3D科学谷洞察

“ 超材料是一种工程材料，具有独特的属性和先进的功能，这是其微结构组成带来的直接结果。虽然最初的特性和功能仅限于光学与电磁学，但在过去十年中出现了许多新型超材料，它们在许多不同的研究和实践领域都有应用，包括声学、力学、生物材料和热工等。过去十年，旨在设计、模拟、制造和表征不同类型的超材料的研究在广度和深度上都出现了爆炸性增长。这种前所未有的增长主要发生在三大发展的交汇处，这些发展相互加强，并促进了超材料的研究。”

 内容快览

• 解决的问题：突破轻质晶格超材料在断裂韧性研究中忽视支柱屈曲失稳增韧作用的局限，探索支柱屈曲对晶格超材料断裂韧性的影响，解决轻质与韧性难以兼顾的问题。
• 提出的方法：通过增材制造、数值模拟和理论分析相结合，基于 J 积分的断裂力学框架，研究支柱屈曲失稳对晶格超材料断裂韧性的影响。
• 实现的效果：发现特定断裂能与相对密度的反常幂律缩放关系，在极低相对密度下实现异常增韧，验证了增韧机制的普遍性，并提出非均匀晶格设计增强断裂能。
• 创新点：揭示支柱屈曲诱导裂纹尖端钝化导致的反常密度缩放增韧规律，突破传统认知，为轻质高韧性晶格超材料设计提供新思路。
• 研究成果以题为 “Strut-Buckling Transformation Enabling Anomalous Density-Scaling Toughening Law in Ultralight Lattice Metamaterials” 发表于《Advanced Materials》上。中国科学技术大学Zewen Wang 为论文第一作者，Kaijin Wu、Zhaoqiang Song 和 Yong Ni 为论文共同通讯作者。

 内容简介

• 摘要：轻质晶格超材料因其优异且可调节的机械性能备受关注，然而，其实际应用最终受到对不可避免制造缺陷耐受性的限制。传统晶格超材料的断裂力学局限于裂纹尖端支柱的局部拉伸失效，忽视了裂纹前沿周围离散支柱屈曲失稳的增韧作用。在此，通过增材制造、数值模拟和理论分析相结合，本研究确定了特定断裂能与相对密度的反常幂律缩放关系，在临界相对密度以下，缩放指数变为负值。这种反常增韧规律源于极低密度下非局部支柱屈曲转变引发的裂纹尖端钝化，在不同长度尺度、裂纹取向、节点连接性和组件属性的各种晶格超材料中普遍存在。通过合理利用支柱屈曲机制，可在极低相对密度下实现极高的特定断裂韧性，从而填补材料性能设计空间的空白。这些发现不仅为离散晶格断裂提供了物理见解，还为超轻、超韧晶格超材料提供了设计思路。
• 结论：采用基于 J 积分的断裂力学框架，有效捕捉了支柱屈曲对晶格超材料断裂能的影响。全面的理论、数值和实验结果表明，与无屈曲情况相比，支柱屈曲引起的裂纹尖端钝化促进了更均匀的应力分布，从而显著提高了特定断裂能。具体而言，我们发现了特定断裂韧性与相对密度的反常缩放规律，在临界密度以下，缩放指数变为负值。通过对不同长度尺度、裂纹取向、节点连接性和组件属性的各种晶格超材料的分析，我们发现支柱屈曲引发的裂纹尖端钝化在晶格超材料中普遍存在。此外，利用这种增韧机制，可在极低相对密度下实现晶格超材料的超高断裂韧性。未来研究可探索晶格结构固有的其他变形机制，如支柱扭转或手性结构，对断裂韧性的影响，以及多相晶格超材料产生的新机制。这项工作的发现有望推动轻质、高抗断裂材料的发展，应用于航空航天、汽车、体育和可穿戴设备等行业。

图1：离散晶格超材料中支柱屈曲转变增韧。

图2： 晶格超材料中特定断裂能的反常缩放规律。

图3：支柱屈曲转变对断裂能和临界相对密度的影响。

图4： 晶格超材料中支柱屈曲引发的裂纹钝化分析。

图5. 晶格超材料中支柱屈曲增韧机制的普遍性。

图6. 通过调控支柱屈曲实现超轻晶格超材料的增韧设计。

文章信息：

Z. Wang, K. Wu, J. Ding, J. Jin, Y. Zhou, M. Li, Y. Yao, L. He, Z. Song, Y. Ni, Strut-Buckling Transformation Enabling Anomalous Density-Scaling Toughening Law in Ultralight Lattice Metamaterials. Adv. Mater. 2025, 2419635.

https://doi.org/10.1002/adma.202419635

来源
超材料前沿 l

中国科学技术大学Advanced Materials | 晶格超材料增韧设计新策略

l 谷专栏 l

欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷

根据3D科学谷的市场洞察，国内近期关于多孔结构在多尺度等几何拓扑优化、力学行为、吸能特性以及特殊性能（如负泊松比）设计方面的最新研究进展，对于航空航天、信息电子等领域的应用具有重要意义。

本期，通过节选近期国内在点阵多孔材料方面的实践与研究的多个闪光点，3D科学谷与谷友一起来领略的这一领域的研究近况。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

3D科学谷洞察

“ 增材制造点阵多孔结构的发展趋势指向了更复杂和多样化的几何形状制造，点阵结构的性能优化、新型金属材料体系的开发以及多孔材料的定向化合成。这些进展为多孔结构在航空航天、电子、生物医学、能源环境等领域的应用提供了新的可能性。”

 面向散热性能的多孔结构
     多尺度等几何拓扑优化

黄明喆1,2肖蜜1,2刘喜亮1,2沙伟1,2周冕1,2高亮1,2
1.华中科技大学国家智能设计与数控技术创新中心2. 华中科技大学智能制造装备与技术全国重点实验室

摘要：

多孔结构具有轻质、散热快等特点，在航空航天、信息电子等领域应用广泛，提出了一种面向散热性能的多孔结构多尺度等几何拓扑优化方法。在微观尺度，采用水平集函数描述三周期极小曲面点阵的几何构型，构建了Kriging元模型，预测点阵的宏观等效热学属性，从而降低计算成本；在宏观尺度，以最小散热柔度为目标，建立了多孔结构的多尺度拓扑优化模型，引入等几何分析提高了结构性能分析的计算精度，结合等几何映射技术开展了非规则几何结构的多尺度拓扑优化设计，避免了非规则设计域中点阵裁剪导致的几何特征缺损等问题；最后，通过数值算例验证了所提出方法的有效性。

结果表明，提出方法可实现非规则几何结构的散热性能优化设计，优化得到的轻质梯度多孔结构具有较好的散热性能，在实际工程中具有广阔的应用前景。

 基于MJF的极小曲面
     结构力学行为及吸能特性研究

肖江海、侯俊玲、李群
机械结构强度与振动国家重点实验室、西安交通大学航天航空学院

摘要：

极小曲面结构是一种表面连续光滑的曲面多孔结构，具有低密度、高强度以及优良的减震吸能等特性，在航空航天、汽车工业、机械装备等领域的结构轻量化设计方面，具有广泛的应用前景。

本课题采用多射流熔融（MultiJet Fusion，MJF）增材制造技术，结合参数化建模方法，以尼龙PA12为原料制备了体积分数同为20%的3种极小曲面多孔结构（G曲面、P曲面、D曲面）。利用准静态压缩试验和数值模拟，分析了不同极小曲面结构的力学响应和吸能特性。

研究发现：在力学响应方面，3种极小曲面的平台名义应力分别为4.0MPa、2.1MPa和4.75MPa，明显高于相同体积分数下BCC点阵结构的平台名义应力（2.0MPa），具有更好的承载能力；在吸能方面，G曲面、P曲面和D曲面的单位体积吸能量近似可达BCC点阵结构的7倍、4倍、8倍。综上所述，与传统BCC点阵结构相比，MJF增材制造工艺制备的极小曲面结构能够更好的分散压力，减少应力集中，表现出优异的力学性能和吸能特性，具有非常好的应用前景。

 射流熔融3D打印
     桁架点阵结构的力学性能研究

王轩玉1李楠1,2乌日开西·艾依提1贾儒1
1.新疆大学机械工程学院2. 东莞理工学院

摘要：

通过组合叠加方法设计了七种桁架胞元构型，并采用射流熔融(Multi Jet Fusion, MJF)3D打印技术制备具有相同孔隙率的点阵结构试样，通过单轴压缩实验和有限元模拟，分析不同点阵结构的力学性能、变形模式及吸能能力。研究发现，七种结构在压缩过程中都经历了线弹性阶段、平台应力阶段和致密化阶段，其中以弯曲为主导型的SBO型点阵结构变形过程相对平稳，其平台应力(σpl=2.76 MPa)和平台应变区间长度(23%～72%)高于其他点阵结构，累积吸能值达到702 J/mm3,表现出优异的力学性能和吸能能力。

