增材制造的未来方向发展

过去五年，增材制造实现了爆发式发展，从一个个的研究点发展为一个热点的科学技术领域。目前增材制造研究覆盖了增材制造新原理、新方法、控形控性原理与方法、材料设计、结构优化设计、装备质量与效能提升、质量检测与标准、复合增材制造等全系统，成为较为完整的学科方向。我国增材制造的发展要基于科学基础的研究，面向国家战略性产品和战略性领域的重大需求，瞄准世界先进制造技术与产业发展的制高点，抓住我国“换道超车”的历史性发展机遇，从而为我国2035年成为世界制造强国的重大战略目标提供支撑。为此，要以增材制造的多学科融合为核心，通过多制造技术融合、多制造功能融合，向制造的智能化、极端化和高性能化发展，必须通过自主创新重点掌握如下制造技术与装备。

1、 加强基础科学问题研究

由于增材制造技术的发展历史较短，随着技术的发展，很多传统的机理研究理论无法应用于增材制造的物理环境和成形机制。从基础科学入手加强增材制造新问题的研究是首先需要面对的科研方向。在近期内需要解决的科学问题主要有：

(1)金属成形中的强非平衡态凝固学。由于增材制造过程中的材料与能量源交互作用时间极短，瞬间实现熔化—凝固的循环过程，尤其是对于金属材料来说，这样的强非平衡态凝固学机理是传统平衡凝固学理论无法完全解释的，因此建立强非平衡态下的金属凝固学理论是增材制造领域需要解决的一个重要的科学问题。

(2)极端条件下增材制造新机理。随着人类越来越迫切的探索外太空的需求，增材制造技术被更多地应用于太空探索领域，人们甚至希望直接在外太空实现原位增材制造，这种情况及类似极端条件下的增材制造机理以及增材制造制件在这种服役环境下的寿命和失效机理的研究将是相关研究人员关注的问题。

(3)梯度材料、结构的增材制造机理。增材制造是结构功能一体化实现的制造技术，甚至可以实现在同一构件中材料组成梯度连续变化、多种结构有机结合，实现这样的设计对材料力学和结构力学提出了挑战。

(4)组织器官个性化制造及功能再生原理。具有生命活力的活体及器官个性化打印是增材制造在生物医疗领域中最重要的应用之一，但无论是制造过程的生命体活力的保持，还是在使用过程中器官功能再创机理的研究，都还处于初期阶段，需要多个学科和领域的专家学者共同努力。

2、解决形性可控的智能化技术与装备

增材制造过程是涉及材料、结构、多种物理场和化学场的多因素、多层次和跨尺度耦合的极端复杂系统，在此条件下，“完全按照设计要求实现一致的、可重复的产品精度和性能”以及“使以往不能制造的全新结构和功能器件变为可能”是增材制造发展的核心目标。结合大数据和人工智能技术来研究这一极端复杂系统，在增材制造的多功能集成优化设计原理和方法上实现突破，发展形性主动可控的智能化增材制造技术，将为增材制造技术的材料、工艺、结构设计、产品质量和服役效能的跨越式提升奠定充分的科学和技术基础。在此基础上，发展具有自采集、自建模、自诊断、自学习、自决策的智能化增材制造装备也是未来增材制造技术实现大规模应用的重要基础。同时，重视与材料、软件、人工智能、生命与医学的学科交叉研究，开展重大技术原始创新研究，注重在航空航天航海、核电等新能源、医疗、建筑、文化创意等领域拓展增材制造技术的应用，是我国增材制造技术可望引领世界的关键之所在。形性主动可控的智能化增材制造技术和装备的发展将有望带动未来增材制造技术的前沿发展，从而提升增材制造技术应用的可靠性，创造出颠覆性新结构和新功能器件，更好地支撑国家及国防制造能力的提升。

3、 突破制造过程跨尺度建模仿真及材料物性变化的时空调控技术

增材制造过程中材料的物性变化、形态演化以及组织转化极大地影响了成形的质量和性能，是增材制造实现从“结构”可控成形到“功能”可控形成的基础和关键核心。开展增材制造熔池强非平衡态凝固动力学理论研究、“制造过程的纳观-微观-宏观跨尺度建模仿真”技术研究，以及“微米-微秒介观时空尺度上材料物性变化的时空调控”研究，是提高我国增材制造领域竞争力、突破技术瓶颈的重要基础。

