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。

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 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

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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

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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

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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

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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。

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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
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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
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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。

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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

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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。

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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。

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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。

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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。

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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
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 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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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多孔结构-来自大自然的灵感
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 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。

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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。

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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。

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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。

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“三明治”结构蜂窝芯而通常具有多孔特性，这些内核通常具有复杂的拓扑结构。蜂窝芯可以是泡沫结构、蜂窝结构和基于桁架的格子结构的形式。

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夹心板结构设计，并增加能量吸收能力。

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多孔结构-来自大自然的灵感
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更柔软、更灵活的内层夹在两个坚固且刚性的外层（面）之间。冲击载荷条件下的损坏模式包括底面上的开裂、核心屈曲、脱粘、剪切和损坏起始。夹层结构提高了材料可以吸收的应变能量，同时还将冲击力分布在广阔的区域，并防止在材料的孔和层界面处形成裂缝。

由于在结构遭受意外碰撞时塑性变形可以吸收冲击能量的特性，金属夹层结构近年来受到广泛关注，并开始在航空、船舶、交通等众多工程领域得到应用。夹层结构的耐撞性已通过如下所述的仿生芯设计替换各种多孔芯（例如泡沫、蜂窝和桁架）而得到改进。

 多种形式的夹心板结构

l 螳螂虾

孔雀螳螂虾，也被称为 Odontodactylus scyllarus，它的指尖被描述为自然界中最强的水生动物结构之一。他们可以忍受重复冲击力可延伸至 1500 N，而不会发生任何灾难性故障。

因此，螳螂虾可以作为一种耐损伤的仿生学的灵感来源。螳螂虾的外层（壳）由夹在撞击面和壳下层之间的撞击区域（波纹结构）组成。从这种核心设计中汲取了灵感，科研人员制作了夹芯板并研究了它们的能量吸收能力。

科学家们设计了一种多孔波纹夹芯板，利用两个不同的波纹方向来增强结构吸收能量的能力。结果，创造出了一种新型的轻质仿生双正弦波纹（DCS）夹层结构。

用于制造夹层结构的材料是1060铝合金。通过使用 LS-DYNA 在变形率为 2 mm/min 的准静态破碎载荷下进行数值分析，研究了仿生波纹夹芯板的均匀压缩。与规则的三角形和正弦波纹夹芯板相比，仿生 DSC 夹芯板被证明可以提高结构的耐撞性，同时大大降低初始峰值力。

图 (A) 仿生正弦波纹夹层结构的集成设计过程 (a) 螳螂虾 (b) 其保护结构的 SEM 图像 (c-d) 仿生设计 (B) (a)啄木鸟（b）喙（以厘米为单位）（c-e）喙的 TEM 图像（f）来自啄木鸟喙的仿生蜂窝结构（C）具有网格增强蜂窝芯的夹层结构示意图。

l  啄木鸟的喙

鸟类的喙，尤其是啄木鸟的喙，可用作能量吸收器的高抗冲击性和高损伤容限设计。

啄木鸟的喙以大约 6 到 7 m/s 的速度撞击树干，而不会损坏喙和大脑。啄木鸟喙和头部的解剖结构表明它们具有减震能力。

啄木鸟上喙的多孔蜂窝结构是使用透射电子显微镜 (TEM) 成像发现的，这表明角蛋白颗粒是密集排列成蜂窝状结构。然而，与传统的蜂窝不同，啄木鸟喙的蜂窝结构表明它们的细胞壁具有波浪状的正弦结构，波浪形结构可以提高喙部的能量吸收性能和损伤容限。受到新的仿生蜂窝结构的启发，科学家从而设计了一种新的夹层结构，并进行了测试以评估其能量吸收能力。

尽管多孔蜂窝芯夹芯板具有各种优点 ，但仍存在必须考虑的某些限制。例如，蜂窝被夹层板的粘合面完全覆盖，夹层板容纳了可能被困在细胞内的水和蒸汽。这增加了结构的重量，同时也降低了其机械性能。

基于喙啄木鸟微观结构的新型仿生多孔蜂窝夹芯板 (BPHSP)，的墙壁被设计成波浪形，模仿微观结构作为夹芯板核心的喙部。采用有限元软件ABAQUS/Explicit对BPHSP的性能进行了研究。压缩测试以 10 m/s 的恒定速度进行。有限元模拟显示，面板的比能量吸收比具有相同芯材厚度的标准蜂窝夹芯板高 1.25 倍。