 结构参数对选区激光熔化成形
     AlSi10Mg金刚石点阵结构拉伸性能的影响

吴鸿飞、王国伟、沈显峰、杨家林、王晨光、陈金明
中国工程物理研究院机械制造工艺研究所

摘要：

选区激光熔化制备金属点阵结构由于具有结构设计自由度大、成形零件具有轻量化、缓冲吸震、隔热散热等优势在航空航天等领域具有广泛的工程应用前景。随着应用的不断拓展，对点阵结构的拉伸性能也提出了要求。通过有限元模拟，研究了金刚石单元结构参数对Al Si10Mg点阵结构拉伸性能的影响，并进行了试验验证。

结果表明：所设计的点阵结构成形效果较好，具有稳定的力学性能；支杆杆径和孔隙率对点阵结构抗拉强度存在显著影响；随着支杆长径比的减小，点阵结构应力集中区域由节点处向支杆中间位置移动，长径比在1.4左右时点阵结构具有较为均匀的应力分布；在点阵结构外层包裹薄壳结构，可使点阵结构整体应力分布更为均匀。试验与仿真结果相吻合，可通过有限元方法对点阵结构的拉伸性能和变形失效方式进行有效预测。

 增材制造自支撑点阵-实体
     复合结构拓扑优化方法

云峰1,2王有治1,2宋娇1,2耿磊1,2张乘虎3刘继凯3
1.内燃机可靠性国家重点实验室2. 潍柴动力股份有限公司3. 山东大学机械工程学院

摘要：

随着先进设计概念和增材制造技术的发展与革新，多尺度结构的设计及制造在学术界被广泛研究。点阵-实体复合结构兼具轻量化、高性能、多功能属性，展现了巨大的应用前景和科研价值。为此，提出了一种增材制造自支撑点阵-实体复合结构拓扑优化方法，通过建立一套创新的层级材料插值模型，分别定义了自支撑单元密度和单元内点阵单胞-实体材料的相对密度。

其中，对自支撑单元密度进行增材制造滤波以实现结构的增材制造自支撑特性，利用计算均化方法及多项式插值，对点阵单胞-实体材料的等效刚度进行了点阵域-实体域统一插值，以此实现优化过程点阵-实体的无缝双向切换。

最后，通过数值计算案例对所建立算法的有效性和先进性进行了论证，结果表明，自支撑的点阵-实体复合结构在力学承载能力上优于传统的单一尺度自支撑拓扑优化结果。

 不连续十字型
     点阵夹层结构的隔声性能

杨青苗1王文胜1,2,3张云豪1
1.河南科技大学工程力学系2. 机械装备先进制造河南省协同创新中心3. 工业装备结构分析国家重点实验室

摘要：

点阵夹层结构具有低密度、高比强度、高比刚度等优异特性，其基本周期单元之间存在较大的空间，具有很好的流通性，因此在隔声、降噪、传热、抗冲击和吸能等方面有很大的潜力。

本课题针对不连续十字型点阵夹层板单胞结构开展隔声性能分析，应用理论分析与数值模拟的方法绘制传声损失曲线，结合该结构在周期性边界条件下的振动特性对曲线进行分析，同时研究几何尺寸和材料参数对不连续十字型点阵夹层板结构隔声特性的影响，简要总结参数改变引起传声损失曲线变化的规律，研究结果可为工程实际中隔声结构的选择提供参考。

 增材制造三维微点阵材料
     力学性能表征与细观优化设计研究进展

肖李军、李实、冯根柱、石高泉、宋卫东
北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室

摘要：

三维微点阵材料是一种由复杂拓扑胞元周期性排列构成的超轻质结构材料，兼具极低的密度、优越的力学特性和良好的能量吸收等性能，是满足轻量化、抗冲击和多功能集成需求的重要新型战略材料.增材制造技术的快速发展，为三维微点阵材料的制备和优化设计带来了便利的条件，二者的结合为航空航天、轨道交通以及武器装备等领域实现防护结构轻量化和多功能一体化提供了新思路.为阐明增材制造三维微点阵材料的动态力学特性与变形失效机理，进一步开展材料多尺度优化设计，拓展增材制造微点阵材料在冲击防护等领域的应用，对增材制造三维微点阵材料力学行为与设计的研究成果进行了系统的综述和展望.依据增材制造三维微点阵材料的多尺度结构特征，分别评述了不同类型微点阵材料的宏观动力学响应与失效机制、细观性能表征与结构优化设计、微观组织特征与变形机理等方面的研究，展望了未来增材制造三维微点阵材料在冲击防护领域面临的问题和挑战.

 基于转移脉冲火花放电通道的
     金属悬垂结构无支撑熔丝增材成形研究

庄津1段晓明1杨海欧2杨晓冬1
1.哈尔滨工业大学机电工程学院2. 西北工业大学材料学院

摘要：

针对电弧熔丝增材制造过程中高水平热输入带来的成形过程不稳定、微观组织不精细以及拉伸强度较低等问题，提出了一种以脉冲火花放电通道为热源的新型金属增材制造方法，此法火花放电通道形成在エ具电极与金属丝材之间，之后膨胀并转移至工具电极和成形件之间，有效降低了成形过程中的热输入。通过将该法应用于悬垂结构的无支撑成形，以倾斜角为45°的单元杆为研究对象，研究了放电电流、脉冲宽度、脉冲间隔、送丝速度和扫描速度对成形精度和形貌的影响，进而成功实现了倾斜角为0°～90°细长杆及体心立方点阵结构的无支撑增材制造。

 梯度极小曲面
     点阵结构力学特性研究

杨磊1,2郑浩1张聪1闫春泽2
1.武汉理工大学交通与物流学院2. 华中科技大学材料科学与工程学院

摘要：

基于螺旋(Gyroid)型极小曲面点阵结构，设计包括两种线性渐变和两种矩阵渐变的四种梯度结构，通过实验及有限元分析方法分析了梯度设计对Gyroid型极小曲面点阵结构力学特性的影响．结果表明：通过激光选区熔化制备的样品致密度均在98%以上，具有极高的制备精度和可重复性；压缩实验表明四种梯度结构的变形过程一致，均是结构整体坍塌；与均匀结构对比，梯度结构的弹性模量提高了10%,10%-20%-10%梯度设计结构的累计能量吸收值最大．此外，对结构进行了有限元仿真，结果表明压缩过程中应力集中发生在转角处．

 基于球体堆积模型设计的
     多胞薄壁结构抗冲击性能研究

胡敬坤、徐鹏、范志强、谭晓丽、李耀宙
中北大学航空宇航院

摘要：

多胞薄壁结构具有优异的缓冲吸能特性被广泛应用于国防工业中的抗冲击结构设计，本文基于体心立方堆积模式的启发，对体心立方结构进行了一系列的改造增强(增加肋板、改变混合结构、改变连接管角度),通过实验和数值模拟研究了模型形态、模型壁厚、连接管角度、冲击速度对其能量吸收和变形模式的影响.

结果表明：在球体中心添加连接肋的结构及体心立方和简单立方相结合的结构其比吸能和平均压溃载荷相较于普通结构分别增长了24%～38%和71%～90%,改造的结构使其拥有更好的承载和能量吸收能力；结构中添加外层球壳结构可以阻碍连接管的破坏坍塌，从而获得更高的能量吸收效率，连接管的角度也会对结构的承载能力造成一定的影响；连接管角度较小时该结构的吸能特性较好，并且连接管吸能特性对速度的变化并不敏感，其他结构组件的吸能特性会随着速度的增大而增大.

