比翱工程实验室丨增材制造金属晶格结构与蜂窝材料的性能和应用综述

增材制造（AM）是指一系列制造方法，涉及增量添加材料，以直接在其最终或接近最终的几何形状中构建零件，通常采用逐层工艺。尤其是金属AM在工业上得到了广泛的采用。该技术可以提高具有复杂几何形状的工程材料的设计自由度，其中构建的蜂窝或晶格结构在广泛的应用中特别有前途。这些材料类似于随机泡沫，在过去几十年中已发现许多工业应用，但常规的晶胞结构对增材制造实现的制造结构具有更高程度的控制。这些结构多孔材料具有可针对特定应用（机械性能、渗透性、热性能等）进行微调的特性。与随机结构相比，对此类架构结构的设计和制造的控制开启了新的应用可能性，并实现了一系列新产品和功能。随着金属AM技术日趋成熟，并越来越多地被各行业采用，以及AM设计能力的提高，这一潜力才刚刚开始实现。这篇综述文章总结了AM晶格结构的独特性质，以及到目前为止如何成功地将其应用于特定应用，并重点介绍了在不久的将来可能感兴趣的各种应用领域。因此，本文的重点是金属增材制造晶格结构的独特可实现性质和相关应用。 

根据ASTM ISO 52900术语标准[1]，增材制造分为七个工艺类别，可以使用的多种材料，包括高端工程聚合物、金属、陶瓷等[2]。激光粉末床熔融（L-PBF）工艺现已在工业中广泛采用，并已达到高度成熟度，具有出色的零件质量，可以在各种流行的金属合金中可靠地生产[3]，[4]。L-PBF工艺使用高功率聚焦激光束来熔化粉末的轨迹，具有重叠的轨迹和逐层处理，直到组件完成[3]。由于典型的轨道宽度为0.1-0.2mm，因此可以制造高度复杂的结构。逐层处理允许在许多情况下任何其他制造方法都无法实现的复杂性。在最新的商业系统中，典型的最大零件尺寸达到300毫米甚至更大。这种尺寸和分辨率范围为关键部件的生产提供了许多与行业相关的机会，这些部件采用优化的复杂几何结构，在较短的交付周期内生产，使技术与航空航天、医疗、汽车和通用制造业相关[5]。

 

AM的主要优势包括整合多个零件（零件之间的连接较少）、缩短小批量零件的交付周期、简化设计迭代以及针对特定短期或独特应用的定制设计，以及以前用传统制造方法难以或昂贵（甚至不可能）制造的复杂设计。复杂性是汽车和航空航天轻量化设计的一个关键驱动因素，因为可以制造优化的几何结构，使质量最小化，同时在预期负载下表现同样出色。这些优化几何结构可能包括遵循预期荷载路径的弯曲结构，在低应力区域没有材料。该方法已在部分规模拓扑优化和仿生工程设计的许多实例中得到成功证明，包括有机形支架和弯曲几何体，取代了传统的“块形”设计，这方面的实例在综述[6]中进行了讨论。当预期载荷已知时，这种拓扑优化的块体结构是一个不错的选择，在许多应用中都有希望，特别是那些涉及轻量化应用的应用。这些结构通常可以使用传统的制造方法制造（复杂度稍低），但由于复杂度的增加，这对于此类传统工具来说通常更昂贵或更具挑战性。在AM中，复杂性是“免费的”，与不太复杂的部件相比，利用这种复杂性没有额外的成本。因此，对可用复杂性的最佳利用通常是AM相对于传统制造业的成本和性能优势的关键，因此，充分利用AM中的复杂性具有重要意义。关于AM零件结构完整性的设计和评估的大多数可用文献都集中在具有简化几何不连续性的散装材料和部件上。有关这些研究的更多信息，请参见[7]、[8]、[9]、[10]。尽管上述研究在处理大块机械部件和结构时非常重要，但将其扩展到其他领域（如超材料）可能具有挑战性。

