MSER（IF=36.214）頂刊綜述論文：金屬晶格結(jié)構(gòu)的增材制造

來源：材料科學(xué)與工程

金屬晶格結(jié)構(gòu)由于其低彈性模量、高剛度重量比、低熱膨脹系數(shù)和大比表面積等優(yōu)異性能，已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。

近日，澳大利亞埃迪斯科文大學(xué)的張來昌教授和江蘇科技大學(xué)的陳靚瑜副教授合作在Materials Science and Engineering: R: Reports（IF=36.214）在線發(fā)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(tǒng)地回溯了金屬晶格結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化、性能及應(yīng)用，并根據(jù)目前增材制造金屬晶格結(jié)構(gòu)的研究成果，討論了其局限性和未來的發(fā)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(tǒng)制造方法通常有發(fā)泡技術(shù)，精密鑄造，金屬線編織技術(shù)，粉末冶金，電鍍等。這些制備方法往往涉及復(fù)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(tǒng)的發(fā)泡技術(shù)雖可以快速制造多孔結(jié)構(gòu)，卻無法精確控制孔的分布和孔徑大�。痪�密鑄造技術(shù)雖可以很好的控制金屬晶格復(fù)雜結(jié)構(gòu)，但卻無法實(shí)現(xiàn)細(xì)微結(jié)構(gòu)的制備；金屬線編織技術(shù)雖可以根據(jù)設(shè)計(jì)的圖形來編織金屬晶格結(jié)構(gòu)，但金屬線節(jié)點(diǎn)間的連接需要額外處理，因此很難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，并且可以用來設(shè)計(jì)的圖形也非常有限。

增材制造技術(shù)，俗稱3D打印技術(shù)，是融合了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、材料加工與成型技術(shù)，以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過軟件與數(shù)控系統(tǒng)將專用的材料按照擠壓、燒結(jié)、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積，制造出實(shí)體物品的制造技術(shù)。3D打印技術(shù)不同于傳統(tǒng)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(tǒng)制造方式的約束，而無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件制造變?yōu)榭赡�。常用于制備金屬材料的增材制造技術(shù)有粉床熔融技術(shù)，直接能量沉積，熔融沉積成型，分層實(shí)體制造，直寫成型技術(shù)，粘合劑噴射等等。

圖1. 各種金屬增材制造技術(shù)示意圖：(a) 粉床熔融技術(shù)，(b) 直接能量沉積，(c) 熔融沉積成型，(d) 分層實(shí)體制造，(e) 直寫成型技術(shù)，(f) 粘合劑噴射。

在過去，盡管可以設(shè)計(jì)出許多具有潛在優(yōu)異性能的復(fù)雜晶格結(jié)構(gòu)，但它們的制造仍然受到傳統(tǒng)方法的限制。 幸運(yùn)的是，由于先進(jìn)的制造能力，增材制造技術(shù)的發(fā)展反過來促進(jìn)了更復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)目標(biāo)也從原來的可制造性轉(zhuǎn)變?yōu)楣δ苄浴?從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度看，晶格結(jié)構(gòu)是在一定的空間中重復(fù)出現(xiàn)的單元胞集合。 因此，在晶格結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，既要考慮單元胞設(shè)計(jì)，也要考慮整體圖案設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，再進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，這樣方能得到具有優(yōu)異性能的晶格結(jié)構(gòu)。對于單元胞的設(shè)計(jì)，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(shù)制備的桿基金屬晶格結(jié)構(gòu)及其單元胞原型：(a) 立方體結(jié)構(gòu)，(b) 優(yōu)化結(jié)構(gòu)，(c) 菱形十二面體結(jié)構(gòu)。

總的來說，金屬晶格結(jié)構(gòu)的性能主要由單元胞的構(gòu)型，孔隙率，使用的材料種類以及不同的增材制造技術(shù)決定的。設(shè)計(jì)和制造出具有不同性能的金屬晶格結(jié)構(gòu)可以在不同的工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮作用。例如，具有較低的彈性模量金屬晶格結(jié)構(gòu)，可適用于生物醫(yī)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(jié)構(gòu)，可適用于輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及能量吸收器；具有較高的比表面積的金屬晶格結(jié)構(gòu)，可適用于催化結(jié)構(gòu)的載體。以及還有其他工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

圖3. 輕量化金屬晶格結(jié)構(gòu)實(shí)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(jié)構(gòu)填充的衛(wèi)星支架。

然而，增材制造技術(shù)也不是萬能的，在制備金屬晶格結(jié)構(gòu)方面仍然存在一些限制和挑戰(zhàn)。例如增材制造制備金屬的晶格結(jié)構(gòu)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(shù)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(xì)結(jié)構(gòu)稍顯不足；金屬晶格結(jié)構(gòu)往往需要經(jīng)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前尚未有針對性的表面處理技術(shù)。

近十年來，金屬晶格結(jié)構(gòu)與增材制造技術(shù)的結(jié)合受到越來越多的關(guān)注。為了確保增材制造技術(shù)制備的金屬晶格結(jié)構(gòu)在各個(gè)行業(yè)的可靠性，對其建模、優(yōu)化、材料、工藝參數(shù)、結(jié)構(gòu)以及性能之間的關(guān)系仍需要進(jìn)一步的理解。