 一种新的负泊松比
     吸能点阵结构设计

申文杰、叶红玲、田福威
北京工业大学材料与制造学部

摘要：

为了获得可实现负泊松比功能的吸能点阵结构,本文采用独立连续映射方法拓扑优化得到轻量化初始构型并结合星形结构设计了负泊松比吸能点阵结构,建立了点阵结构有限元模型并采用ABAQUS有限元软件对其压缩过程进行了数值仿真,分析了点阵结构的变形。随后与星形点阵结构在压缩性能上进行对比,包括压缩吸能性能与负泊松比特性。结果表明:所设计点阵结构拥有更高的吸能平台载荷和更大平台区间,同时兼顾负泊松比特性,但负泊松比效果有所牺牲。本文的研究为负泊松比吸能点阵结构优化设计提供了参考。

 点阵结构单元力学性能
     及在结构轻量化设计中的应用

申会鹏1,2张天宇1李行雨1韩春阳1郭家宝1
1.河南工业大学机电工程学院2. 河南省超硬磨料磨削装备重点实验室

摘要：

针对特定功能点阵结构实现结构轻量化设计的问题，提出了拓扑优化方法，设计了一种点阵结构单元构型。首先，从实际载荷工况特征出发，构建了初始设计模型，根据拓扑优化思想，设计出了符合力学性能特性的创新点阵结构单元谱；其次，采用有限元分析方法，获取了点阵结构单元的力学性能，提出了以比刚度为指标的单元性能评价方法，得到了点阵结构的力学性能规律；然后，建立了典型点阵结构单元比例试件，进行了力学实验分析，通过实验数据对比，对点阵结构单元性能规律的准确性进行了验证；最后，将点阵结构性能规律应用于汽车发动机连杆的结构轻量化设计中，通过分析汽车发动机连杆的载荷特征来匹配点阵结构单元谱，填充了相应的点阵结构。

研究结果表明：填充后的连杆体积减少了45%，而比刚度提高了90%，验证了点阵结构单元数据库的有效性和实用性。该点阵结构单元数据库能够为复杂零件的结构轻量化设计提供有力的科学依据。

l 谷专栏 l

欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷

点阵结构材料由于在热、电和光学性能等方面具有的优势，以及作为潜在的轻量化材料而受到人们关注。点阵结构，为实现零部件不同的外观和性能打开了一扇门。点阵结构所固有的复杂性，使得增材制造/3D打印技术与其制造有着天然的结合点。3D打印的一大优势是灵活性以及打印成本对产品的复杂性不敏感，这也是复杂的点阵结构成为3D打印领域的一大热门研究方向的主要原因。

设计师通过调整单个胞元尺寸、杆径和胞元形状，将可能实现产品更高的设计美感和力学性能。结合3D打印在制造复杂结构方面的能力，设计师能够更加能够专注于产品本身，这为3D打印晶格结构的应用打开了更大的空间。

本期，通过聚焦近期国内在点阵结构方面的实践与研究的多个闪光点，3D科学谷与谷友一起来领略的这一领域的研究近况。

© 3D科学谷白皮书

 单胞构型和微观缺陷对SLM制备
     NiTi合金高刚度点阵结构疲劳性能的影响

© 3D科学谷白皮书

司冠琛、向政、杨琴、沈显峰、陈捷、黄姝珂
中国工程物理研究院机械制造工艺研究所

摘要：

采用选区激光熔化（SLM）技术制备了三种高刚度镍钛合金点阵结构（带有Z轴增强支柱的体心立方结构-BCCZ、带有Z轴增强支柱的面心立方结构-FCCZ、带有Z轴增强支柱的面体心立方结构-FBCCZ），研究了结构类型和微观缺陷对疲劳性能的影响。

试验结果显示：FBCCZ结构的疲劳性能最优，最大压缩应力为25 MPa时，实现107次加载循环；BCCZ和FCCZ结构的疲劳性能较差，最大压缩应力为15 MPa附近时，实现107次加载循环。

分析结果表明：循环加载应力较大时，FBCCZ结构疲劳寿命最优，FCCZ次之，BCCZ最差，此时点阵结构的单胞类型对疲劳性能的影响显著，结构的变形程度和应力集中程度越小，疲劳性能越好。循环加载应力较小时，FCCZ结构和BCCZ结构的疲劳寿命逐渐接近。此时单胞结构对疲劳性能的影响减弱，微观缺陷对疲劳性能的影响增强，试样中的孔洞缺陷在循环加载过程中将促进疲劳裂纹的萌生，降低疲劳性能。

 选区激光熔化成形FeCrNi
     中熵合金点阵结构及其力学性能

© 3D科学谷白皮书

孙驰1汪健1贺贺2秦冬阳2曹远奎1付遨1刘彬1
1.中南大学粉末冶金研究院2. 西北工业大学航空学院

摘要：

金属点阵结构材料由于其轻量化、高比强度、能量吸收和多孔性等优势，广泛应用于航空航天、汽车工业等领域。以高强韧FeCrNi中熵合金(medium entropy alloy,MEA)为研究对象，采用选区激光熔化(selective laser melting,SLM)技术制备了具有BCC,BCCZ,FCC,FCCZ四种仿晶格结构的FeCrNi中熵合金点阵结构材料，对其显微组织、力学性能及变形行为进行了系统研究。

结果表明，采用SLM技术制备的FeCrNi中熵合金点阵结构节点搭接质量高，熔池交错堆叠致密，晶粒均匀细小。在相对密度相近时，BCC,FCC,BCCZ,FCCZ点阵结构的比强度和比能量吸收值依次升高。具有FCCZ点阵结构的FeCrNi中熵合金材料的比能量吸收值达到49.8 J·g-1，显著高于Ti6Al4V及316L不锈钢点阵材料。有限元模拟分析表明，Z型支柱的存在增加了点阵材料的表观强度和刚度，并导致变形行为由结点弯曲主导向拉轴向压缩主导转变，是FCCZ点阵结构强度提升的主要原因。

 304不锈钢多层梯度点阵结构
     压缩性能及梯度率影响研究

徐向聪1高佳丽1郝云波2
1.上海理工大学机械工程学院2. 上海航天设备制造总厂有限公司

摘要：

采用试验与有限元分析相结合的方法研究了变密度多层梯度点阵型金属减振结构的吸能性能。首先，以体心立方(Body-Centered Cubic, BCC)结构为基础单胞，分别设计了变直径BCC(Diameter BCC, DBCC)和变角度BCC(Angle BCC, ABCC)两种梯度点阵结构，并采用选择性激光熔融工艺实现了304不锈钢多层梯度结构的制备。然后，对比研究了梯度点阵结构和均匀点阵结构的压缩和吸能性能。

有限元仿真和实验结果均表明，DBCC结构自压缩过程开始，低密度层带动高密度层逐层坍塌，在小应变阶段具有较高的吸能效率，而应力分布不均匀导致其力学性能和整体能量吸收大小较均匀结构大幅降低。ABCC结构小应变阶段抗压性能强，压缩至大应变阶段发生逐层塌陷，一定程度上提升了结构的吸能性能，同时增大ABCC结构梯度率可有效提高结构的弹性模量和吸能特性。

 基于点阵和TPMS结构的
     电子器件散热器性能数值模拟研究

© 3D科学谷白皮书

张涵1于磊2程志龙1王秋旺1
1.西安交通大学热流科学与工程教育部重点实验室2. 沈阳飞机设计研究所

摘要：

随着电子器件集成度显著提高，散热问题愈加突出，为保证电子器件正常工作，对散热器的性能要求愈发严苛，目前强制风冷是最普遍的散热方式，针对传统风冷散热器的翅片结构具有换热面积小、对流换热系数低等缺陷，提出SC-BCC点阵和三周期极小曲面(TPMS,W型) 2种翅片结构风冷散热器，并对其传热性能开展了数值模拟研究。采用体积平均尺度(REV)数值仿真模型，对大尺寸风冷散热器进行传热性能研究具有较高可靠性，可大幅节省计算资源与成本。

数值计算结果显示：在相同孔隙率和入口速度条件下，SC-BCC结构的压降比TPMS结构高27.2%,热流量比TPMS结构高6.7%。该结果表明在对传热性能需求较高而可接受压降范围较大的情况下可选择点阵结构，相反可选择TPMS结构。

 基于选区激光熔化技术的空心
     变截面梁点阵建模与性能研究

张朝瑞、钱波、张立浩
上海工程技术大学机械与汽车工程学院

摘要：

针对点阵结构受力不均、材料分布不合理和功能性单一等问题，设计了一种空心变截面梁点阵。该点阵主要由空心变截面梁和无冠空心球体组成，优化了节点连接方式，改善了材料分布，相比于传统体心立方点阵更具优势。完成了空心变截面梁点阵结构几何分析，基于点阵的几何数据模型和铁木辛柯梁理论推导了点阵结构参数与相对密度和力学性能之间的函数关系。设计了单胞边长10 mm空心变截面梁点阵，在同一相对密度、不同曲率半径的变截面梁点阵进行了准静态压缩仿真模拟，采用选区激光熔化技术制备了变截面梁点阵，进行了形貌分析和准静态压缩试验。

结果表明：压缩仿真结果与实验结果趋势吻合，空心变截面梁点阵相比于传统体心立方点阵性能更优，外轮廓曲率半径为4 mm时力学性能最优，相比于普通点阵承载能力提高43%；变截面梁外轮廓及内孔光洁度较高，扫描提取模型与原模型相比偏差在0.25 mm以内。

