MSER（IF=36.214）頂刊綜述論文：金屬晶格結構的增材制造
時間：2021-11-04 08:44 來源：材料科學與工程 作者：admin 閱讀：次
金屬晶格結構由于其低彈性模量、高剛度重量比、低熱膨脹系數和大比表面積等優異性能，已被廣泛應用于各個工業領域。
近日，澳大利亞埃迪斯科文大學的張來昌教授和江蘇科技大學的陳靚瑜副教授合作在Materials Science and Engineering: R: Reports（IF=36.214）在線發表題為“Additive manufacturing of metallic lattice structures: unconstrained design, accurate fabrication, fascinated performances, and challenges”的綜述論文，該論文系統地回溯了金屬晶格結構的傳統制造方法和新型增材制造方法，闡述了增材制造金屬晶格結構的設計、優化、性能及應用，并根據目前增材制造金屬晶格結構的研究成果，討論了其局限性和未來的發展方向。
論文連接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0927796X21000437
制備金屬晶格材料的傳統制造方法通常有發泡技術，精密鑄造，金屬線編織技術，粉末冶金，電鍍等。這些制備方法往往涉及復雜的過程控制、額外的裝配步驟或其他不可控因素。例如傳統的發泡技術雖可以快速制造多孔結構，卻無法精確控制孔的分布和孔徑大小；精密鑄造技術雖可以很好的控制金屬晶格復雜結構，但卻無法實現細微結構的制備；金屬線編織技術雖可以根據設計的圖形來編織金屬晶格結構，但金屬線節點間的連接需要額外處理，因此很難實現大規模產業化，并且可以用來設計的圖形也非常有限。
增材制造技術，俗稱3D打印技術，是融合了計算機輔助設計、材料加工與成型技術，以數字模型文件為基礎，通過軟件與數控系統將專用的材料按照擠壓、燒結、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積，制造出實體物品的制造技術。3D打印技術不同于傳統的、對原材料去除、切削、組裝的加工模式，是一種“自下而上”通過材料累加的制造方法，從無到有。這使得過去受到傳統制造方式的約束，而無法實現的復雜結構件制造變為可能。常用于制備金屬材料的增材制造技術有粉床熔融技術，直接能量沉積，熔融沉積成型，分層實體制造，直寫成型技術，粘合劑噴射等等。
在過去，盡管可以設計出許多具有潛在優異性能的復雜晶格結構，但它們的制造仍然受到傳統方法的限制。 幸運的是，由于先進的制造能力，增材制造技術的發展反過來促進了更復雜結構的設計，設計目標也從原來的可制造性轉變為功能性。 從結構設計的角度看，晶格結構是在一定的空間中重復出現的單元胞集合。 因此，在晶格結構的設計中，既要考慮單元胞設計，也要考慮整體圖案設計。在此基礎上，再進行拓撲優化，這樣方能得到具有優異性能的晶格結構。對于單元胞的設計，主要包括桿基，殼基，三重曲面三種單元胞。
總的來說，金屬晶格結構的性能主要由單元胞的構型，孔隙率，使用的材料種類以及不同的增材制造技術決定的。設計和制造出具有不同性能的金屬晶格結構可以在不同的工業領域發揮作用。例如，具有較低的彈性模量金屬晶格結構，可適用于生物醫用骨科植入物；具有較高的剛性和能量吸收能力的金屬晶格結構，可適用于輕量化結構設計及能量吸收器；具有較高的比表面積的金屬晶格結構，可適用于催化結構的載體。以及還有其他工業領域的應用。
然而，增材制造技術也不是萬能的，在制備金屬晶格結構方面仍然存在一些限制和挑戰。例如增材制造制備金屬的晶格結構具有較高的表面粗糙度，需要先減小表面粗糙度才能投入使用；粉床熔融技術通常需要在特定的氣氛腔中加工，所以加工的工件一般體積不大；而直接能量沉積和熔融沉積成型精度稍低，加工精細結構稍顯不足；金屬晶格結構往往需要經過表面處理后才具備更好的表面功能性，但由于金屬晶格結構復雜，目前尚未有針對性的表面處理技術。
近十年來，金屬晶格結構與增材制造技術的結合受到越來越多的關注。為了確保增材制造技術制備的金屬晶格結構在各個行業的可靠性，對其建模、優化、材料、工藝參數、結構以及性能之間的關系仍需要進一步的理解。
