基于激光选区熔化的点阵结构设计、性能及应用研究进展*

张冬云，刘智远，胡松涛，卫垚宇，黄 浩，梁 锐

（1. 北京工业大学，北京 100124；2. 北京市数字化医疗 3D 打印工程技术研究中心，北京 100124；3. 北京市数字医疗健康3D 打印国际合作基地，北京 100124）

激光选区熔化 （Selective laser melting，SLM）技术作为增材制造技术中直接制造具有复杂结构金属零部件最有前途的方法之一，利用高能量的激光束，按照预定的扫描路径，扫描在粉末床上预先铺覆好的金属粉末 （厚度通常20 ～ 50 μm）将其完全熔化[1]，上述激光加工过程发生在惰性气体保护下。传统的金属零部件制造工艺流程复杂，加工周期长，难以成形形状复杂，特别是具有内腔的零部件，因而探讨创新型零部件制造方法，突破原有的制造瓶颈非常迫切。SLM 技术以数字化模型为加工对象，通过逐层制造的方法实现形状复杂零部件的高精度制造，在点阵结构、薄壁结构、复杂曲面及具有内腔结构[2]的零部件制造中显示出特有的优势，在航空航天、医疗、汽车等领域具有广阔的发展前景。

点阵结构是一种周期性多孔结构，根据阵列方式分为二维点阵和三维点阵。其同时具有优异的比强度、比刚度、减振和抗冲击等特性，并且集多功能于一体，在承载、散热、吸能等方面也具有潜在优势，是21 世纪结构设计的前沿热点研究之一[3]。点阵结构根据受力变形行为分为拉伸主导型和弯曲主导型。拉伸主导型点阵结构表现出更高的强度和刚度；弯曲主导型点阵结构表现出更优异的能量吸收能力和抗冲击性能。SLM 技术的突出优势在于释放了点阵结构的设计自由度，设计制造集承载、吸能、减振、阻尼等多功能于一体的点阵结构，成为当前材料–结构–制造工艺一体化的重要体现[4]。

近年来，在国家航空航天领域重大需求和前沿科学探索的双重驱动下，多功能点阵结构为航空航天、医疗、汽车及土木建筑等技术领域的发展带来了新契机。结构各异的点阵结构包括蜂窝结构、桁架结构、拓扑优化结构、隐函数结构等逐渐被开发[5–6]。然而这些结构优化程度较低，还存在个别位置应力集中、力学性能和能量吸收能力之间没有进行平衡等问题，需要对这些点阵结构进行进一步改善[7]。大约在20 世纪90 年代，开发具有更高比刚度和比强度的点阵结构已经成为研究热点。当时的技术是制造孔径大小为几mm 的随机泡沫结构，其广泛应用于隔热和夹层结构中；但随机泡沫结构的比刚度和比强度都较低，并不适合在工程应用领域用作轻质结构；上述问题的解决方案是采用蜂窝结构和桁架结构，典型的桁架结构有体心立方 （Body centered cubic，BCC）、面心立方 （Face centered cubic，FCC）、菱形十二面体、八面体等。并开展了这些结构的力学性能和能量吸收性能的研究，研究发现，蜂窝结构具有独特的各向异性，在某一个轴向具有较高的剪切模量和抗冲击吸能特性，但随着工况复杂程度的增加，桁架结构比蜂窝表现出更高的设计自由度。桁架结构是基于杆状单元搭接而成，在杆件连接的地方形成节点，节点处多为直角边或较小夹角，在承载时容易在节点处产生应力集中，使得结构的力学性能因节点失效而产生较大波动[8]。相比于蜂窝结构和桁架结构，三周期极小曲面结构 （Triply periodic minimal surface，TPMS）的典型特性是平均曲率为0，这种特性能够有效减少应力集中现象。SLM技术制造的TPMS 结构表面非常光滑，其在压缩过程中表现出更加优良的力学性能和能量吸收能力，基于这种特点，TPMS 结构受到越来越多研究人员的关注[9]。