l 叶子

在自然界中，植物的叶子能够高效地承受风雨产生的长期交替应力。植物叶片在整个生长过程中重新定向生长叶片中的多孔维管静脉，叶片承受机械应力的能力增加。

叶弯曲和抗扭性受叶柄横截面的形状和大小的影响，叶片中的静脉不仅允许水分和养分通过叶片，还有助于保持叶片的形状并防止裂缝扩散。

这些静脉形成网格图案，成为研究人员的灵感来源，将其应用于需要加强的结构，特别是夹层结构的核心。研究人员从叶子中汲取灵感并应用在它们的夹层结构中。

为了加强夹层结构的软蜂窝芯，科学家们设计了周期性的仿生网格，并结合在其多孔蜂窝芯中，网格增强蜂窝芯可以描述为多级网格排列，在芯本身内具有多个网格层。为了研究机械性能，在 Instron 8501 机器上以 10 mm/min 的变形速率进行了平面内压缩实验。多孔夹层结构由 6060T5 铝合金制成，实验结果表明，仿生结构的刚度增加了 5.3%，能量吸收和临界屈曲载荷增加，高于只有蜂窝芯而没有网格加固的试样。

 夹心板结构激发3D打印应用前景

l 电机外壳

赛峰电气与电源公司与英国增材制造软件Betatype公司合作开发3D打印的电机外壳，通过3D打印技术以及增材制造设计，电机外壳的设计得到优化。

通过Betatype软件平台开放的 Arch格式，能够避免因创建网格结构而产生大量的数据，软件中抽象的算法，大大降低了CAD模型数据的复杂度，使得模型数据更容易管理。软件平台还可以评估3D打印过程中激光的最佳运动，以产生零件的精细细节。

Betatype团队在设计夹层结构时，在夹层之间使用了超高密度点阵结构，夹层结构包括超过1000万个胞元结构。Betatype公司表示，应用Engine-Platform 中的技术和多尺度方法，能够将扫描路径和曝光设置控制到夹层结构设计的每个元素，在这种情况下，粉末床激光熔融工艺超过其标准工艺，从而创造出所需的超高密度点阵结构。

l 蒙皮结构

根据3D科学谷的市场了解，西安飞机设计研究所研究的蒙皮热交换器的外层散热单元与内层散热单元采用3D打印整体成型。其中，外层散热单元外表面、外层散热单元内表面及多个外层散热隔板采用3D打印整体成型。内层散热单元外表面、内层散热单元内表面及多个内层散热隔板采用3D打印整体成型，通过3D打印实现一体化的结构，提高了整体强度。

这是一种双层飞机蒙皮热交换器，包含外层散热单元和内层散热单元，外层散热单元与内层散热单元之间设置有空气通道，外层散热单元设置有外层散热微通道，内层散热单元设置有内层散热微通道，换热效率高，可减少集中热辐射和雷达热反射面积，可以满足飞机隐身性能要求。这种双层飞机蒙皮热交换器安装在机身蒙皮外表面，利用空气带走液体的热量，减小了系统对飞机的燃油代偿损失。

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：仿生多孔结构的硅藻结构。

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泡沫具有超强的能量吸收能力，然而，它们往往具有较低的抗压强度，通常需要将金属管 、竹管和复合管用于增加泡沫的结构强度和能量吸收。不过将金属管用于聚合物泡沫时的一个问题是它们太坚固且太重。此外，管和泡沫的强度之间通常存在很大差异，一个合理的复合方案策略是使两个组件具有相同的强度。

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泡沫结构设计，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

 多种形式的泡沫

l 丝瓜

丝瓜是天然分层材料，例如生物细胞丝瓜海绵，是研究多孔结构的绝佳课题。丝瓜具有令人难以置信的孔隙率，并且能够在破碎过程中保持恒定的应力变形平台。

这些仿生多孔结构是分层的，由四个层次组成，由许多细胞类型组成，包含大孔和微孔，大孔增强了内表面层的刚性。此外，丝瓜的机械特性也受水分含量的控制。

为了模仿这种丝瓜海绵分层结构，3D科学谷了解到科学家开发了分层泡沫铝圆柱体，使用柔性薄壁碳纤维增强聚合物 (CFRP) 将其加固在一起。据观察，与仅由铝制成的泡沫圆柱体相比，多孔仿生结构的比能量吸收相当高。仿生结构的比能量吸收高于分层泡沫中各组分比能量吸收的总和。通过应用混合和分层设计技术，可以产生具有高能量吸收的超轻复合泡沫结构。

图 10. (A) 仿生分层多孔结构 (B) SEM 图像显示泡沫状结构的密度梯度以及维管束(C) SEM 图像显示的形态横截面(D) 生物结构材料（龟壳）和合成对应材料（金属泡沫）的比较多孔样品的孔隙(E) 不同相对密度的泡沫铝样品。

l 柚

水果皮通常有多种用途，保护果肉和种子免受机械损伤是最重要的任务之一。这些生物结构是创造新型材料和组件的优秀灵感，这些结构可以保护货物免受硬搬运或碰撞造成的损坏。

当柚子被切成两半时，它的果皮厚 2-3 厘米。柚子皮的外表皮（有色的果皮）比其他柑橘品种更厚。除了渗透（几乎）整个果皮的网状木质化维管束外，其他主要成分组织由仅具有初级细胞壁并充满细胞液的薄壁细胞组成。

