界消除与内部α/β相组织协同作用，改变了位错运动和孔洞形成动力学。研究发现，即使在位错主导的蠕变条件下，晶界仍对宏观性能具有重要影响，为优化单晶合金的高温服役能力提供了新的机制认知。

 应用拓展
     跨越材料体系
     降低制造门槛

该方法具有很强的普适性，研究团队还成功制造了钨、钼、铌及钼铌合金单晶，展示了该方法对多种难加工难熔金属的适用性，为深空、核动力等领域所需单晶构件的研制提供了制造基础。

该技术基于丝材电弧制造平台，减少了对专用模具和复杂精密控温装备的依赖；相较粉末增材制造，丝材原料也具有成本优势，为扩大制造规模、降低单晶应用门槛提供了条件。审稿人将这项工作评价为“工业制造领域的重要里程碑”。

研究工作得到了国家自然科学基金（52522506，12222205）、国家重点研发计划（2022YFB4601900）、清华大学笃实计划的资助。

以上转载自：北京理工大学

l 谷专栏 l

欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。

网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