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增材製造(AM) -3D列印技術已經在工業上得到了廣泛的採用和發展。這項技術可以提高具有複雜幾何形狀的工程材料的設計自由度，其中蜂窩或晶格結構在廣泛的應用中特別有前途。這些材料類似於隨機泡沫，在過去幾十年中發現了許多工業應用，但規則的蜂窩結構對透過增材製造成為可能的製造結構具有更高程度的控制。
這些結構化的多孔材料具有可針對特定應用進行微調的特性（機械效能、滲透性、熱特性等）。與隨機結構相比，對此類結構的設計和製造的控制開闢了新的應用可能性，並使一系列新產品和功能成為可能。隨著金屬增材製造技術日趨成熟並越來越多地被各個行業採用，並且隨著增材製造設計能力的提高，這種潛力才剛剛開始實現。
本期的谷.專欄將分享一篇在國際頂刊“Progress in Materials Science” 中發表的綜述論文。該論文總結了AM 晶格結構的獨特性，以及迄今為止這些特性如何成功用於特定應用，並強調了在不久的將來可能感興趣的各種應用領域。
doi.org/10.1016/j.pmatsci.2021.100918
關注特定應用中的晶格結構可實現特性
增材製造(AM) 是所有制造過程的術語，這些製造過程透過增量材料，使用數字設計模型來構建零件。根據 ASTM ISO 52900 術語標準 ，增材製造分為七種工藝類別，可使用的材料種類繁多，包括高階工程聚合物、金屬、陶瓷等。
鐳射粉末床融合 (L-PBF) 工藝現已在工業中廣泛採用，並已達到較高成熟，具有出色的零件質量，製造多種流行的金屬合金。L-PBF 工藝使用高功率聚焦鐳射束熔化粉末軌跡，軌跡重疊並逐層處理，直到元件完成。由於典型的軌道寬度為 0.1-0.2 毫米，因此可以製造高度複雜的結構。
逐層處理允許在許多情況下無法透過任何其他製造方法實現的複雜性。在最新的商業系統中，典型的最大零件尺寸達到 300 毫米甚至更大。這種尺寸和解析度範圍為關鍵部件的生產提供了許多與行業相關的機會，在最佳化的複雜幾何形狀中，在較短的交貨時間內，使該技術與航空航天、醫療、汽車和一般製造行業相關。
AM 的主要優勢包括多個零件的整合（零件之間的連線更少）、小批次零件的交貨時間更短、易於設計迭代和針對特定短期或獨特應用的定製設計，以及太難或太複雜的設計以前用傳統制造方法制造成本高（甚至不可能）。複雜性是汽車和航空航天輕量化設計的關鍵驅動因素，因為可以製造最佳化的幾何形狀，以最大限度地減少質量，同時在預期負載下表現同樣出色。這些最佳化的幾何形狀可能包括遵循預期載荷路徑的彎曲結構，在低應力區域沒有材料。
這種方法已經在部分規模的拓撲最佳化和仿生工程設計的許多例子中得到了成功的證明。 當預期負載眾所周知時，這種拓撲最佳化的體結構是一個不錯的選擇，並且有望用於許多應用，尤其是那些涉及輕量化應用的應用。這些結構通常可以使用傳統制造方法制造（以稍微較低的複雜性），但由於複雜性增加，這對於此類傳統工具來說通常更昂貴或更具有挑戰性。在 AM 中，複雜性是“免費的”，與不太複雜的部件相比，利用這種複雜性沒有額外的成本。因此，最佳利用可用的複雜性通常是增材製造優於傳統制造的財務和效能優勢的關鍵，因此有興趣充分利用增材製造中的複雜性。大多數關於增材製造零件結構完整性設計和評估的可用文獻都集中在具有簡化幾何不連續性的散裝材料和元件上。儘管上述研究在處理大塊機械部件和結構時非常重要，但將它們擴充套件到其他領域（如超材料）可能具有挑戰性。