 光固化制造仿生蝴蝶
     点阵结构压缩及吸能性能研究

© 3D科学谷白皮书

谢炜豪1,2杨永泰1,2,3
1.福建农林大学机电工程学院2. 中国科学院海西研究院泉州装备制造研究中心3. 中国科学院大学

摘要：

结构功能梯度点阵模型不仅有优异的抗压及吸能特性,而且能够达到轻量化的效果,因而被广泛运用在机械、车辆、航空航天等领域。受蝴蝶蝶翼几何形状的启发,结合菱形正十二面体单胞,设计一种新型单胞,通过参数化建模将其阵列为等杆径点阵结构,并设计相应的梯度点阵结构进行对比。以光敏树脂为原料,运用光固化增材制造技术进行结构制备。基于准静态压缩实验探究了两种点阵结构的压缩性能及吸能性能。

结果表明,两种结构都以逐层塌陷的方式达到致密化,但裂纹扩展的方向相反;两种结构的单位体积应变能随着杆径及几何形状参数的增大而增加;在点阵结构尺寸相同的情况下,梯度点阵结构用料更少,但能大幅度提升比吸能。

l 谷专栏 l

欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷

为了解决 3D 打印金属晶格结构中缺少支柱和支柱缺陷的问题，美国LLNL劳伦斯利弗莫尔国家实验室团队研究了在3D打印过程中监控构建质量的能力，可以即时判断零部件的构建质量是否满足要求。

3D打印点阵晶格结构
© LLNL

 解决支柱缺陷

根据3D科学谷的市场了解，劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 的工程师和科学家开发了金属 3D 打印部件的实时缺陷检测方法，通过结合监测、成像技术和多物理场模拟，可以在3D打印过程中检测和预测 3D 打印金属点阵晶格结构中的支柱缺陷。

金属点阵晶格的高强度和低密度特性已在许多领域得到应用。在激光粉末床熔融 (LBPF) 3D 打印过程中，可能会出现支柱缺失和缺陷，从而影响打印点阵晶格的机械性能。

点阵晶格结构制造技术
© 3D科学谷白皮书

点阵结构填充轻量化设计所需要实现的零件复杂性已经超过了传统的CAD软件的原有功能。当通过点阵技术减轻零件重量时，从DfAM（增材思维）角度看，在点阵晶格之间以及和外蒙皮之间建立牢固的连接非常重要（以防止分层）。

点阵晶格结构建模软件
© 3D科学谷白皮书

为确保金属点阵晶格的3D打印质量，通常会进行构建后检查，这需要时间，而且并非总是可行，尤其是对于复杂的构建。为了解决这个问题，LLNL 团队研究了现场监控构建质量的能力，以即时决定零件是否满足质量要求。

正如最近发表在《增材制造快报》上的一篇论文所述，LLNL 研究人员使用光电二极管、高温计（两者都测量从熔池发出的光）和热成像来监测金属微晶格结构的打印过程。该团队通过 LBPF 工艺3D打印了正常的支柱和故意有缺陷的“半支柱”，测量了熔池的热排放。然后，研究人员开发了一种方法，利用这些热辐射来高精度地预测缺陷。

目前，LLNL国家实验室能够检测跨越多个层的缺陷，在未来，将开发新的方法来识别3D打印层内的缺陷，将允许进行动态反应并可能抑制缺陷发生。

通过高速热成像和光学成像以及使用 ALE3D 多物理场代码的模拟验证观察到的热辐射背后的机制，研究人员可以预测3D打印的点阵晶格支柱是否存在，准确率超过 94%，该方法为零件质量提供了“宝贵的见解”，并反映了熔池热排放监测在识别 LPBF 零件缺陷方面的潜力。

 3D打印过程控制的“大脑”

根据3D科学谷《人工智能减少缺陷-3D打印过程控制 l 人工智能赋能3D打印》一文，人工智能在每个特定领域发挥着越来越重要的作用，包括：缺陷检测和纠正、在构建过程中和构建之后减少残余应力和故障、原位计量和设计精度、微结构设计、合金设计和优化。

根据中国工程院院刊《基于神经网络的机器学习方法在3D打印中的应用》，传感器硬件需要由功能强大的操作软件所控制。控制软件的基本模式包括监视、记录、分析和存储数据。在一般情况下，例如在激光粉末床熔融 (LBPF) 3D 打印过程期间，一旦硬件将捕获的熔池图像传递给软件，它就可以计算温度曲线并提取热量和尺寸度量以进行下一步的分析。其他令人关注的功能也可以添加到传感软件中，例如为软件配备检测孔洞、未熔合或孔隙等的算法（特别是机器学习算法）。

预测和减少3D打印缺陷，人工智能正在成为3D打印过程控制的“大脑”，这方面，国内的研究也获得了一定的进展，例如上海交通大学材料科学与工程学院的研究人员基于实验观测到的LPBF中匙孔分裂熔池的现象，建立了热-力-流耦合模型，揭示了一种新的匙孔气孔形成机制(穿透气孔，简写KP-pore)，同时探讨了粉末对匙孔、熔池和气孔形成特性的影响，并且基于高通量模拟建立了输入能量密度与孔隙数的关系图，为减少或消除LPBF过程中的孔隙提供了策略。

很快，我们将习惯于看到 AI 接管越来越多的3D打印任务。

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷 l 链接到3D科学谷网站原文。

为加快增材制造先进技术与装备应用推广，中国增材制造产业联盟设立“增材制造典型应用场景案例专栏”，从需求痛点、案例介绍、技术先进性、应用成效、下一步计划等角度立体展示优秀成果案例。

近日，增材制造产业联盟发布了其中的“基于增材工艺的航天关键零部件整体轻量化设计” 应用场景，阐明了增材制造技术所解决的需求痛点。

 背景概述

（一）需求痛点

面对新的国际形势和军事战略环境，航天武器性能要求越来越高，装备的轻量化、整体化、集成化需求更为紧急与迫切。当前，由于受限传统制造方法工艺可达性的约束，航天飞行器关键零部件产品结构减重越来越难，为了追求更轻的减重目标，其结构越来越复杂，传统制造成本极高，甚至无法制造，已严重制约了高性能新型航天飞行器研制。

（二）解决方案

激光选区熔化增材制造技术作为最具前景的增材制造技术之一，直接从数字化模型制造零部件，理论上可实现任意复杂结构制造，如传统制造工艺难以制造的点阵、蜂窝和随形流道等复杂的创新结构，如图1所示，为航天飞行器结构轻量化、热防控等功能需求提供了切实可行的技术途径。

图 1 增材制造创新型结构（a）点阵结构（b）蜂窝结构（c）拓扑结构。

 案例—点阵+蒙皮整体轻量化舵面

（一）案例描述

舵翼类产品是航天飞行器稳定控制系统的执行机构，实现飞行器稳定飞行及机动的重要部件。其结构轻量化程度不仅影响飞行器机动性和响应速率，还对舵机系统输出功率有重要影响。舵翼类产品随着制造工艺技术的不断进步，从最初的实心板式舵翼到目前主流的骨架蒙皮式翼舵，如图2所示，其轻量化水平逐渐提高。

图 2 舵翼产品形式（a）整体夹芯式舵翼（b）加强翼肋夹层结构舵翼（c）骨架蒙皮结构舵翼。

针对舵翼类产品轻量化迫切需求，采用了点阵+蒙皮整体轻量化结构，实现舵翼产品的创新型设计与制造，舵翼产品内部采用点阵结构填充，外面为气动外形薄壁蒙皮结构，点阵和蒙皮为整体结构，直接整体增材制造成形。

图 3 铝合金点阵+蒙皮整体轻量化折叠空气舵实物

点阵+蒙皮整体轻量化舵面采用激光选区熔化成形技术，产品制造装备为西安铂力特公司的BLT-S300型激光选区熔化成形装备，最大可成形尺寸为250×250×400mm3，如图 4（a）所示；以及上海探真公司的TS320型激光选区熔化成形装备，最大可成形尺寸为320×320×420 mm3，如图 4（b）所示。

图 4 激光选区熔化成形设备（a）BLT-S300 型 （b）TS320 型。

（二）技术水平及先进性

一是铝合金点阵+蒙皮整体轻量化折舵面较实心舵面减重65.5%，舵翼结构减重明显。二是在给定面载荷下最大等效应力小于屈服应力，且优化后其绕转轴的转动惯量减小65.4%，效果明显。三是通过内部点阵结构的设计，如晶胞结构、布局优化等可实现舵翼质心的自由调节，减少配重使用，甚至可以完全替代传统配重块调节。四是工艺简单，制造周期缩短，成本降低。点阵+蒙皮整体轻量化舵翼结构可直接激光选区熔化整体成形，无需蒙皮焊接和焊缝检测等工序。

