增材制造(AM) -3D打印技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)上得到了廣泛的采用和發(fā)展。這項(xiàng)技術(shù)可以提高具有復(fù)雜幾何形狀的工程材料的設(shè)計(jì)自由度，其中蜂窩或晶格結(jié)構(gòu)在廣泛的應(yīng)用中特別有前途。這些材料類似于隨機(jī)泡沫，在過去幾十年中發(fā)現(xiàn)了許多工業(yè)應(yīng)用，但規(guī)則的蜂窩結(jié)構(gòu)對(duì)通過增材制造成為可能的制造結(jié)構(gòu)具有更高程度的控制。

    這些結(jié)構(gòu)化的多孔材料具有可針對(duì)特定應(yīng)用進(jìn)行微調(diào)的特性（機(jī)械性能、滲透性、熱特性等）。與隨機(jī)結(jié)構(gòu)相比，對(duì)此類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造的控制開辟了新的應(yīng)用可能性，并使一系列新產(chǎn)品和功能成為可能。隨著金屬增材制造技術(shù)日趨成熟并越來(lái)越多地被各個(gè)行業(yè)采用，并且隨著增材制造設(shè)計(jì)能力的提高，這種潛力才剛剛開始實(shí)現(xiàn)。

本期的谷.專欄將分享一篇在國(guó)際頂刊“Progress in Materials Science” 中發(fā)表的綜述論文。該論文總結(jié)了AM 晶格結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性，以及迄今為止這些特性如何成功用于特定應(yīng)用，并強(qiáng)調(diào)了在不久的將來(lái)可能感興趣的各種應(yīng)用領(lǐng)域。

doi.org/10.1016/j.pmatsci.2021.100918

 關(guān)注特定應(yīng)用中的晶格結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)特性

增材制造(AM) 是所有制造過程的術(shù)語(yǔ)，這些制造過程通過增量材料，使用數(shù)字設(shè)計(jì)模型來(lái)構(gòu)建零件。根據(jù) ASTM ISO 52900 術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn) ，增材制造分為七種工藝類別，可使用的材料種類繁多，包括高端工程聚合物、金屬、陶瓷等。

激光粉末床融合 (L-PBF) 工藝現(xiàn)已在工業(yè)中廣泛采用，并已達(dá)到較高成熟，具有出色的零件質(zhì)量，制造多種流行的金屬合金。L-PBF 工藝使用高功率聚焦激光束熔化粉末軌跡，軌跡重疊并逐層處理，直到組件完成。由于典型的軌道寬度為 0.1-0.2 毫米，因此可以制造高度復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

逐層處理允許在許多情況下無(wú)法通過任何其他制造方法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性。在最新的商業(yè)系統(tǒng)中，典型的最大零件尺寸達(dá)到 300 毫米甚至更大。這種尺寸和分辨率范圍為關(guān)鍵部件的生產(chǎn)提供了許多與行業(yè)相關(guān)的機(jī)會(huì)，在優(yōu)化的復(fù)雜幾何形狀中，在較短的交貨時(shí)間內(nèi)，使該技術(shù)與航空航天、醫(yī)療、汽車和一般制造行業(yè)相關(guān)。

AM 的主要優(yōu)勢(shì)包括多個(gè)零件的整合（零件之間的連接更少）、小批量零件的交貨時(shí)間更短、易于設(shè)計(jì)迭代和針對(duì)特定短期或獨(dú)特應(yīng)用的定制設(shè)計(jì)，以及太難或太復(fù)雜的設(shè)計(jì)以前用傳統(tǒng)制造方法制造成本高（甚至不可能）。復(fù)雜性是汽車和航空航天輕量化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素，因?yàn)榭梢灾圃靸?yōu)化的幾何形狀，以最大限度地減少質(zhì)量，同時(shí)在預(yù)期負(fù)載下表現(xiàn)同樣出色。這些優(yōu)化的幾何形狀可能包括遵循預(yù)期載荷路徑的彎曲結(jié)構(gòu)，在低應(yīng)力區(qū)域沒有材料。