AM实现的一些最复杂的结构不是如上所述的拓扑优化的体结构，而是较小尺度的蜂窝或晶格结构，也称为架构蜂窝材料或超材料。这些结构类似于开孔随机泡沫，在过去二十年中已经发现了巨大的工业用途[11]，[12]，[13]，[14]。主要区别在于，AM制造的多孔晶胞结构可以高度规则和可控制，通过精确控制制造工艺和多孔设计可以实现独特的性能。通常在晶格结构中，支柱和节点根据一些基本的构建块设计，结构单元设计以规则排列连接，并在3D空间中细分或重复。这些基于支柱的常规晶格类似于具有更复杂架构的脚手架结构。支柱和节点可能以不同的方式排列，从而影响有效的材料刚度、变形行为和失效模式。由于支柱连接的节点处的尖角，这些位置通常是负载条件下应力集中的位置，促使在这些角落中使用弯曲设计，例如圆角[15]。除了支柱和节点之外，另一种流行的晶胞设计方法是使用三重周期性最小表面（TPMS），这些表面有不同的变体，具有骨架或基于片状的品种[16]。在这两个品种中，多孔结构均由连续弯曲的几何形状制成，消除了应力集中。蜂窝和晶格架构的进一步设计和分类在[17]中讨论。

 

广泛的蜂窝设计以及使用增材制造在3D中精确定制其设计、密度和其他属性的能力为这些结构在工业相关产品和零件中的应用提供了新的机会。它们在医疗植入物中的应用得到了广泛的认可，并且到目前为止已经推动了大部分研究工作，在过去十年中对医疗植入物中的晶格进行了广泛的研究[18]，[19]，[20]，[21]，[22]，[23]，[24]，[25]，[26]。除医疗应用外，它们在轻量化方面的应用也得到了广泛认可，并引起了航空航天和汽车行业的极大兴趣。在这些工作中，在理解AM晶格结构的性质及其对特定应用的约束或限制方面取得了很大进展，而文献综述通常包括提及晶格结构的各种潜在应用[27]，[28]。然而，到目前为止，本文献尚未广泛考虑晶格结构的广泛潜在应用，大多数讨论是关于它们在植入物中的应用及其针对该特定应用的优化。在过去的二十年中，多孔随机泡沫在工业中发现了许多其他应用[11]，[12]，[13]，[14]，AM晶格结构有可能在各种类似应用中超越这些应用。为了达到这种性能水平，对AM的深入了解必须与对晶格结构设计，可制造性和测试的同样深入的理解相结合。特别是晶格结构的机械性能和疲劳性能仍然是一个值得关注的问题，因为迄今为止的各种研究中报告了广泛不同的结果。正如最近在[29]中概述的那样，目前正在更好地理解这种可变性的原因，并且可以使用一些指南和质量控制方法实现适当的性能。一般来说，对于金属增材制造工业应用，需要一种结合材料、结构、设计和工艺知识的整体方法，以实现特定的期望性能[30]。除了材料选择和制造质量外，晶格结构的设计选择也是其在工业中成功实施的关键。这包括了解应用要求以及如何为每个特定应用选择或优化蜂窝结构，这是当前论文的重点。因此，本文采用了一种独特的以应用为中心的方法，重点关注晶格结构的可实现特性以及如何针对特定应用优化这些特性，回顾了迄今为止每个应用领域的文献中报告的成功案例。表1提供了摘要和概述，它将读者引导到本文中针对每种属性或应用程序类型的相应部分。