廣泛的可用蜂窩設計以及使用增材製造在 3D 中精確定製其設計、密度和其他屬性的能力為這些結構在工業相關產品和零件中的應用提供了新的機會。它們在醫療植入物中的應用得到廣泛認可，在過去十年中學術界對醫療植入物中的晶格進行了廣泛的回顧。除了醫療應用外，它們在輕量化方面的應用也得到了廣泛認可，並引起了航空航天和汽車行業的極大興趣。
在這些努力中，在理解 AM 晶格結構的特性及其對特定應用的約束或限制方面取得了很大進展，而文獻綜述經常提到晶格結構的各種潛在應用。然而，到目前為止，該文獻還沒有廣泛考慮晶格結構的廣泛潛在應用，大多數討論是關於它們在植入物中的使用以及它們針對該特定應用的最佳化。更一般地說，在過去的二十年裡，多孔隨機泡沫在工業中發現了許多其他應用和 AM 晶格結構有可能在各種類似的應用中勝過這些。為了達到這種效能水平，必須將對增材製造的深入理解與對晶格結構設計、可製造性和測試的同樣深刻理解相結合。由於迄今為止在各種研究中報告的廣泛不同的結果，晶格結構的機械效能和疲勞效能仍然是一個有效的問題。
一般來說，對於金屬 AM 工業應用，需要一種結合材料、結構、設計和工藝知識的整體方法來實現特定的所需效能。除了材料選擇和製造質量外，晶格結構的設計選擇是其在工業中成功實施的關鍵。這包括瞭解應用要求以及如何為每個特定應用選擇或最佳化蜂窩結構，這是當前論文的重點。因此，本文采用了一種獨特的以應用為中心的方法，重點關注晶格結構的可實現特性以及如何針對特定應用最佳化這些特性，回顧了迄今為止每個應用領域文獻中報道的成功案例。
相關研究成果以題“Properties and applications of additively manufactured metallic cellular materials: A review”發表在國際頂刊材料綜述“Progress in Materials Science”上。
研究成果解析
由金屬AM製造蜂窩結構提供了一種全新的範例，其屬性和功能現在才開始被利用。由於這些結構的許多獨特效能可以調整和精確控制，因此它們在新應用中存在巨大的未開發潛力，包括低質量、設計的機械效能、高表面積、滲透性、能量和衝擊吸收、隔熱和熱機械效能和多得多。在討論相關應用時，該評論提供了一些在此背景下的設計能力和可實現的特性的見解。
儘管金屬 AM 晶格結構具有所有潛在優勢，但它們可能不適合某些情況或應用，並且在某些情況下可能會產生比隨機泡沫更差的結果。這些包括事先不知道載荷方向的情況——例如，架構晶格在特定方向上具有卓越的效能，但通常具有高度的各向異性。已經討論了商業金屬 AM 系統的製造限制，這些限制可能會導致意外錯誤或問題。在某些應用中，例如在醫療植入物中, 孔隙空間中的粉末截留是一個已經確定的關鍵問題，其中包括許多其他問題。與所有新技術和工程方法一樣，蜂窩結構的設計和製造需要仔細考慮和質量控制。在這種情況下，還有一節專門討論設計和製造方面的考慮。
圖1 (A) 骨組織的多孔晶格結構；(B) 模仿天然骨小梁結構的三重週期性最小表面 (TPMS) 人工細胞材料；(C) 天然和 (D) 人造蜂窩結構。
圖2 晶格結構的各種架構 (A) 基於支柱的晶格單元顯示在前三行中；(B) 骨架和 (C) 基於片的三重週期性最小曲面 (TPMS)。
圖3 (A) 根據 ISO 13314 進行壓縮-壓縮測試的試樣幾何形狀。文獻中提出的帶有螺紋端 (B) 和實心平端 (C) 的試樣幾何形狀，用於進行單軸拉伸準靜態和疲勞測試。(D) 用於準靜態扭轉試驗的實心圓柱端試樣。