這種方法已經(jīng)在部分規(guī)模的拓?fù)鋬?yōu)化和仿生工程設(shè)計(jì)的許多例子中得到了成功的證明。 當(dāng)預(yù)期負(fù)載眾所周知時(shí)，這種拓?fù)鋬?yōu)化的體結(jié)構(gòu)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，并且有望用于許多應(yīng)用，尤其是那些涉及輕量化應(yīng)用的應(yīng)用。這些結(jié)構(gòu)通常可以使用傳統(tǒng)制造方法制造（以稍微較低的復(fù)雜性），但由于復(fù)雜性增加，這對(duì)于此類傳統(tǒng)工具來(lái)說通常更昂貴或更具有挑戰(zhàn)性。在 AM 中，復(fù)雜性是“免費(fèi)的”，與不太復(fù)雜的部件相比，利用這種復(fù)雜性沒有額外的成本。因此，最佳利用可用的復(fù)雜性通常是增材制造優(yōu)于傳統(tǒng)制造的財(cái)務(wù)和性能優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵，因此有興趣充分利用增材制造中的復(fù)雜性。大多數(shù)關(guān)于增材制造零件結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計(jì)和評(píng)估的可用文獻(xiàn)都集中在具有簡(jiǎn)化幾何不連續(xù)性的散裝材料和組件上。盡管上述研究在處理大塊機(jī)械部件和結(jié)構(gòu)時(shí)非常重要，但將它們擴(kuò)展到其他領(lǐng)域（如超材料）可能具有挑戰(zhàn)性。

廣泛的可用蜂窩設(shè)計(jì)以及使用增材制造在 3D 中精確定制其設(shè)計(jì)、密度和其他屬性的能力為這些結(jié)構(gòu)在工業(yè)相關(guān)產(chǎn)品和零件中的應(yīng)用提供了新的機(jī)會(huì)。它們?cè)卺t(yī)療植入物中的應(yīng)用得到廣泛認(rèn)可，在過去十年中學(xué)術(shù)界對(duì)醫(yī)療植入物中的晶格進(jìn)行了廣泛的回顧。除了醫(yī)療應(yīng)用外，它們?cè)谳p量化方面的應(yīng)用也得到了廣泛認(rèn)可，并引起了航空航天和汽車行業(yè)的極大興趣。

在這些努力中，在理解 AM 晶格結(jié)構(gòu)的特性及其對(duì)特定應(yīng)用的約束或限制方面取得了很大進(jìn)展，而文獻(xiàn)綜述經(jīng)常提到晶格結(jié)構(gòu)的各種潛在應(yīng)用。然而，到目前為止，該文獻(xiàn)還沒有廣泛考慮晶格結(jié)構(gòu)的廣泛潛在應(yīng)用，大多數(shù)討論是關(guān)于它們?cè)谥踩胛镏械氖褂靡约八鼈冡槍?duì)該特定應(yīng)用的優(yōu)化。更一般地說，在過去的二十年里，多孔隨機(jī)泡沫在工業(yè)中發(fā)現(xiàn)了許多其他應(yīng)用和 AM 晶格結(jié)構(gòu)有可能在各種類似的應(yīng)用中勝過這些。為了達(dá)到這種性能水平，必須將對(duì)增材制造的深入理解與對(duì)晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、可制造性和測(cè)試的同樣深刻理解相結(jié)合。由于迄今為止在各種研究中報(bào)告的廣泛不同的結(jié)果，晶格結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能和疲勞性能仍然是一個(gè)有效的問題。

一般來(lái)說，對(duì)于金屬 AM 工業(yè)應(yīng)用，需要一種結(jié)合材料、結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和工藝知識(shí)的整體方法來(lái)實(shí)現(xiàn)特定的所需性能。除了材料選擇和制造質(zhì)量外，晶格結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)選擇是其在工業(yè)中成功實(shí)施的關(guān)鍵。這包括了解應(yīng)用要求以及如何為每個(gè)特定應(yīng)用選擇或優(yōu)化蜂窩結(jié)構(gòu)，這是當(dāng)前論文的重點(diǎn)。因此，本文采用了一種獨(dú)特的以應(yīng)用為中心的方法，重點(diǎn)關(guān)注晶格結(jié)構(gòu)的可實(shí)現(xiàn)特性以及如何針對(duì)特定應(yīng)用優(yōu)化這些特性，回顧了迄今為止每個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域文獻(xiàn)中報(bào)道的成功案例。