 应用推广成效

该类点阵+蒙皮整体轻量化舵翼产品已通过了静力、展开和挂机飞行展开试验考核。目前，已稳定为某几个飞行器型号每年配套100余件，有力支撑了型号的研制。

 下一步提升及推广

目前，基于增材制造技术，通过点阵结构设计与制造已实现了舵翼类产品的轻量化。后续将进一步通过新材料和创新微结构设计在舵翼类产品阻尼性能的防颤振，以及通过微流道结构在舵翼类产品防隔热等功能性提升方面开展工作，进一步提升舵翼类产品功能性指标。该类产品具有很好的推广应用前景，尤其是未来武器装备隐身和大机动要求，型号小型化、轻量化需求更加迫切，其推广价值更大。

撰写单位：上海航天精密机械研究所
文章来源：中国增材制造产业联盟

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷 l 链接到3D科学谷网站原文。

在过去的几十年中，3D打印-增材制造技术已经取代了传统的点阵晶格结构生产方法，然而，3D打印技术仍需要更多的发展，才能使点阵结构在轻质承重结构中得到应用。3D科学谷将结合《Influence of geometrical notches and form optimization on the mechanical properties of additively manufactured lattice structures》这篇论文，本期谷.专栏将深入了解几何缺口和形状优化对3D打印-增材制造点阵结构力学性能的促进作用。

相关研究发表在Materials&Design上

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0264127522007043

 多孔的轻量化潜力

几乎在自然界的任何地方都可以找到各种类型和形式的多孔和细胞结构。3D科学谷曾在《3D打印多材料、多尺度和多功能仿生多孔结构》一系列专栏文章中分析过来自大自然灵感的各种设计组合。由于其有利的特定机械性能，多孔结构的轻量化潜力已被认为是设计承重结构最有前途的工程特征之一。

© 3D科学谷白皮书

随着最近的发展，3D打印-增材制造释放了设计的自由度，能够在不同尺度上模仿自然的结构。在中观尺度上，与多孔结构相比，点阵晶格结构通过拓扑优化提供了特定机械性能的定制，因此注定适用于增材制造技术。

在过去的几年里，研究集中在点阵晶格结构的轻量化潜力上。包括点阵结构已被确定为轻量化工业用途最有希望的特征之一。最近的研究集中在点阵晶格结构的可靠制造上，因为如果工艺参数并非最佳，会导致对晶格结构的机械行为产生不利影响的缺陷。这包括局部纹理、孔隙率和几何偏差，例如支柱直径变化，包括表面粗糙度、支柱波纹或晶格连接中心的偏移。

因此，提高点阵结构的承载能力，最大限度地挖掘点阵结构的轻量化潜力，显得尤为重要。目前的主要挑战在于3D打印-增材制造的晶格结构的结构完整性，这阻碍了其轻量化潜力的开发。虽然最近的研究集中在工艺参数对晶格结构力学行为的影响，但较少关注由结构设计引起的尖锐边缘产生的几何缺口。

尽管点阵看起来很简单，但点阵晶格结构的手动建模是耗时的，并且对于诸如单位胞元之间的过渡等详细特征容易出错。目前已经开发了特定的数学方法来解决这个问题，特别是关于分级结构。

© 3D科学谷白皮书

《Influence of geometrical notches and form optimization on the mechanical properties of additively manufactured lattice structures》这篇论文分析了桁架晶格结构中几何诱导的凹槽的影响。如今，市场上有专门用于创建点阵晶格结构的软件，具有自己的格库和编码的开源软件是当前研究的重点。

拿点阵结构建模来举例，点阵填充轻量化设计所需要实现的零件复杂性已经超过了传统的CAD软件的原有功能。对设计进行修改的时候，例如仅在节点，横梁和连接体之间应用圆角或倒圆角所涉及的工作量在使用传统软件工具的时候往往变得“浩瀚无边”。这种低附加值的工作会延缓工程流程，抑制真正的创新，并扼杀组织保持竞争优势的能力。

3D科学谷《建模更自动化，深度了解隐式建模引擎正在改变3D打印行业》一文，软件工程师知道设计进行修改会带来非常痛苦的工作量，更不用说当新的圆角值根本无法重建时，重建错误的加剧会带来沮丧的情绪。在这方面，例如，通过nTopology的nTop平台的高级计算方法，可以通过输入圆角值（包括较大的圆角值），消除了对模型故障的担心。根据3D科学谷的了解，隐式建模带来了以前无法实现的精细细节。可变厚度偏移，自动消除干扰，渐变的材料特性和位移映射纹理等。

 避免缺陷的算法

避免设计缺口是一项形式优化任务，为了避免在桁架设计中出现这些缺口，可以通过圆角半径方法 (FRM)等方法提供通用解决方案。该方法可以为从业者和研究人员提供特定于点阵晶格结构的直接指导，以便在不需要任何特定背景知识的情况下快速设计坚固的轻质结构。

 圆角半径法 (FRM)

该方法包括在与支柱边缘相切的晶胞上实施完善的圆角半径，以避免出现缺口。

晶格结构中的圆角半径法 (FRM) 示例

© Materials & Design

 袖珍计算器法 (PCM)

PCM方法的原理在于通过优化轴的横截面积，通过局部标称应力发出的切向力来补偿造成缺口应力的侧向力。

袖珍计算器法 (PCM) 应用于在单轴拉伸载荷下具有旋转对称性的阶梯杆 (a) 和拉伸三角形法 (TTM) 应用于具有 3 个拉伸三角形的矩形槽口 (b)。

© Materials & Design

 拉伸三角法 (TTM)

这种方法的灵感来自自然界中观察到的形状，例如树或骨头，旨在减少计算机辅助形状优化的计算时间，并产生与 PCM 相当的形状。零件的尖角依次用等腰三角形桥接，直到平滑过渡位置达到。对于三个三角形，实现了质量增加和应力减少之间的最佳平衡。

进一步的研究包括这些方法在不同载荷情况下的性能（如拉伸、剪切或弯曲）会更有意义。另一个潜在的研究开发领域是将这些方法系统地集成到 CAD 建模软件中。在结构更复杂的情况下，晶格结构的机械性能（例如抗疲劳或能量吸收）的改善可能会大大增加这些已经很有前途的蜂窝结构的轻量化潜力。

l 谷专栏 l

欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷 l 链接到3D科学谷网站原文。

金属增材制造技术全套解决方案提供商铂力特紧随应用端需求，在大尺寸金属增材制造技术领域持续发力，并将“大、优、特、精”技术能力进行耦合。本期，3D科学谷将结合铂力特整体阵面板等大尺寸增材制造应用案例，揭示铂力特的大尺寸金属增材制造技术如何满足航空航天制造领域的多维度复杂需求。

金属增材制造技术在航空航天领域的应用优势涵盖了设计、成本、加工周期、材料利用等方面。可以说，金属增材制造技术是现代航空航天零件快速低成本研制和集成结构实现快速组合制造的重要手段。

铂力特增材制造的大尺寸、集成化发动机部件。

铂力特围绕“让制造更简单，世界更美好”的使命，整合十余年的技术研发、配合研制、工程化应用经验，针对复杂结构、高品质、组合制造、特殊材料的大尺寸零件开发了多种工艺技术的制造解决方案。

航空航天增材制造应用发展方向
© 3D科学谷白皮书

 “大、优、特、精” 技术能力耦合

选区激光熔化（SLM）金属增材制造-3D打印技术成形精度较高，可实现复杂结构、特殊材料零件的精密加工制造。铂力特选区激光熔化增材制造装备和相关工艺技术应势发展，不断向着大尺寸、高效率、智能化、品质可控、性能稳定的方向发展。

铂力特增材制造蒙皮点阵结构示意

 例如，铂力特即将在第十四届中国航展展出的整体阵面板大尺寸增材制造零件。该零件采用铂力特选区激光熔化金属3D打印设备进行整体打印，材料为铝合金，零件尺寸达1125mm×20mm×1300mm。

铂力特增材制造点阵晶格结构

铂力特制造的3D打印整体阵面板采用了蒙皮点阵结构设计，其内部点阵完好，点阵丝径0.5mm，最小蒙皮厚度0.5mm，蒙皮及点阵尺寸精度达0.05mm，整体轮廓度±0.5mm。蒙皮点阵结构刚度好，在满足零件功能及性能需求的情况下，可以尽可能地减小零件重量。交付成品的性能符合指标要求，正在进行相关试验。

复杂的结构、精妙细微的设计让空天零件对结构设计的要求越来越高。选区激光熔化3D打印技术让零件突破外形轮廓和复杂程度约束，从航天航空制造领域设计的源头出发，在满足零件性能和服役条件的情况下，实现功能性优先的设计，使金属零件向轻量化和整体化方向发展，设计引领并推动增材制造技术不断突破和发展。