对点阵结构力学性能的研究主要表现在抗压强度[10]、屈服强度[11]、弹性性能[12]和疲劳性能等。点阵结构一般具有良好的承载能力[13]。但是新的设计理念层出不穷、数字化程度不断提高，研究者们又尝试将增材制造与拓扑优化技术相结合，设计制造新型具有高比刚度、高比能量吸收的点阵结构，并应用到航空航天、医疗和汽车工业等领域[14]；这些新的思路进一步增加了点阵结构的复杂程度，但是也需要考虑点阵结构的设计及制造极限，以及进一步提高其制造质量和精度的方法。基于上述考量，本文总结了SLM 制造的点阵结构的工艺协同性以及均匀和梯度点阵的设计方法；讨论了SLM 技术制造点阵结构的力学性能和能量吸收能力；概述了点阵结构与轻量化设计的结合及其在航空航天、医疗、汽车等领域的具体应用；最后对SLM制造的新型点阵结构在工程应用领域的发展趋势做了展望，上述研究将推动金属点阵结构在实际工程中的应用。

1 点阵结构的分类

随着人们对大自然探索程度的不断加深，学者们逐渐发现自然界中存在大量多孔结构。与固体结构相反，多孔结构具有高比表面积、高比强度、高吸附能力等特点，在学术界和工业界受到越来越广泛的关注[15]。多孔结构的传统制备方法包括发泡法、粉末冶金法、凝胶注模成型法等[16]，这些方法适合制造孔隙尺寸较小、无制造瓶颈和规模数量较大的多孔结构零部件；但传统制造无法精确控制多孔结构的孔隙率、孔洞大小及分布等，也不能随意设计多孔结构的晶胞形状，这些因素限制了点阵结构的应用[17]。SLM 技术使用光斑直径为100 μm 左右的激光器作为热源制造金属零件，零件的几何结构可以是任意形状，且具有较高的成形质量，非常适合点阵结构的制造[18]。采用SLM 技术制造的点阵结构可以根据晶胞的种类进行分类，如图1 所示，包括自然界中存在的、基于二维平面阵列的蜂窝结构[19]（图1 中a）、基于面单元的隐函数结构[20]（图1 中b～g）和基于梁单元的桁架结构（图1 中h～w）。

图1 不同类型的点阵结构Fig.1 Lattice structures in different types

自然界中存在的蜂窝结构通常由截面为六边形的柱状体堆叠排序而成，蜂窝结构的设计十分优异，内部可利用空间大，可用最少的材料构造出很强的几何结构[26]。此外还有密度小[27]、质量轻[28]、比刚度高[29]、比强度高、散热性能好及耐冲击等优异性能，在需要被动保护时起着至关重要的作用。基于上述优点，科研人员逐渐将蜂窝结构应用到航空航天、电子工业、海洋船舶及土木建筑等多个领域[30]。Choy 等[31]对比了蜂窝结构和立方结构的破坏机理和压缩变形行为，发现蜂窝结构在不同方向具有不同的压缩性能和破坏行为。

随着轻量化结构在工程应用中的逐渐增加，对点阵结构的设计提出了更高要求。虽然蜂窝结构具有优异的各向异性，但桁架结构具有更高的设计自由度和比表面积，其常见构型有四面体型、面心立方型、体心立方型、八面体型等。桁架结构的传统制造方法包括金属丝编织法、冲压成形法、熔模制造法、挤压切割法等[32]。这些方法在大规模制造点阵结构时具有产品精度低、生产效率低、后处理工艺繁琐、能源消耗更多及废料产生更多等缺点。因此，SLM 技术成为加工桁架型点阵结构的主要技术，制造的产品具有更高的尺寸精度和优异的机械性能[33]。Crupi 等[34]对BCC 晶格进行了准静态和动态压缩测试以评估BCC 晶格的失效机制。试验发现，压缩过程中BCC 晶格的节点处产生了应力集中，使得点阵结构在节点处发生失效。Ren 等[35]在BCC 结构的基础上设计了一种球形结点体心立方结构 （Spherical-nodebody-centred-cubic，SNBCC），压缩试验发现，将节点处设计为球形能够有效降低应力集中，提高结构的刚度。