表1：蜂窝材料的选定应用以及相关的所需特性和更详细讨论的部分。 

这种贡献对于设计工程师做出适当的选择特别有用，从而激励和告知这些领域未来的设计和设计选择。因此，本文的目的是为AM设计工程师和研究人员提供全面的资源，以协助为特定应用选择合适的蜂窝结构、材料和工艺来制造晶格。由于该技术的工业重要性和可靠性，范围仅限于金属AM和主要由L-PBF制造的蜂窝结构。许多讨论也可能与其他材料和工艺相关，例如微米甚至纳米级的晶胞材料、聚合物和树脂（例如通过立体光刻）或更大规模的结构（例如通过定向能量沉积）。其他AM工艺和材料存在潜力，但本文的范围仅限于L-PBF的金属晶格结构。在本文中，术语“晶格结构”和“蜂窝结构”与更通用的术语“架构蜂窝材料”互换使用，后者指所有有意设计和增材制造的多孔结构。有时也使用“超材料”一词，以强调这些独特材料的独特性，有时甚至是优越性。

 

图文快览

（A）骨组织的多孔细胞结构。（B）模仿天然小梁骨结构的三重周期性最小表面（TPMS）人造细胞材料[32]。（三）天然[33]和（D）人造蜂窝结构[34]。
基于支柱的晶格单元（A）晶格结构的各种结构显示在前三行中。（B）基于骨架和（C）片状的三重周期性最小表面（TPMS）[29]。
（A）根据ISO 13314进行压缩-压缩测试的试样几何形状。文献中提出的具有螺纹端（B）[71]和实心扁平端（C）[64]的试样几何形状，以进行单轴拉伸准静态和疲劳试验。（D）用于准静态扭转试验的实心圆柱形端的试样[70]。
（A）用于金属晶胞材料压缩测试的典型实验应力 - 应变曲线，在本例中是由L-PBF制造的Ti6Al4V骨架陀螺晶格，密度为12.5%。最初的弹性响应之后是20 MPa处的第一个屈服点，然后是一个在15 MPa附近具有近乎恒定应力的平台区域，该区域继续高达高应变，最终完全致密化和应力增加。（B）具有不同密度的细胞结构的应力 - 应变曲线：晶格密度越高，弹性区域的初始刚度增加，屈服强度越高，平台应力相应越高。由于存在更多的材料，在较小菌株下发生完全致密化，用于更高密度的样品。该实验数据来自L-PBF制造的Ti6Al4V骨架陀螺结构，插图显示了样品前视图。
Ashby 图显示相对弹性模量作为相对密度的函数，上线（蓝色）线表示理想的拉伸主导行为，下部（红色）曲线显示理想的弯曲主导行为。注意对数轴，以及与（1;1）处的完全致密材料的交点。插图显示通常与这些行为相关的故障模式。
有效弹性模量作为晶胞大小的函数，来自Andrews等人[55]和Ashby等人[54]的工作。在此图中，L表示样品的大小长度，d表示晶胞大小 - 因此，L / d比率等于样品在一个方向上的单位晶胞数量。 表2：金属增材制造设备制造商及其具体工艺名称[78]. 
表3：常见的增材制造合金及其应用领域[78].
（A）Khonaki和Pasini[110]提出的分级晶格髋关节植入物方法的流程图示意图，其吸收和界面故障最小;（B）骨吸收的分布和（C）植入物周围的局部界面失效。（I）全致密钛植入物，（II）相对密度为50%的均匀晶格植入物，（III）渐变晶格植入物。
采用晶格结构的演示性Ti6Al4V生物医学植入物;（A.I）通过EB-PBF制造的菱形十二面体元素网状头骨置换原型[20]，（A.II）L-PBF多孔股骨[112]，（B.I）混合骨盆带，通过EB-PBF制造并安装到骨骼模型上的右风髂骨置换植入物，由中国沈阳金属研究所（IMR）的S.J. Li博士提供。[20]，（B.II）混合髋关节植入物，将固体区域与合理设计的多孔部件结合在一件中，采用单步增材制造工艺制造[112]，（C）通过L-PBF制造的几何优化和功能分级的晶格髋关节植入物，占全固体植入物的41.9%[113]。
航空航天用多功能面板;（1）夹芯板的外层也起到空气动力学表面的作用，（2）蜂窝芯，（3）热空气输送管通过孔连接到蜂窝芯的区域（4）[114]。
（A）晶格结构设计优化方法的流程图，（B）Ti6Al4V枕式支架设计的说明性步骤[120]。
（A）AM汽油活塞和销的切割，结合蜂窝晶格，质量降低25%，关键区域冷却改善（由IAV汽车工程提供）[127]。（B）石油和天然气Inconel 718组件，用于通过L-PBF制造的井下应用，质量减少42.4%。该组件通过使用两个"蜿蜒"的内部通道[128]上下泵送油井中的流体。设计的部件直径为81.3毫米，高度为135.9毫米（C）Ti6Al4V轻质格子支架由L-PBF制造，在实验车辆中实现[129]。（D）通过L-PBF制造的带格子芯的赛车气缸盖的轻质设计，重量减轻63%，内部冷却表面大11倍以上（由SLM解决方案提供）[130]。顶部和底部图像代表了传统和轻量级设计。（E）由Materialise团队设计的钛航空支架，重量减轻63%，由GE航空制造用于航空航天应用[131]。（F）雷尼绍蜘蛛支架于2017年首次展示，由L-PBF在Ti6Al4V中制造[132]。
旋翼机座下的铝蜂窝能量吸收器[136]。右边的图像是铝蜂窝的缩放部分。
（a）金属晶格材料的典型压缩载荷-位移响应，在图形上显示第一个峰值（载荷）、平台区域和致密化点，通常估计吸收的能量（曲线下的面积）。（b）能量吸收效率与位移的对比图，峰值用于确定致密化的开始。致密化的开始与最大的能源效率相关。TPMS陀螺仪在压缩下的失效机制的差异：（a）壁和对角线或剪切破坏带的断裂，（b）壁的折叠和分层坍塌也导致结构的凸起。
在最大传递应力背景下的能量吸收：（a）比能量吸收（SEA）;（b）能量吸收能力（Wv）用于微晶格，蜂窝和泡沫- 固体标记来自准静态测试，空心标记来自动态测试[164]。