近日，澳大利亞埃迪斯科文大學的張來昌教授和江蘇科技大學的陳靚瑜副教授合作在Materials Science and Engineering: R: Reports（IF=36.214）在線發表題為“Additive manufacturing of metallic lattice structures: unconstrained design, accurate fabrication, fascinated performances, and challenges”的綜述論文，該論文系統地回溯了金屬晶格結構的傳統制造方法和新型增材制造方法，闡述了增材制造金屬晶格結構的設計、優化、性能及應用，并根據目前增材制造金屬晶格結構的研究成果，討論了其局限性和未來的發展方向。
論文連接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0927796X21000437
制備金屬晶格材料的傳統制造方法通常有發泡技術，精密鑄造，金屬線編織技術，粉末冶金，電鍍等。這些制備方法往往涉及復雜的過程控制、額外的裝配步驟或其他不可控因素。例如傳統的發泡技術雖可以快速制造多孔結構，卻無法精確控制孔的分布和孔徑大小；精密鑄造技術雖可以很好的控制金屬晶格復雜結構，但卻無法實現細微結構的制備；金屬線編織技術雖可以根據設計的圖形來編織金屬晶格結構，但金屬線節點間的連接需要額外處理，因此很難實現大規模產業化，并且可以用來設計的圖形也非常有限。
增材制造技術，俗稱3D打印技術，是融合了計算機輔助設計、材料加工與成型技術，以數字模型文件為基礎，通過軟件與數控系統將專用的材料按照擠壓、燒結、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積，制造出實體物品的制造技術。3D打印技術不同于傳統的、對原材料去除、切削、組裝的加工模式，是一種“自下而上”通過材料累加的制造方法，從無到有。這使得過去受到傳統制造方式的約束，而無法實現的復雜結構件制造變為可能。常用于制備金屬材料的增材制造技術有粉床熔融技術，直接能量沉積，熔融沉積成型，分層實體制造，直寫成型技術，粘合劑噴射等等。
圖1. 各種金屬增材制造技術示意圖：(a) 粉床熔融技術，(b) 直接能量沉積，(c) 熔融沉積成型，(d) 分層實體制造，(e) 直寫成型技術，(f) 粘合劑噴射。
在過去，盡管可以設計出許多具有潛在優異性能的復雜晶格結構，但它們的制造仍然受到傳統方法的限制。 幸運的是，由于先進的制造能力，增材制造技術的發展反過來促進了更復雜結構的設計，設計目標也從原來的可制造性轉變為功能性。 從結構設計的角度看，晶格結構是在一定的空間中重復出現的單元胞集合。 因此，在晶格結構的設計中，既要考慮單元胞設計，也要考慮整體圖案設計。在此基礎上，再進行拓撲優化，這樣方能得到具有優異性能的晶格結構。對于單元胞的設計，主要包括桿基，殼基，三重曲面三種單元胞。
圖2. 粉床熔融技術制備的桿基金屬晶格結構及其單元胞原型：(a) 立方體結構，(b) 優化結構，(c) 菱形十二面體結構。
總的來說，金屬晶格結構的性能主要由單元胞的構型，孔隙率，使用的材料種類以及不同的增材制造技術決定的。設計和制造出具有不同性能的金屬晶格結構可以在不同的工業領域發揮作用。例如，具有較低的彈性模量金屬晶格結構，可適用于生物醫用骨科植入物；具有較高的剛性和能量吸收能力的金屬晶格結構，可適用于輕量化結構設計及能量吸收器；具有較高的比表面積的金屬晶格結構，可適用于催化結構的載體。以及還有其他工業領域的應用。
圖3. 輕量化金屬晶格結構實際案例：(a)-(c) 不銹鋼米歇爾梁，(d) 不銹鋼汽車控制臂，(e) 鈦合金枕形支架，(f)-(h) 用金屬晶格結構填充的衛星支架。
然而，增材制造技術也不是萬能的，在制備金屬晶格結構方面仍然存在一些限制和挑戰。例如增材制造制備金屬的晶格結構具有較高的表面粗糙度，需要先減小表面粗糙度才能投入使用；粉床熔融技術通常需要在特定的氣氛腔中加工，所以加工的工件一般體積不大；而直接能量沉積和熔融沉積成型精度稍低，加工精細結構稍顯不足；金屬晶格結構往往需要經過表面處理后才具備更好的表面功能性，但由于金屬晶格結構復雜，目前尚未有針對性的表面處理技術。
近十年來，金屬晶格結構與增材制造技術的結合受到越來越多的關注。為了確保增材制造技術制備的金屬晶格結構在各個行業的可靠性，對其建模、優化、材料、工藝參數、結構以及性能之間的關系仍需要進一步的理解。
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