研究学者们发现棘皮动物的骨骼形态类似极小曲面结构，在蝴蝶的翅膀中发现了类似Gyroid 型极小曲面结构的图案，在象鼻虫的外骨骼中发现了类似Diamond 型极小曲面结构的器官[36]。在上述自然界现象的启发下，研究学者们对TPMS 结构开展了一系列研究。Hao 等[37]使用隐式建模方法设计TPMS 点阵结构，并在SLM 技术制造工艺中研究了这些选定的TPMS 结构的可制造性。Zhang 等[38]采用SLM 技术制备了3 种TPMS 结构，分析了TPMS 结构的压缩力学性能和能量吸收特性，发现基于片状的TPMS 结构具有较低的应力波动。现有研究表明，与桁架结构相比TPMS 结构具有两个显著优点[39]。

（1）TPMS 结构通过数学函数进行精确表达，其孔隙率、体积和比表面积等基本属性可以通过调节公式中的参数进行调节，条件合适时，Gyroid、Diamond、Primitive 等类型的结构能够相互转变。

（2）TPMS 结构具有平均曲率为0 的特性，使得SLM 制造的极小曲面结构的表面非常光滑，没有桁架结构中存在的尖锐边缘或节点，有效减少了应力集中。同时TPMS 也具有较大的比表面积，孔隙之间具有高度的连通性，这些特性使该结构在散热和生物相容性等应用方面具有优势。因而，TPMS 在力学、热学、光学、声学等学科中也得到了越来越广泛的关注。

2 点阵结构的工艺协同与设计优化方法

相比于传统制造方法，SLM 技术的优势在于可以制造任意复杂形状的零部件，采用数字方法设计的点阵结构一般具有复杂的形状。然而，受材料、加工工艺等因素的限制，SLM 制造方法并非可以真正实现“自由”制造，而是存在制造极限。因而，在点阵结构的设计与制造过程中需要考虑设计与工艺的协同。满足制造极限的、合理的点阵结构设计可以有效减少制造时间、成本，提高制造精度和点阵的性能。

点阵结构按照设计方法分为均匀点阵和非均匀点阵，均匀点阵的设计方法主要包括几何线框设计、数学模型设计和拓扑优化设计等；非均匀点阵的设计方法主要包括基于函数控制的梯度点阵设计和基于结构优化的梯度点阵设计。

2.1 点阵结构的工艺协同性

数据准备过程中对三维模型的切片处理和随后的层加工制造过程，有效地实现了SLM 制造三维模型过程的“降维”，为形状复杂零部件的制造提供了可能，消除了传统制造技术中存在的瓶颈，同时也增加了零部件结构设计的自由度。但是零部件中存在的小于30°的倾斜角和悬臂梁等结构，需要通过合理添加支撑才能实现准确、成功的制造。因而，不合理的设计会导致结构无法成形或成形效果不好，从而影响其性能或者功能。研究经验显示，薄壁特征、尖角特征、孔特征、高纵横比及间隙特征等结构在采用SLM 制造的过程中存在几何特征约束。采用SLM 技术制造点阵结构，在设计的过程中需要考虑胞元的几何特征，使点阵结构的设计尽量满足SLM 制造的成形极限。Adam 等[40]针对金属结构的制造提出了一种独立于工艺过程之外的设计方法，定义了几种几何元素特征的设计规则，即结构主要由3 种标准元素构成，如基本元素、连接元素和组合元素，并采用激光选区烧结技术（Selective laser sintering，SLS）、激光选区熔化技术和熔融层沉积成形技术 （Fused deposition modeling，FDM）对设计的特征模型进行打印测试，发现当SLM 的成形间距大于0.3 mm，悬垂长度小于2 mm 时，结构具有较好的成形质量。

根据SLM 成形的几何约束，在结构设计及优化的过程中需要遵循一定的设计规则。同时还需要考虑几何结构的摆放位置、自支撑结构、加工余量、工艺材料及设备的合理选择等。对于结构中表面质量要求较高的区域，在加工过程中首先要保证这些区域的高质量成形，因而需要选择合理的摆放位置以减少加工悬垂面或支撑区域的设计，提高成形效率。自支撑结构是以零件本身作为支撑来提高结构成形稳定性的设计方式，自支撑结构能够有效增强结构的刚度，避免在成形过程中发生翘曲变形，也在一定程度上减少了支撑结构，提高了结构的成形质量，降低了后处理难度。此外，SLM 技术制造的结构表面可能存在粉末黏附、支撑残留及表面波纹等，对于表面质量要求较高的结构，难以达到金属零件的成形质量，因此需要保留一定的加工余量，保证在后处理之后能够达到较高的表面质量。SLM 技术制造点阵结构在工艺类型、材料类型、成形设备等因素共同作用下，会影响零件的收缩率、表面精度、尺寸及形状精度等。因此，设计人员需要在设计过程中考虑合适的加工工艺来满足结构的某些特征功能。