相關(guān)研究成果以題“Properties and applications of additively manufactured metallic cellular materials: A review”發(fā)表在國(guó)際頂刊材料綜述“Progress in Materials Science”上。

 研究成果解析

由金屬AM制造蜂窩結(jié)構(gòu)提供了一種全新的范例，其屬性和功能現(xiàn)在才開始被利用。由于這些結(jié)構(gòu)的許多獨(dú)特性能可以調(diào)整和精確控制，因此它們?cè)谛聭?yīng)用中存在巨大的未開發(fā)潛力，包括低質(zhì)量、設(shè)計(jì)的機(jī)械性能、高表面積、滲透性、能量和沖擊吸收、隔熱和熱機(jī)械性能和多得多。在討論相關(guān)應(yīng)用時(shí)，該評(píng)論提供了一些在此背景下的設(shè)計(jì)能力和可實(shí)現(xiàn)的特性的見解。

盡管金屬 AM 晶格結(jié)構(gòu)具有所有潛在優(yōu)勢(shì)，但它們可能不適合某些情況或應(yīng)用，并且在某些情況下可能會(huì)產(chǎn)生比隨機(jī)泡沫更差的結(jié)果。這些包括事先不知道載荷方向的情況——例如，架構(gòu)晶格在特定方向上具有卓越的性能，但通常具有高度的各向異性。已經(jīng)討論了商業(yè)金屬 AM 系統(tǒng)的制造限制，這些限制可能會(huì)導(dǎo)致意外錯(cuò)誤或問題。在某些應(yīng)用中，例如在醫(yī)療植入物中, 孔隙空間中的粉末截留是一個(gè)已經(jīng)確定的關(guān)鍵問題，其中包括許多其他問題。與所有新技術(shù)和工程方法一樣，蜂窩結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造需要仔細(xì)考慮和質(zhì)量控制。在這種情況下，還有一節(jié)專門討論設(shè)計(jì)和制造方面的考慮。

圖1 (A) 骨組織的多孔晶格結(jié)構(gòu)；(B) 模仿天然骨小梁結(jié)構(gòu)的三重周期性最小表面 (TPMS) 人工細(xì)胞材料；(C) 天然和 (D) 人造蜂窩結(jié)構(gòu)。

圖2 晶格結(jié)構(gòu)的各種架構(gòu) (A) 基于支柱的晶格單元顯示在前三行中；(B) 骨架和 (C) 基于片的三重周期性最小曲面 (TPMS)。

圖3 (A) 根據(jù) ISO 13314 進(jìn)行壓縮-壓縮測(cè)試的試樣幾何形狀。文獻(xiàn)中提出的帶有螺紋端 (B) 和實(shí)心平端 (C) 的試樣幾何形狀，用于進(jìn)行單軸拉伸準(zhǔn)靜態(tài)和疲勞測(cè)試。(D) 用于準(zhǔn)靜態(tài)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的實(shí)心圓柱端試樣。

圖 4 (A) 金屬蜂窩材料壓縮測(cè)試的典型實(shí)驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，在這種情況下，是由 L-PBF 制造的 Ti6Al4V 骨架陀螺晶格，密度為 12.5%。初始彈性響應(yīng)之后是 20 MPa 的第一個(gè)屈服點(diǎn)，之后是一個(gè)具有大約 15 MPa 附近恒定應(yīng)力的平臺(tái)區(qū)域，該區(qū)域持續(xù)到高應(yīng)變，最終完全致密化和應(yīng)力增加；(B) 不同密度蜂窩結(jié)構(gòu)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線：更高的晶格密度導(dǎo)致彈性區(qū)域的初始剛度增加，屈服強(qiáng)度更高，相應(yīng)的平臺(tái)應(yīng)力也更高。由于存在更多的材料，對(duì)于更高密度的樣品，在更小的應(yīng)變下發(fā)生完全致密化。

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