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增材制造(AM) 是指通常是在逐層增加材料過程中構建零件的一系列制造方法。特別是金屬增材制造已經在工業(yè)上得到了廣泛的采用和成熟。這項技術可以提高具有復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。這些材料類似于隨機泡沫，在過去幾十年中發(fā)現(xiàn)了許多工業(yè)應用，但規(guī)則的蜂窩結構對通過增材制造成為可能的制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（機械性能、滲透性、熱特性等）。與隨機結構相比，對此類建筑結構的設計和制造的控制開辟了新的應用可能性，并使一系列新產品和功能成為可能。隨著金屬增材制造技術日趨成熟并越來越多地被各個行業(yè)采用，并且隨著增材制造設計能力的提高，這種潛力才剛剛開始實現(xiàn)。這篇綜述論文總結了 AM 晶格結構的獨特特性，以及迄今為止這些特性如何成功用于特定應用，并強調了在不久的將來可能感興趣的各種應用領域。
增材制造(AM) 是所有制造過程的術語，這些制造過程通過增量材料，使用數字設計模型來構建零件。根據 ASTM ISO 52900 術語標準 ，增材制造分為七種工藝類別，可使用的材料種類繁多，包括高端工程聚合物、金屬、陶瓷等。激光粉末床融合 (L-PBF) 工藝現(xiàn)已在工業(yè)中廣泛采用，并已達到高度成熟，具有出色的零件質量，可以在各種流行的金屬合金中可靠地生產. L-PBF 工藝使用高功率聚焦激光束熔化粉末軌跡，軌跡重疊并逐層處理，直到組件完成。由于典型的軌道寬度為 0.1-0.2 毫米，因此可以制造高度復雜的結構。逐層處理允許在許多情況下無法通過任何其他制造方法實現(xiàn)的復雜性。在最新的商業(yè)系統(tǒng)中，典型的最大零件尺寸達到 300 毫米甚至更大。這種尺寸和分辨率范圍為關鍵部件的生產提供了許多與行業(yè)相關的機會，在優(yōu)化的復雜幾何形狀中，在較短的交貨時間內，使該技術與航空航天、醫(yī)療、汽車和一般制造行業(yè)相關。
AM 的主要優(yōu)勢包括多個零件的整合（零件之間的連接更少）、小批量零件的交貨時間更短、易于設計迭代和針對特定短期或獨特應用的定制設計，以及太難或太復雜的設計以前用傳統(tǒng)制造方法制造成本高（甚至不可能）。復雜性是汽車和航空航天輕量化設計的關鍵驅動因素，因為可以制造優(yōu)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(xiàn)同樣出色。這些優(yōu)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(qū)域沒有材料。這種方法已經在部分規(guī)模的拓撲優(yōu)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，這種拓撲優(yōu)化的體結構是一個不錯的選擇，并且有望用于許多應用，尤其是那些涉及輕量化應用的應用。這些結構通?？梢允褂脗鹘y(tǒng)制造方法制造（以稍微較低的復雜性），但由于復雜性增加，這對于此類傳統(tǒng)工具來說通常更昂貴或更具有挑戰(zhàn)性。在 AM 中，復雜性是“免費的”，與不太復雜的部件相比，利用這種復雜性沒有額外的成本。因此，最佳利用可用的復雜性通常是增材制造優(yōu)于傳統(tǒng)制造的財務和性能優(yōu)勢的關鍵，因此有興趣充分利用增材制造中的復雜性。大多數關于增材制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(xù)性的散裝材料和組件上。盡管上述研究在處理大塊機械部件和結構時非常重要，但將它們擴展到其他領域（如超材料）可能具有挑戰(zhàn)性。
廣泛的可用蜂窩設計以及使用增材制造在 3D 中精確定制其設計、密度和其他屬性的能力為這些結構在工業(yè)相關產品和零件中的應用提供了新的機會。它們在醫(yī)療植入物中的應用得到廣泛認可，并推動了迄今為止的大部分文獻，在過去十年中對醫(yī)療植入物中的晶格進行了廣泛的回顧. 除了醫(yī)療應用外，它們在輕量化方面的應用也得到了廣泛認可，并引起了航空航天和汽車行業(yè)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，大多數討論是關于它們在植入物中的使用以及它們針對該特定應用的優(yōu)化。更一般地說，在過去的二十年里，多孔隨機泡沫在工業(yè)中發(fā)現(xiàn)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。為了達到這種性能水平，必須將對增材制造的深入理解與對晶格結構設計、可制造性和測試的同樣深刻理解相結合。由于迄今為止在各種研究中報告的廣泛不同的結果，晶格結構的機械性能和疲勞性能仍然是一個有效的問題。
一般來說，對于金屬 AM 工業(yè)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(xiàn)特定的所需性能. 除了材料選擇和制造質量外，晶格結構的設計選擇是其在工業(yè)中成功實施的關鍵。這包括了解應用要求以及如何為每個特定應用選擇或優(yōu)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(xiàn)特性以及如何針對特定應用優(yōu)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(fā)表在國際頂刊材料綜述“Progress in Materials Science”上。