以功能需求为导向，主要研究针对高分子、陶瓷等有机/无机非金属材料，甚至细胞、因子、蛋白等生物活性材料的增材制造工艺，进行兼具成形性能和功能要求的制造过程纳观-微观-宏观跨尺度建模仿真，以及微米-微秒介观时空尺度上的原位和透视观测技术与装置的研究与开发，建立相应的多尺度、多场计算模拟模型，在高时空分辨率下，研究和揭示非金属、生物材料、细胞等在挤出、喷射、光固化等典型增材制造过程中的物性变化、形态演化、组织转化甚至细胞的基因转入等细节过程及其影响因素，掌握工艺现象的本质原理和成形缺陷的形成机制，为改进和提高现有工艺水平、提升制件质量、突破技术瓶颈奠定理论基础。在此基础之上，与人工智能、大数据和深度学习等技术结合，突破先进智能材料、柔性材料、响应性材料、生物活性墨水的增材制造关键技术工艺，研究打印过程中以及打印后材料物性变化规律和调控规律。

4、注重发展未来颠覆性技术

太空打印、生物打印(生物增材制造)是增材制造两个具有颠覆性引领性质的重大研究方向，它们既关系到我们的空天科技及生命科学前沿，又直接关系到我们的国防安全及健康生活。

太空打印可以以小设备制造大装置，可以在太空制造巨型太阳能电站，建立月基发射基地，乃至发展成太空装备新材料，实现把制造搬到天空去的美好愿望。太空打印是我们走向太空的阶梯。

生物打印已经在人工心肺制造方面显示了良好的开端，我国应大力发展生物打印技术，实现新一代智能型医疗器械、生物机械装置及体外生命系统等的原创性技术工艺的突破，从而占领基础研究和产业应用的制高点，实现我国新型生物医疗器械领域的自主创新及转型升级。

发展思路

增材制造是我国实体经济转型升级的利器。围绕国家制造业强国战略，针对国民经济和国防安全的需求，增材制造应开展新材料、新结构、智能控制、组织和性能调控、精度调控等研究，为增材制造主动形性调控和智能化发展奠定基础。我国在增材制造领域正处在高速发展期，但是与欧、美、日等发达国家和地区相比，我国增材制造技术及设备还处于劣势，所以推进增材制造技术和装备的升级和革新显得尤为重要，这也是我国抢占战略制高点的重要环节。为此要推动高可靠、高性能、高精密增材制造工艺与装备及其配套技术的创新性发展。在生物增材制造领域，聚焦组织器官重建，重点围绕细胞/组织/器官芯片打印等进行生物增材制造核心技术、工艺及装备开发的研究，以攻克组织器官再造技术瓶颈，尽快实现皮肤等软组织修复产品、血管、软骨、膀胱等简单结构组织器官及肿瘤等病理模型的制造，在临床、个性化药物筛选与病理研究、组织再生医疗和细胞治疗等领域初步应用，以期提升我国生物制造核心技术水平，使之实现国际 “并跑”甚至“领跑”。

增材制造的发展将遵循“应用发展为先导，技术创新为驱动，产业发展为目标”的原则。应用方面需结合增材制造工艺特点进行产品设计和优化、创新型应用的开发、个性化定制生产等，以拓展增材制造的应用领域；利用增材制造云平台等新模式拓展增材制造的应用路径；结合增材制造设备和技术的高精高效发展特点，应提高增材制造批量化生产能力，拓展领域规模化应用；结合增材制造设备的多样化生产特点，可推广增材制造产品在社会各行各业的应用。同时，产业可持续发展方面，力求建立健全的增材制造产业标准体系，结合云制造、大数据、物联网等新兴技术及其他基于工业4.0的智能集成系统，促进增材制造设备和技术的全面革新，培育一批具有国际竞争力的尖端科技和制造企业，最终实现增材制造产业的快速可持续发展。生物增材制造需有效促进先进技术转化应用落地，构筑总产值达千亿元的生物增材制造创新产业体系，培育生物增材制造产业国际性领军企业，带动我国再生医学、生物材料、医学工程等多个相关产业快速发展。