模仿柚子被的结构，3D科学谷了解到科学家已将纤维束应用到铝合金泡沫结构中。结果表明，与标准泡沫结构相比，当在泡沫结构中引入纤维束时，应力-应变图中的平台应力可以增加30%，刚度增加30%。

l  莲藕

莲藕具有独特的多孔结构，莲藕的微观结构由相互平行的长圆柱孔组成。模仿莲藕的结构，当前轻量化金属材料结构上可以采用具有在单个方向上排列的莲花型多孔结构。

3D科学谷了解到科学家研究了铜和铁样品的动态和准静态压缩响应，这些样品设计有嵌入的圆柱形孔（孔隙率 41.7%），在单个方向上排列以模拟莲藕的微观结构。科学家重点研究了圆柱孔在实验高原应力区和冲击能量吸收过程中所发生的变化。

l  龟壳

具有由层状骨壳和内部闭孔泡沫骨网络组成的夹层复合结构，龟壳具有更大的能量吸收能力，龟壳甲壳与金属泡沫材料具有相似的结构，在犰狳的前后壳中观察到类似的特征。

从龟壳的壳层结构获得灵感，3D科学谷了解到科学家设计了几种泡沫铝，每种泡沫都具有不同的形态和密度。通过试验评估泡沫的应变率敏感性的冲击性能。结果表明，与其他天然大孔泡沫设计相比，由模拟龟壳仿生多孔结构的泡沫铝组成的厚皮包围的夹层复合材料具有更高的比能量吸收。

泡沫铝吸引人的特性包括低密度、高刚度重量比、强度、能量吸收、可回收性和可负担性，使其成为许多应用的合适结构。泡沫铝已被用作抵御威胁的防护措施，并阐明了创新的装甲概念。

l  骨

骨骼被归类为具有分级孔隙结构的同源天然多孔材料，并在压缩下表现出出色的机械性能。受损骨骼的置换和再生仍然是骨科手术的主要挑战。临床上对骨移植材料的需求量很大。目前研究人员正在创造仿生支架，允许细胞附着、迁移并能够扩散重要的细胞营养物质。

科学家通过模仿骨的重塑机制，使用有限元分析，计算泡沫填料的密度梯度。模拟结果表明，泡沫填料的外层比内层具有更大的应变水平。为了与 FEA 应变分布模式保持一致，使用径向密度梯度来生产泡沫填料。与等重量的均匀泡沫填充管相比，分级泡沫填充管显示出高达 24% 的比能量吸收。

 泡沫结构激发3D打印应用前景

l 电磁波吸收

随着航空发动机、高超音速飞行器和空间探测技术的发展，一些尖端航空航天领域的热端部件需要具备优异的电磁波吸收性能。目前，多数关于吸波材料的工作都致力于实现室温下材料的“薄宽轻强”，而如何设计具有优异高温吸波性能的材料仍面临巨大挑战。

泡沫结构可用于吸波，国内西北工业大学成来飞教授团队基于3D打印技术首次提出并构建了“wire-on-sphere”结构的SiC纳米线/SiC晶须（SiCnw/SiCw）泡沫用于高温电磁波（X波段）吸收。该泡沫在室温和600 ℃下的最大有效吸收带宽和最低反射系数分别为4 GHz、–57 dB和3 GHz、–15 dB。经过1000~1500 ℃氧化1 h，该泡沫可以保持最高3.9 GHz的有效吸收带宽。此外，该泡沫还具有17.05 MPa的抗弯强度。

“wire-on-sphere”结构可以实现电磁波在球内和球间的多次反射以增强对电磁波的吸收，同时单晶的SiCnw和SiCw具有大量的堆垛层错，可以引发偶极子极化损耗机制，此外SiCnw和SiCw可以形成大量的接触界面，界面处可引发界面极化损耗。

l  自动化泡沫设计

弹性泡沫领域近80年几乎没有太大的创新举措，3D打印技术的出现使得该行业重新焕发生机，可以生产出更舒适、更安全、更轻便且可以个性化定制的产品。

© EOS

在这方面EOS 的增材思维 (Additive Minds)应用工程团队推出了Digital Foam™计划，降低了将 3D 打印弹性泡沫推向市场的难度，且实现了将CAD、材料、零部件验证和增材制造（3D 打印）等诸多环节的有机融合。

此外，Desktop Metal也推出了FreeFoam计划。

3D打印弹性泡沫使用TPU或PEBA等柔韧性极高的聚合物材料，可以对每个体素（体积像素）进行深度微调，从而获得绝佳的舒适性、安全性和功能性。采用传统工艺时，此过程异常繁琐，需要复杂的工程设计和漫长的生产周期才能生产出符合要求的产品，而通过自动化的泡沫建模3D打印技术可以更轻松的实现。

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“三明治”结构。

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