論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0079642521001420
由金屬AM制造的建筑蜂窩結構提供了一種全新的范例，其屬性和功能現(xiàn)在才開始被利用。由于這些結構的許多獨特性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(fā)潛力，包括低質量、設計的機械性能、高表面積、滲透性、能量和沖擊吸收、隔熱和熱機械性能和多得多。在討論相關應用程序時，該評論提供了一些在此背景下的設計能力和可實現(xiàn)的特性的見解。因此，全面介紹了財產-申請鏈接。
盡管金屬 AM 晶格結構具有所有潛在優(yōu)勢，但它們可能不適合某些情況或應用，并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性能，但通常具有高度的各向異性。已經討論了商業(yè)金屬 AM 系統(tǒng)的制造限制，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(yī)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，蜂窩結構的設計和制造需要仔細考慮和質量控制。在這種情況下，還有一節(jié)專門討論設計和制造方面的考慮。
增材制造(AM) 是所有制造過程的術語，這些制造過程通過增量材料，使用數字設計模型來構建零件。根據 ASTM ISO 52900 術語標準 ，增材制造分為七種工藝類別，可使用的材料種類繁多，包括高端工程聚合物、金屬、陶瓷等。激光粉末床融合 (L-PBF) 工藝現(xiàn)已在工業(yè)中廣泛采用，并已達到高度成熟，具有出色的零件質量，可以在各種流行的金屬合金中可靠地生產. L-PBF 工藝使用高功率聚焦激光束熔化粉末軌跡，軌跡重疊并逐層處理，直到組件完成。由于典型的軌道寬度為 0.1-0.2 毫米，因此可以制造高度復雜的結構。逐層處理允許在許多情況下無法通過任何其他制造方法實現(xiàn)的復雜性。在最新的商業(yè)系統(tǒng)中，典型的最大零件尺寸達到 300 毫米甚至更大。這種尺寸和分辨率范圍為關鍵部件的生產提供了許多與行業(yè)相關的機會，在優(yōu)化的復雜幾何形狀中，在較短的交貨時間內，使該技術與航空航天、醫(yī)療、汽車和一般制造行業(yè)相關。
AM 的主要優(yōu)勢包括多個零件的整合（零件之間的連接更少）、小批量零件的交貨時間更短、易于設計迭代和針對特定短期或獨特應用的定制設計，以及太難或太復雜的設計以前用傳統(tǒng)制造方法制造成本高（甚至不可能）。復雜性是汽車和航空航天輕量化設計的關鍵驅動因素，因為可以制造優(yōu)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(xiàn)同樣出色。這些優(yōu)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(qū)域沒有材料。這種方法已經在部分規(guī)模的拓撲優(yōu)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，這種拓撲優(yōu)化的體結構是一個不錯的選擇，并且有望用于許多應用，尤其是那些涉及輕量化應用的應用。這些結構通?？梢允褂脗鹘y(tǒng)制造方法制造（以稍微較低的復雜性），但由于復雜性增加，這對于此類傳統(tǒng)工具來說通常更昂貴或更具有挑戰(zhàn)性。在 AM 中，復雜性是“免費的”，與不太復雜的部件相比，利用這種復雜性沒有額外的成本。因此，最佳利用可用的復雜性通常是增材制造優(yōu)于傳統(tǒng)制造的財務和性能優(yōu)勢的關鍵，因此有興趣充分利用增材制造中的復雜性。大多數關于增材制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(xù)性的散裝材料和組件上。盡管上述研究在處理大塊機械部件和結構時非常重要，但將它們擴展到其他領域（如超材料）可能具有挑戰(zhàn)性。
廣泛的可用蜂窩設計以及使用增材制造在 3D 中精確定制其設計、密度和其他屬性的能力為這些結構在工業(yè)相關產品和零件中的應用提供了新的機會。它們在醫(yī)療植入物中的應用得到廣泛認可，并推動了迄今為止的大部分文獻，在過去十年中對醫(yī)療植入物中的晶格進行了廣泛的回顧. 除了醫(yī)療應用外，它們在輕量化方面的應用也得到了廣泛認可，并引起了航空航天和汽車行業(yè)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，大多數討論是關于它們在植入物中的使用以及它們針對該特定應用的優(yōu)化。更一般地說，在過去的二十年里，多孔隨機泡沫在工業(yè)中發(fā)現(xiàn)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。為了達到這種性能水平，必須將對增材制造的深入理解與對晶格結構設計、可制造性和測試的同樣深刻理解相結合。由于迄今為止在各種研究中報告的廣泛不同的結果，晶格結構的機械性能和疲勞性能仍然是一個有效的問題。
一般來說，對于金屬 AM 工業(yè)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(xiàn)特定的所需性能. 除了材料選擇和制造質量外，晶格結構的設計選擇是其在工業(yè)中成功實施的關鍵。這包括了解應用要求以及如何為每個特定應用選擇或優(yōu)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(xiàn)特性以及如何針對特定應用優(yōu)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(fā)表在國際頂刊材料綜述“Progress in Materials Science”上。