在第十四届中国航展期间，铂力特还将展出多件选区激光熔化3D打印技术制造的，超1米的组合制造大尺寸零件，详实展示“大、优、特、精”等技术能力耦合在一款零部件上的魅力。

 大型承力结构零件的近净成形

除此之外，铂力特激光立体成形技术（LSF）可实现快速原型制造的直接制造。以往大尺寸构件主要采用锻造+机加工的组合方式制造零件，不仅生产、加工周期长，而且材料利用率极低。铂力特的LSF技术实现了大型框梁类承力结构零件近净成形，降低了零件生产周期和成本，缩短研制周期，保证了产品的质量，零件的全面性能经检测均满足设计要求。

铂力特增材制造钛合金框

铂力特曾在第十三届中国航展上展出采用LSF工艺打印的零件钛合金框，成形尺寸为1200 mm×800 mm×150 mm，用120小时打印完成。在即将开始的第十四届中国航展上，铂力特将展出大尺寸送粉零件新品——钛合金长梁。该零件由铂力特BLT-C3000设备历时200小时加工而成，尺寸为1200 mm×350 mm×350 mm。

金属增材制造技术能够直接、快速制造金属结构功能零件，尤其对难加工复杂异形结构的制造具有巨大优势，对加速航空航天零部件的研制、迭代、创新性升级、高质量发展以及我国航空航天事业的发展具有重要的价值和意义。

铂力特围绕“让制造更简单，世界更美好”的使命，聚焦金属增材制造技术应用趋势，持续创新，坚持为航空航天领域提供更优的金属增材制造服务。铂力特表示，将在大尺寸、高精度、结构复杂零件增材制造领域持续发力，为空天零件制造不断迭代制造方案，用金属增材制造技术助力更深更远处的征程。

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷 l 链接到3D科学谷网站原文。

近日，升华三维采用自主研发的UPrise3D切片软件的填充功能进行独特的晶格结构设计，并完成了对指定区域的不同晶格结构的打印成型和脱脂烧结。重点展示了晶格结构在金属/陶瓷3D打印应用领域的设计制造。

 UPrise3D切片软件晶格生成功能

UPrise 3D切片软件是升华三维——金属/陶瓷间接3D打印全工艺链解决方案的重要软件，是支持三维模型到打印成型的核心技术系统，拥有增材制造切片软件的全部功能。

3D打印的晶格结构综合展示样品（样件来源：升华三维）

而在轻量化设计填充模块中有网格、直线、三角形、内六角、立方体、立方体分区、八角形、四面体、同心圆、锯齿状、交叉、交叉3D、螺旋二十四面体等晶格图案，并且可根据设置实时显示已选择的晶格的元素数量，如角度、节点、体积，孔隙率等。

具有多种晶格设计结构
© 升华三维

由于晶格点阵结构的复杂性，使用典型的CAD工具将它们建模到零件中是不切实际的。通常情况下，零件实体会在CAD中进行绘制。然后，把设计好的零件模型导入到另一个软件包中以生成晶格结构。用于此目的的软件程序主要包括Netfabb和nTopology。而基于升华三维UPrise3D切片软件同样具有晶格生成能力，通过该软件可以产生非常复杂的点阵设计。基于软件自带的图案填充模块，对零件模型特定区域实现晶格设计，并且晶格图案及参数可自主调节。从而帮助用户设计出可3D打印的晶格结构。

 3D打印晶格点阵结构的优势

· 减少材料和使用成本：晶格设计可以通过去除非关键区域的大部分材料来减少材料浪费。比如在航空航天工业中，晶格结构的引入可减少钛或铬镍铁合金这些昂贵材料的使用。晶格结构的引入意味着将使用更少的材料，并在不牺牲零件结构刚性和完整性的情况下，节省更多成本。

· 轻量化：通过晶格技术减少材料使用还有另一个好处就是减轻重量。可以将晶格参数精确调整到零件上的物理负载，将零件的整体质量减少90％或更多。还具有许多优势，从减少汽车应用中的燃料使用到改善医疗案例中的患者恢复时间，还有减轻飞机、航天器的重量。

3D打印的氧化物陶瓷晶格构件（ 样件来源：升华三维）

· 改进的强度重量比。通过晶格结构设计，可以有效零件强度重量比。这对需要推重比最大化的汽车和航空航天领域具有非常重要的意义。

3D打印的金属晶格结构件（样件来源：升华三维）

· 高表面积。一些应用侧重于最大化表面积，而不是机械强度。利用晶格技术，可以提供更多曲面，大量释放表面积，而不会增加其总体占地面积，这对于促进热交换和化学反应的产品而言是一个关键优势。

· 出色的减震和冲击保护。晶格结构在消散震力和冲击载荷方面非常有效，因为单元结构有助于整个结构的弯曲和能量分配。晶格可以集成到产品（例如橄榄球头盔）中以减少冲击应力，也可以用作牺牲特性以保护产品的关键组件免受意外跌落等动态事件的影响。

· 理想的生物相容。在医用植入物中创建晶格结构，令构造物具有接近周围骨组织的机械性能，让植入物与患者自身的骨骼结构形成更牢固的结合，以促进骨生长。

 3D打印中晶格结构的适用领域

晶格结构是最典型一种复杂结构。基于其复杂的结构形态，例如使用水射流切割、铸造、化学镀和电沉积等传统的制造技术制造，耗时、昂贵，并且无法达到高分辨率。

© 3D科学谷白皮书

而采用3D打印的数字化制造方式，可实现以较低的成本和时间制造高分辨率和复杂形状的薄支柱和晶格几何形状，这一显著的优势让其成为理想的零件成形方式，并让其收获了各行业无数用户的拥趸。目前，除了在消费品、体育用品、工业设备等领域备受青睐之外，更适用于汽车零件、再生医学、航空航天等领域的设计制造。超轻和多功能特性的晶格结构已经向着多个行业的复杂应用进行着持续性的推广和研究：
· 再生医学领域：骨组织支架结构设计中的晶格，其规则的孔洞能够在促进组织生长的同时提供结构性支撑，其晶格成型难的问题可以采用3D打印技术得到解决。

3D打印的生物陶瓷晶格结构件（样件来源：升华三维）

· 汽车设计领域：汽车设计的多孔或者蜂窝状吸能盒可以有效提高汽车的安全性能，其具备优异力学性的结构面临着成型成本高昂的问题，但可以使用先进的3D打印技术进行优化解决。

· 航空领域：所需要的机翼夹层结构中的晶格设计同样具备很高的强重比优势，其成型工艺同样可以运用3D打印技术进行。同时，超轻型陶瓷晶格结构的开发也将解决深空探测器复杂结构的轻量化设计，实现极其复杂结构的功能集成。

3D打印的特种陶瓷晶格结构件（样件来源：升华三维）

 创新与探索—升华三维从未止步

总体来说，3D打印技术的最大价值之一在于能成型各种复杂结构，因此结构设计与创新成为3D打印技术深化应用的核心。但目前，在结构设计与制造工艺的结合方面仍具有局限性，晶格结构能否与打印路径匹配，晶格结构的打印效率如何以及在晶格单元胞结构的开发与创新、单元胞结构的性能研究方面仍有待探索。

同时目前市面上大多数的晶格设计软件也几乎都有局限性，比如晶格种类过少、生成的晶胞质量本身有问题、效果不理想，另外软件操作门槛较高等，种种弊端让晶格的设计与应用不能实现很好的衔接。

升华三维作为具备金属/陶瓷材料开发制备、金属/陶瓷3D打印机研发生产、切片软件开发到3D打印工艺、脱脂及烧结工艺一整套金属/陶瓷间接3D打印工艺链及解决方案的增材制造-3D打印企业，一直致力于面向解决金属·陶瓷传统制造工艺无法制造的难题，积极贯通金属/陶瓷制造全链条、全流程、全配套的高附加值服务。基于升华三维搭载的系统性软件与控制方法，可根据用户产品开发需求进行多晶格结构的设计与填充制造，快速落地应用。

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷 l 链接到3D科学谷网站原文。

复杂设计的仿生结构很难用通过传统的制造工艺制造，虽然利用金属电弧焊和CNC加工等传统加工方法可以制造出复杂的结构，但这些加工工艺涉及到材料的浪费，因为这些加工工艺大多是通过从工件中减去材料来构建的。