圖 4 (A) 金屬蜂窩材料壓縮測試的典型實驗應力-應變曲線，在這種情況下，是由 L-PBF 製造的 Ti6Al4V 骨架陀螺晶格，密度為 12.5%。初始彈性響應之後是 20 MPa 的第一個屈服點，之後是一個具有大約 15 MPa 附近恆定應力的平臺區域，該區域持續到高應變，最終完全緻密化和應力增加；(B) 不同密度蜂窩結構的應力-應變曲線：更高的晶格密度導致彈性區域的初始剛度增加，屈服強度更高，相應的平臺應力也更高。由於存在更多的材料，對於更高密度的樣品，在更小的應變下發生完全緻密化。
圖8 具有晶格結構的示範性 Ti6Al4V 生物醫學植入物；(AI) 透過 EB-PBF 製造的菱形十二面體元網狀網狀顱骨置換原型，(A.II) L-PBF 多孔股骨；(BI) 混合骨盆帶，透過 EB 製造的右風髂骨置換植入物-PBF 並適合骨骼模型，由中國沉陽金屬研究所 (IMR) 的 SJ Li 博士提供，（B.II）混合髖關節植入物，在一個單件與合理設計的多孔質部聯合收割機實心區域在一個單步製造的新增劑的製造過程； (C) 透過 L-PBF 製造的幾何最佳化和功能分級的晶格髖關節植入物是全實心植入物的 41.9% 。
圖10(A) 晶格結構設計最佳化方法的流程圖；(B) Ti6Al4V 枕式支架設計的說明性步驟。
圖11 (A)加入蜂窩晶格的AM汽油活塞和銷的剖面圖，質量減少了 25%，並改善了關鍵區域的冷卻（由 IAV 汽車工程提供）；(B)透過 L-PBF 製造的用於井下應用的石油和天然氣Inconel 718 元件，質量減少 42.4%。該元件透過使用兩個“蛇形”內部通道在油井上下泵送流體，設計的元件直徑為 81.3 毫米，高度為 135.9 毫米；(C) 由 L-PBF 製造的 Ti6Al4V 輕型格架支架在實驗車輛中實施； (D) 具有透過 L-PBF 製造的晶格芯的賽車氣缸蓋的輕量化設計，重量減輕 63%，內部冷卻表面大 11 倍以上（由SLM Solutions公司提供），頂部和底部影象代表傳統和輕量級設計；(E) 鈦航空支架由 Materialise 團隊設計，重量減輕 63%，由 GE 航空製造，用於航空航天應用；(F) 雷尼紹蜘蛛支架於 2017 年首次展示，由 L-PBF 在 Ti6Al4V 中製造。
圖14 TPMS 陀螺受壓破壞機制的差異：(a) 壁斷裂和對角線或剪下破壞帶，(b) 壁摺疊和分層倒塌也導致結構膨脹。
圖18 熱管理應用設計中涉及的晶格結構示例。更詳細地說，由Inconel 718 透過 L-PBF 製造的帶有晶格壁的整體推力室旨在增強流體傳輸，同時充當冷卻系統（由Cellcore 和SLM Solutions 實現），一種拓撲最佳化的晶格散熱器裝置，可保證流動再迴圈（由普渡大學實現），一種填充三重週期最小表面晶格的熱交換器，用於航空渦輪機（由nTopology 實現））；B) 適用於電子應用的散熱器採用的 TPMS 結構的其他示例（由nTopology實現）；C)用於 F1賽車的超輕鋁合金AM熱交換器（由Betatype和Progressive Technologies實現）。
除了屬性應用空間之外，該綜述論文還概述了金屬晶格結構的製造挑戰，為設計和製造工程師提供了全面的資源，激發並進一步推動利用這些型別的結構製造各種新零件和產品的新進展的應用領域。
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