MSER（IF=36.214）顶刊综述论文：金属晶格结构的增材制造

来源：材料科学与工程

金属晶格结构由于其低弹性模量、高刚度重量比、低热膨胀系数和大比表面积等优异性能，已被广泛应用于各个工业领域。

近日，澳大利亚埃迪斯科文大学的张来昌教授和江苏科技大学的陈靓瑜副教授合作在Materials Science and Engineering: R: Reports（IF=36.214）在线发表题为“Additive manufacturing of metallic lattice structures: unconstrained design, accurate fabrication, fascinated performances, and challenges”的综述论文，该论文系统地回溯了金属晶格结构的传统制造方法和新型增材制造方法，阐述了增材制造金属晶格结构的设计、优化、性能及应用，并根据目前增材制造金属晶格结构的研究成果，讨论了其局限性和未来的发展方向。

论文连接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0927796X21000437

制备金属晶格材料的传统制造方法通常有发泡技术，精密铸造，金属线编织技术，粉末冶金，电镀等。这些制备方法往往涉及复杂的过程控制、额外的装配步骤或其他不可控因素。例如传统的发泡技术虽可以快速制造多孔结构，却无法精确控制孔的分布和孔径大小；精密铸造技术虽可以很好的控制金属晶格复杂结构，但却无法实现细微结构的制备；金属线编织技术虽可以根据设计的图形来编织金属晶格结构，但金属线节点间的连接需要额外处理，因此很难实现大规模产业化，并且可以用来设计的图形也非常有限。

增材制造技术，俗称3D打印技术，是融合了计算机辅助设计、材料加工与成型技术，以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的材料按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。3D打印技术不同于传统的、对原材料去除、切削、组装的加工模式，是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法，从无到有。这使得过去受到传统制造方式的约束，而无法实现的复杂结构件制造变为可能。常用于制备金属材料的增材制造技术有粉床熔融技术，直接能量沉积，熔融沉积成型，分层实体制造，直写成型技术，粘合剂喷射等等。

图1. 各种金属增材制造技术示意图：(a) 粉床熔融技术，(b) 直接能量沉积，(c) 熔融沉积成型，(d) 分层实体制造，(e) 直写成型技术，(f) 粘合剂喷射。

在过去，尽管可以设计出许多具有潜在优异性能的复杂晶格结构，但它们的制造仍然受到传统方法的限制。 幸运的是，由于先进的制造能力，增材制造技术的发展反过来促进了更复杂结构的设计，设计目标也从原来的可制造性转变为功能性。 从结构设计的角度看，晶格结构是在一定的空间中重复出现的单元胞集合。 因此，在晶格结构的设计中，既要考虑单元胞设计，也要考虑整体图案设计。在此基础上，再进行拓扑优化，这样方能得到具有优异性能的晶格结构。对于单元胞的设计，主要包括杆基，壳基，三重曲面三种单元胞。

图2. 粉床熔融技术制备的杆基金属晶格结构及其单元胞原型：(a) 立方体结构，(b) 优化结构，(c) 菱形十二面体结构。

总的来说，金属晶格结构的性能主要由单元胞的构型，孔隙率，使用的材料种类以及不同的增材制造技术决定的。设计和制造出具有不同性能的金属晶格结构可以在不同的工业领域发挥作用。例如，具有较低的弹性模量金属晶格结构，可适用于生物医用骨科植入物；具有较高的刚性和能量吸收能力的金属晶格结构，可适用于轻量化结构设计及能量吸收器；具有较高的比表面积的金属晶格结构，可适用于催化结构的载体。以及还有其他工业领域的应用。

图3. 轻量化金属晶格结构实际案例：(a)-(c) 不锈钢米歇尔梁，(d) 不锈钢汽车控制臂，(e) 钛合金枕形支架，(f)-(h) 用金属晶格结构填充的卫星支架。

然而，增材制造技术也不是万能的，在制备金属晶格结构方面仍然存在一些限制和挑战。例如增材制造制备金属的晶格结构具有较高的表面粗糙度，需要先减小表面粗糙度才能投入使用；粉床熔融技术通常需要在特定的气氛腔中加工，所以加工的工件一般体积不大；而直接能量沉积和熔融沉积成型精度稍低，加工精细结构稍显不足；金属晶格结构往往需要经过表面处理后才具备更好的表面功能性，但由于金属晶格结构复杂，目前尚未有针对性的表面处理技术。

近十年来，金属晶格结构与增材制造技术的结合受到越来越多的关注。为了确保增材制造技术制备的金属晶格结构在各个行业的可靠性，对其建模、优化、材料、工艺参数、结构以及性能之间的关系仍需要进一步的理解。