AM-增材制造提供了一种别开生面的仿生结构的制造方法，当前的仿生研究越来越依赖于3D打印-增材制造技术的使用，因为使用这种制造工艺设计和构建优化结构是可行的。

本期谷.专栏结合将结合《Lessons from nature: 3D printed bio-inspired porous structures for impact energy absorption – a review》这篇论文，解读3D打印多材料、多尺度和多功能仿生多孔结构的技术现状及应用现状。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860422004432?dgcid=rss_sd_all#

多孔结构-来自大自然的灵感
© 3D科学谷白皮书

 增材制造工艺

众所周知，AM-增材制造是一种复杂的制造技术，使用逐层方法连接材料并构建整体结构，而不是通过使用减材或根据模具来成型的制造方法实现所需的结构。

常见的可用于仿生多孔结构制造的AM-增材制造技术包括材料挤压 (ME)、材料喷射 (MJ )、粉末床熔融 (PBF)、光固化 (VP) 和粘结剂喷射 (BJ)。

l 材料挤出

双重挤压材料挤出技术已被用于制造重量轻且坚固的抗冲击仿生结构。在许多效仿自然的设计中，多材料3D打印具有将刚性和柔软材料集成在单个结构中的优势。然而，较差的表面质量、缓慢的打印速度和尺寸限制是该过程的一些限制，仍然必须解决。不过，总体来说由于低成本材料和喷嘴的可用性，材料挤出3D打印技术因其在硬件和软件方面的多功能性而获得了广泛的接受。

l 材料喷射

材料喷射 (MJ) 增材制造工艺，可将光敏聚合物树脂液滴喷射到工件上并使用紫外线 (UV) 射线固化它们。在材料喷射过程中可以同时沉积多种 UV 可固化材料，以生产多材料物体。

高分辨率、光滑的表面以及使用多种材料3D打印的能力都是制造仿生结构的关键优势。多材料喷墨3D打印可以使用单体墨水同时制造坚固和坚韧的结构部件，目前科学家们研究了多材料喷射3D打印的能力，以制造可以承受高速冲击的防护装甲，其灵感来自古代鱼类的外骨骼、种子荚和具有定制表面粗糙度的柔性仿生鲨鱼皮等等。

l 光固化

研究表明可以选择光聚合丙烯酸树脂（标准混合红色）来打印仿生陀螺结构。不过，这是一个相对耗时且昂贵的过程，并且，可供选择的打印材料有限。此外，光固化反应的动力学以及固化过程都很复杂。光源的强度和层暴露的时间长度是影响每层厚度的主要参数。

光固化3D打印还可以有效地用于复杂纳米复合材料的增材制造，在这方面，结合仿生学结构，为产品带来令人耳目一新的功能。

l 粉床熔融

虽然粉末床熔融3D打印工艺的主要缺点包括费时、相对昂贵，然而当将这种工艺应用与仿生多孔结构的制造时，这种工艺成就复杂细节的优势就充分的发挥出来。

© 3D科学谷白皮书

拿新型热交换器来举例，根据3D科学谷的了解，目前金属增材制造工艺（如激光粉末床熔融）能够打印非常薄壁的材料。可以成功生产诸如 0.1 毫米厚的壁，虽然这并非没有挑战，通常需要对工艺参数进行研发以生产这些薄壁结构。然而，薄壁特性使其成为热交换器的理想选择。

© 3D科学谷白皮书

而在骨科植入物方面，金属增材制造工艺（如激光粉末床熔融）能够实现更好的力学性能，使得植入物与人体更能够“友好”相处。

© 3D科学谷白皮书

在材料方面，粉末床熔融3D打印-增材制造工艺可用于生产各种材料的热交换器，根据3D科学谷的市场观察，从铝合金一直到高温合金，如 Inconel 718 和 Inconel 625，以及其他材料，如铜和铜合金也可以使用，这些材料是传热应用的理想选择。

 工业应用

由于当前3D打印-增材制造在几何形状、工艺速度、表面光洁度及其原材料和设备成本方面的限制，工业应用仍然仅限于航空航天、医疗和研究领域。

多孔材料具有广泛的应用，例如振动控制、减震、隔热、增加热交换效率等等。然而，当前的目标应用集中在轻质结构和耐撞性应用，特别是它们的高能量刚度、高能量强度和能量吸收特性。

根据3D科学谷的市场观察，塑料多孔结构的工业级应用方面，用反应注射成型制得的玻璃纤维增强聚氨酯泡沫塑料，已用作飞机、汽车、计算机等的结构部件；而用空心玻璃微珠填充聚苯并咪唑制得的泡沫塑料，质轻而耐高温，已用于航天器中。此外，高性能化已成为泡沫塑料研究的新方向和热点。高性能泡沫塑料可以作为承载的结构材料在航空、航天、交通运输等领域使用， 如卫星太阳能电池的骨架、火箭前端的整流罩、无人飞机的垂直尾翼和巡航导弹的弹体弹翼、舰艇的大型雷达罩等。

© 3D科学谷白皮书

在金属多孔结构方面，虽然在减震能力上，金属点阵结构并不像塑料点阵结构那样具备优势，然而复杂的金属点阵结构可以提供卓越的产品性能-无论是在效率和功能方面。并且为组件轻量化打开了广阔的设计空间，还可以提高传热、能量吸收、绝缘和提高连接性能。

目前在金属增材制造中，数百个变量可能会影响过程的结果和制造零件的质量。可能会出现不同类型的主要缺陷，例如形成孔隙、形成不需要的微观结构、残余应力和微裂纹。

当涉及到轻量化应用时，点阵晶格多孔结构减少了零部件的重量和制造时间。对于航空航天、汽车等应用，任何零部件的质量减少直接影响其燃料消耗（或者是电能的消耗），这对更高的燃料效率和更低的碳足迹的需求正在增加。

可以预见，仿生学多孔材料在减重、提高热交换效率、减震、甚至是通风透气等方面将获得一系列的商业应用。

 软件自动化趋势

随着技术的改进和新软件工具的出现，增材制造的仿生设计出现了有趣的自动化趋势。

在设计轻量化结构零件时，需要结合整个零件的功能实现，综合考虑空隙精度、空隙率、空隙形状、空隙大小、孔分布以及相互之间连通性等因素。轻量化结构零件由基本结构、外形结构及超轻结构合成。在这个过程中，体现出设计能力的水平，这时候，辅助设计软件应运而生。

根据3D科学谷的市场研究，在这方面除了老牌的建模软件企业诸如欧特克的Fusion 360软件，以及专注于3D打印领域的老牌企业诸如Materialise公司，市场上还出现了一些初创企业，例如ParaMatters(已被Carbon收购）, nTopology,以及Carbon研发的Carbon Design Engine™ 等等。

© 3D科学谷白皮书

这些软件给仿生多孔结构材料技术带来极大的发挥空间，包括形状渐变结构,创造复合材料，泡沫夹心板结构，及其他结构材料。不仅仅是将自由的几何复杂性进行到极致，还给设计师带来极大的自由度。

总的来说，仿生学在增材制造中的应用正在迅速增长。这些增材制造零件具有实际的工程应用。很少有原因是由于金属粉末的可用性、适当软件工具的开发以及对投资技术的公司的兴趣。

 总结

乔布斯(Steve Jobs) 曾经说过，21世纪最好的创新是将生物学与技术相交叉。

在设计航空航天或汽车部件时，此前人类可能从未想过向蚂蚁和寻光植物细胞寻求建议，但如果使用创成式设计软件来塑造零件的设计，不过这一切已经不是梦想，实际上已经在做了。

大自然已经开发出具有一般最佳特性的结构。研究人员可能会从这些资源中受益，多孔结构在材料的抗冲击性方面具有重要作用。每种生物材料在某种程度上都是多孔的，它们具有各种形式和密度。多孔材料通常用于3D打印-增材制造增加能量吸收和减轻整体重量的应用中。这些结构有可能被用作坚固、轻质的组件，具体取决于它们的设计方式。

3D 打印能够制造几乎任何形状的结构，仿生学与3D打印技术的结合可以制造具有增强物理特性的材料和结构，以用于不同的工程应用。

3D科学谷通过本系列专栏《3D打印多材料、多尺度和多功能仿生多孔结构》介绍了仿生多孔结构的不同类别，并确定了包含这些特征的物种。大多数最近和过去对这些物种的调查都是基于模仿和实验的特征进行讨论的。本期文章重点介绍了用于制造复杂仿生多孔设计的四种重要的增材制造工艺。最后，总结了用于3D打印的材料，列出了每种工艺的优缺点。

l 谷专栏 l

欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷 l 链接到3D科学谷网站原文。

本期谷.专栏结合将结合《Lessons from nature: 3D printed bio-inspired porous structures for impact energy absorption – a review》这篇论文，解读模仿自然结构可帮助开发更有效的硅藻、螺旋、点阵结构设计，并增加能量吸收能力。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860422004432?dgcid=rss_sd_all#