論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0079642521001420
由金屬AM制造的建筑蜂窩結構提供了一種全新的范例，其屬性和功能現(xiàn)在才開始被利用。由于這些結構的許多獨特性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(fā)潛力，包括低質量、設計的機械性能、高表面積、滲透性、能量和沖擊吸收、隔熱和熱機械性能和多得多。在討論相關應用程序時，該評論提供了一些在此背景下的設計能力和可實現(xiàn)的特性的見解。因此，全面介紹了財產-申請鏈接。
盡管金屬 AM 晶格結構具有所有潛在優(yōu)勢，但它們可能不適合某些情況或應用，并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性能，但通常具有高度的各向異性。已經討論了商業(yè)金屬 AM 系統(tǒng)的制造限制，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(yī)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，蜂窩結構的設計和制造需要仔細考慮和質量控制。在這種情況下，還有一節(jié)專門討論設計和制造方面的考慮。
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周期性最小表面 (TPMS) 人工細胞材料[32]。(C) 天然[33]和 (D) 人造蜂窩結構
圖2。晶格結構的各種架構 (A) 基于支柱的晶格單元顯示在前三行中。(B) 骨架和 (C) 基于片的三重周期性最小曲面 (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，用于進行單軸拉伸準靜態(tài)和疲勞測試。(D) 用于準靜態(tài)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 制造的 Ti6Al4V 骨架陀螺晶格，密度為 12.5%。初始彈性響應之后是 20 MPa 的第一個屈服點，之后是一個具有大約 15 MPa 附近恒定應力的平臺區(qū)域，該區(qū)域持續(xù)到高應變，最終完全致密化和應力增加。(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(qū)域的初始剛度增加，屈服強度更高，相應的平臺應力也更高。由于存在更多的材料，對于更高密度的樣品，在更小的應變下發(fā)生完全致密化。
圖 8。具有晶格結構的示范性 Ti6Al4V 生物醫(yī)學植入物；(AI) 通過 EB-PBF [20]制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，通過 EB 制造的右風髂骨置換植入物-PBF 并適合骨骼模型，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(jié)植入物，在一個單件與合理設計的多孔質部聯(lián)合收割機實心區(qū)域在一個單步制造的添加劑的制造過程 (C) 通過 L-PBF 制造的幾何優(yōu)化和功能分級的晶格髖關節(jié)植入物是全實心植入物的 41.9% 。
圖 10。(A) 晶格結構設計優(yōu)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%，并改善了關鍵區(qū)域的冷卻（由 IAV 汽車工程提供）。(B)通過 L-PBF 制造的用于井下應用的石油和天然氣Inconel 718 組件，質量減少 42.4%。該組件通過使用兩個“蛇形”內部通道在油井上下泵送流體[128]。設計的組件直徑為 81.3 毫米，高度為 135.9 毫米。(C) 由 L-PBF 制造的 Ti6Al4V 輕型格架支架在實驗車輛中實施. (D) 具有通過 L-PBF 制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解決方案提供）。頂部和底部圖像代表傳統(tǒng)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 航空制造，用于航空航天應用。(F) 雷尼紹蜘蛛支架于 2017 年首次展示，由 L-PBF 在 Ti6Al4V 中制造
圖 14。TPMS 陀螺受壓破壞機制的差異：(a) 壁斷裂和對角線或剪切破壞帶，(b) 壁折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 通過 L-PBF 制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(tǒng)（由 Cellcore 和SLM Solutions 實現(xiàn)）。一種拓撲優(yōu)化的晶格散熱器裝置，可保證流動再循環(huán)（由普渡大學[205] 實現(xiàn)）。一種填充三重周期最小表面晶格的熱交換器，用于航空渦輪機（由 nTopology [206]實現(xiàn)））。B) 適用于電子應用的散熱器采用的 TPMS 結構的其他示例（由 nTopology [207]實現(xiàn)）。C)用于 F1 賽車的超輕鋁合金AM熱交換器（由 Betatype 和 Progressive Technologies [208] 實現(xiàn)）。
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