孔径和支架孔隙率强烈影响假体装置的通透性，这会影响细胞定植和骨形成以及血管形成（来自Barba等人[187]）。B）在Ali等人的工作中研究的单元细胞及其支架（灰色）和流体结构域（绿色）[192]。报告的细胞设计如下：（a）晶格菱形，（b）八角形，（c）截断八面体，（d）优化晶格，（e）双金刚石，（f）陀螺仪，（g）FR-D和（h）施瓦茨基元。（a）用立方晶格制成的铬镍铁合金718灯芯;（b）光学和（c）红外热图像，显示通过毛细管作用在灯芯中吸收乙醇。热管理应用设计中涉及的晶格结构示例。更详细的是，由Inconel 718通过L-PBF制造的单片推力室具有晶格壁，旨在增强同时充当冷却系统的流体输送（由Cellcore和SLM Solutions实现[204]）。一种拓扑优化的晶格散热器器件，可保证流动再循环（由普渡大学[205]实现）。一种充满三重周期极小表面晶格的热交换器，用于航空航天涡轮机中的应用（由nTopology实现[206]）。B）适用于电子应用的散热器采用的TPMS结构的其他示例（由nTopology[207]实现）。C）用于F1赛车的超轻型铝合金AM热交换器（由Betatype和Progressive Technologies[208]实现）。
（A）固流体界面上的热通量等值线与沿 x 平面和 z 平面切片的速度矢量一起显示。雷诺数设置为等于Re = 620。图（a）、（b）和（c）报告了晶格的三种不同孔隙率，即75%、90%和96%。图片改编自[216]。（B）显示了在没有（a）和（b）晶格结构引入的锂离子电池冷板之间的模拟比较（由Son等人[202]进行）。报告的前缘流线被称为u∞ = 33 km/ h（∼9.1 m/s）时的前进飞行模式模拟。
（A）储氢罐的示意图，其中金属氢化物嵌入金属泡沫中以增强导热性[223]。（B）储能的另一个例子，其中石蜡被用作热能储存系统中的相变材料（PCM），在这种情况下，石蜡嵌入泡沫铜中[224]。（A）热负荷下孔隙角变化对蜂窝盘温度轮廓的影响。（B）具有不同孔隙超形体的2D架构细胞超材料。（C）2D超整形孔隙的导热张量中有效偏离对角线项作为相对密度r的函数r.（D）由具有超整形孔隙的薄壁立方体细胞组成的3D架构超材料。图像已从[41] 重新粘贴。
可调谐多功能热超材料方案 .作为单元单元的热移位器的设计组件可以操纵局部热通量以实现多种功能：热移位器，集中器，扩散器和旋转器。不同倾斜度的热变换器诱导离散化的热通量线，灵感来自二维数字图像。灰色箭头表示单元电池热移位器的特定组件可实现局部热通量操纵的特定功能。红色箭头表明这种组装设计可以执行多种功能[243]。热机制是双材料四面体，具有固定节点（A）或固定线（B）。II和III显示了视觉上不耦合的热膨胀，一个用于低CTE材料，另一个用于高CTE材料。（C）由Al6061（高CTE）和Ti-6Al-4V（低CTE）制造的靜八构桁架单元的原型[250]。（D）Ai和Gao提出的四种类型的3-D双材料超材料，作为具有辅助特性的再入2D晶格结构的3D延伸[252]。增材制造的真空系统采用蜂窝设计，用于轻量化和传热[263]。带有晶格设计的仪式锤子，具有艺术吸引力，在RMIT用钛制成。梅斯总长度为1.2米（中间显示全梅斯）。顶部面板显示设计快照，底部面板显示制造快照（左下角显示零件的 L-PBF 构建板）。棒被打印成零件并焊接在一起。使用自定义Matlab脚本[273]生成的显式FCC-Z格（左）和使用商业软件生成的隐式陀螺仪片格（右）的示例。等效晶格几何形状，特征为（A）立体光刻（STL）和（B）3D制造格式（3MF）[271]。可制造性数据：支柱元件作为直径和倾角的函数。这里显示的是针对不同支柱厚度和构建角度的试样支柱级制造作为示例。
功能级晶格结构显示了基于BCC 支柱的晶格（左）、基于片状的陀螺仪（中）和基于BCC支柱的晶格（右）中密度和支柱厚度的线性变化。在每种情况下，孔径的相关变化都是可见的。 