多孔结构-来自大自然的灵感
© 3D科学谷白皮书

 硅藻

硅藻是具有微米尺寸（2 到 2,000 μm）的单细胞小藻类，具有由二氧化硅 (SiO2)组成的复杂多孔壁结构（硅藻壳）,它们存在于水环境中。

硅藻的形状要么是径向对称的，要么是五角形的。每个物种内硅藻的形状、大小和孔隙分布的多样性是不同的。单个硅藻将具有不同的、特定于物种的形式和从纳米到毫米不等的不同孔径。

硅藻具有独特的微米和纳米特征，以及对称的孔阵列，使其适用于许多应用。

l 鳐鱼

科学家研究了这种水生硅藻结构对均匀压缩的机械响应。他们的实验结果表明，这些硅藻的杨氏模量范围在 1.1 – 10.6 GPa 之间。还进一步评估了可能的尺寸-刚度（实验）和尺寸-应力（模拟）相关性的机械行为。发现机械抗性硅藻壳与多孔结构的结合有助于提高硅藻壳的机械强度。

 玻璃海绵

玻璃海绵是一种深栖动物，因其复杂的玻璃状骨骼结构而得名。它们通常存在于深海中，是具有出色机械性能的轻质结构的典型例子之一。

l 俪虾

Euplectella aspergillum (EA) 俪虾是一种骨骼为白色的虾，骨骼结构由骨针交织成网状，形状多为花瓶型或柱型，一头有硅质丝插于深海软泥底，所以又被称为维纳斯花篮。

典型 EA 俪虾海绵的骨架和微观结构，EA 的骨架系统采用具有对称自由空间的多孔架构。由二氧化硅陶瓷的微小纤维和构成 EA 海绵骨架的有机成分组成。细纤维具有同心圆柱体形状的分层设计，称为针状体。

图. (A-B) Euplectella aspergillum (EA) 的结构 (C) 天然针状结构的 SEM 显微结构 (D) 天然针状结构的横截面 (E) 针状横截面示意图 (F)不同嵌套圆柱形结构（NCS）样品的横截面示意图。

研究人员发现，骨针层由无定形二氧化硅 (SiO2) 组成。这些二氧化硅层之间存在蛋白质或胶原蛋白等有机材料。这些层状结构是决定韧性、强度和弯曲模量的关键因素。这种海绵的层状结构可以消除裂纹进展。如果裂纹开始，就不能发展到下一个后续层，从而防止脆性材料的灾难性破坏。

模仿了多孔EA俪虾海绵的针状结构，并开发了一种新的结构来改善易碎棒的机械特性，在新设计的框架中，使用3D打印机生产了不同直径的圆柱体并相互放置。将样品固定在跨度为 160 mm、十字头变形率为 200 mm/min 的三点弯曲试验机上。新开发的嵌套圆柱结构 (NCS) 的抗弯强度、应变、模量和韧性显示出显着的机械改进。

与实心棒相比，NCS 也被记录为具有较低的密度。根据他们的 SEM 观察，当测试圆柱壁厚为 0.8 mm 时，裂纹分支、裂纹桥接和裂纹偏转是 NCS 增韧的主要机制。

 螺旋

Gyroid-螺旋是一种多孔轻质结构，是一种三周期最小表面 (TPMS)结构。可以在许多生物膜中找到，陀螺的结构自然设计为具有最小的表面积。研究人员发现，TMPS 结构的设计是可行的，但在引入 AM-增材制造之前很难制造。催化载体、纳米多孔膜、光子晶体和仿生材料是它的一些工程应用。

l 海胆

海胆的脊椎由开孔的多孔微结构（也称为立体结构）组成。海胆的骨骼是自然界中最广为人知的生物矿化多孔结构之一。海胆的立体结构具有受控的孔隙率梯度以及结构变化。

研究表明，海胆刺的强度重量比高于砖和混凝土，这是由于其极度多孔结构引起的裂缝限制作用。这种机械行为与保护这些物种免受由捕食者攻击引起的力引起的冲击、断裂和磨损有关。

研究人员研究了一种新型的具有 TPMS 芯的轻质夹层结构，结合使用 3D 打印技术制造了具有 Primitive、Neovius 和 IWP 核心拓扑的三明治结构。以 1 mm/min 的变形速率对仿生结构进行了弯曲测试，结果表明，核心的几何参数和相对密度对弯曲刚度、最大载荷和能量吸收有显着影响。

此外，随着 TMPS 芯材相对密度的增加，夹层结构的抗弯刚度、强度和能量吸收能力也会增加。这些发现为未来设计用于各种工程应用的新型夹层结构提供了宝贵的见解。

图. (A) 海胆骨架 (B) 蝴蝶翅膀中发现的类似TMPS结构的仿生设计。

l  蝴蝶翅膀

蝴蝶翅膀是天然多孔混合材料，由许多成分以精确的几何形状和比例混合而成。蝴蝶翅膀因其独特的设计引起了多个研究小组的兴趣，根据机械分析，它们的机翼可被视为针对弯曲载荷进行了优化的结构。多孔中心部分的横截面视图显示，它分为两个外部部分，由框架实现，其中承载杆通过垂直的较小杆连接到多孔芯。内部多孔层的拓扑结构最大限度地提高了结构的刚度，同时减轻了其重量。

科学家们开发了一种受蝴蝶翅膀启发的结构，以优化弯曲应力下的刚度，该结构的主要特征是在观察蝴蝶翅膀上的鳞片后创建的。

SEM 图像显示了螺旋体的结构，包括一组肋骨以提供额外的强度。科学家们的方法包括用碳纤维加强筋代替肋骨，这些筋使用新颖的设计理念与主结构相连。结果揭示了具有 CFRP 杆的结构 (46 N/mm) 的刚度是非增强结构 (20 N/mm) 的两倍多。

© 3D科学谷白皮书

根据3D科学谷，3D打印热交换器设计中的多孔结构可以根据它们的孔隙连通性（开放和封闭孔隙）以及孔隙拓扑和尺寸的规律性（随机和非随机）进行分类。有序的孔形状满足细胞向内生长所需的互连性，具有非随机设计的多孔结构涉及基于点阵晶格和 TPMS 的晶胞。为了实现所需要的产品性能，需要优化诸如孔形状、孔径、孔隙率、孔互连性和微拓扑表面特征等物理特性。

3D打印与TPMS螺旋结构结合，能够开发更小、更轻、更高效的热交换器可以帮助开发需要更少功率的制冷系统，或者可以开发更有效地实现冷却的高性能发动机。

 点阵

晶格由几个胞元组成，组合在一起形成一个小的多孔结构，可以在任何方向重复放置。它们也可以以多种形式和大小出现。在人体骨骼（小梁）中观察到四面体形状的仿生晶格结构。防止骨骼被机械应力破坏的强度由小梁提供。在显微镜下小梁中也可以看到金字塔形（多面体）。

对于晶格多孔结构的冲击能量吸收，其规定的相对密度是影响因素之一。通过有限元模拟研究了单轴压缩下周期性晶格的动态破碎。研究了不同冲击速度下不同相对密度晶格的变形模式和平均值。科学家得出的结论是，平均动态应力随着冲击速度、基材密度和晶格相对密度的增加而增加。

© 3D科学谷白皮书

l 雕齿兽

Glyptodonts 是属于 Cingulata 组的已灭绝哺乳动物，其中也包括现代犰狳。雕齿兽的骨皮是一种防弹衣，可作为对掠食者的保护。骨皮具有致密的致密层和多孔晶格核心，兼具强度和高能量吸收能力。

雕齿兽的骨皮由夹在两个致密层之间的小梁核心组成。与犰狳中发现的更灵活的结构相比，雕齿兽的甲壳相当坚硬。

图. (a) 雕齿兽由互锁骨皮组成的“防弹衣” (b) 骨皮之间的支柱厚度 (c) 简化的逆向工程模型。

雕齿兽的“防弹衣”可以保护它们免受捕食者的侵害。结合使用微型计算机断层扫描、逆向工程、应力模拟（通过施加 1 kN 载荷）和以 1.5 mm/s 的加载速度对 3D打印模型进行机械测试来完成测试工作，结果表明，由 0.25 毫米厚的支柱和多孔晶格芯（66% 孔隙率）组成的致密致密层的组合有助于提高结构强度并避免系统的灾难性故障。

© 3D科学谷白皮书

关注3D打印多材料、多尺度和多功能仿生多孔结构，下一期，将进一步分享来自大自然的灵感：仿生多孔结构的增材制造工艺。

l 谷专栏 l

欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷 l 链接到3D科学谷网站原文。