结论与展望

由金属增材制造（AM）制造的架构蜂窝结构正在提供一种全新的范式，其特性和功能现在才开始被利用。这些结构的新应用存在巨大的未开发潜力，因为它们具有许多可以调节和精确控制的独特性能，包括低质量、可设计机械性能、高表面积、渗透性、能量和冲击吸收、隔热和热机械性能以及更多。在讨论相关应用时，本综述提供了对设计功能和可实现的属性的一些见解。

 

尽管金属AM晶格结构具有所有潜在的好处，但它们可能不适用于某些情况或应用，并且在某些情况下可能会产生比随机泡沫更糟糕的结果。其中包括事先不知道载荷方向的情况 - 例如，架构格在特定方向上具有卓越的性能，但通常具有高度各向异性。已经讨论了商用金属AM系统的制造限制，这些限制可能会导致意外的错误或问题。在某些应用中，例如在医疗植入物中，粉末在孔隙空间中的滞留是已经确定的关键问题，其中包括许多其他问题。与所有新技术和工程方法一样，晶胞结构的设计和制造需要仔细考虑和质量控制。在这方面，还专门用了一节来讨论设计和制造方面的考虑。

 

通过概述除属性应用空间之外的制造挑战，本文为设计和制造工程师提供了全面的资源，以激发和进一步推动利用这些类型的结构在各种应用领域中用于新零件和产品的新进展。

 

参考文献

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