2.2 均匀点阵的设计与优化

均匀点阵结构是通过晶胞在三维空间中进行周期性阵列生成。点阵结构的力学性能与晶胞的形状、大小、孔隙率有直接的关系。均匀点阵结构的设计方法主要包括基于几何线框的晶胞设计、基于数学算法的晶胞设计、基于拓扑优化的晶胞设计等[41]。随着建模软件的普及，设计师们通过CAD 建模软件调整晶胞几何线框位置、大小、数量来获得新的点阵结构。Chen 等[42]受仿生设计的启发提出了一种3D 纹理映射设计方法，先是建立一个3D 晶胞结构库，然后根据所要设计CAD 模型的应力状态从模型库中选取一种晶胞结构进行内部填充，系统将晶胞结构和CAD 模型通过布尔运算进行结合，形成新的轻量化结构，生成的定制轻量化结构在一定程度上降低了设计的复杂程度。

基于数学算法的点阵设计方法将理论数学模型变成了现实模型，可以设计出更加复杂且数学可控的点阵结构[43]。TPMS 结构的设计就是一个很好的案例。TPMS 结构由于具有平均曲率为0 且在3 个方向具有高度周期性的特点，近年来成为数学算法构建晶胞结构的研究热点[44]。目前TPMS 结构的主要生成方法可以由式 （1）生成。

式中，φ（r）为不同种类TPMS 单元的函数；Ak为振幅；hk为倒空间中的第k个格矢；r为位移矢量；λk为周期波长；Pk为相移；C为曲率参数。

Ma 等[45]通 过MATLAB 软件设计了3 种TPMS 结构，并通过SLM 技术制造了相应的结构。结果表明，TPMS 结构表现出良好的可制造性。Feng 等[15]回顾了几种TPMS结构的精确制造方法和多学科应用，总结了几种常见TPMS 结构的数学公式如表1 所示 （其中f（x，y，z）为TPMS 单元的函数；ωx为在x方向上的周期）。

表1 几种常见的TPMS 胞元数学表达式[15]Table 1 Several common mathematical expressions for TPMS units[15]

为满足复杂工况下的应用要求，获得具有特定性能的点阵结构，拓扑优化成为设计特定点阵结构的方法之一。通过对点阵结构的几何形状及晶胞的尺寸 （长度、厚度和直径）进行优化，以最大化刚度和最小化质量为设计目标，获得特定性能的晶胞结构，并对其进行周期性阵列，获得点阵结构。均匀化法在拓扑优化领域被广泛应用，其基本思想是采用微结构模型代替拓扑优化结构的方法，实际上是结构拓扑优化和尺寸优化的有机结合。均匀化方法通过引入微结构模型近似地表达结构中材料的宏观属性，不用详细地表示结构中各处材料的属性，即理论清晰简单，易于实现[46]。Wang 等[47]采用均匀化法优化了晶胞的拓扑结构，并得到了均匀点阵结构。Rodrigues 等[48]对设计区域内的结构施加载荷约束，优化载荷约束下的晶胞结构，获得均匀的晶格结构，并将具有不同特征的胞元组合到模型Ω中，如图2 所示，发现均匀结构具有明显的各向同性等效行为。

图2 均匀化拓扑优化设计的点阵结构[48]Fig.2 Lattice structure of uniform topology optimization design[48]

2.3 非均匀点阵的设计与优化

与均匀点阵相比，梯度点阵的晶胞可以在任意方向呈现出不同的相对密度。具有梯度形式的结构在自然界中是非常常见的，它可以在动物、植物和人体骨骼的微观结构中找到，如鸟喙、竹子和骨头等[49]。研究表明相同孔隙率下梯度点阵相比均匀点阵表现出更高的力学性能和比能量吸收能力[50]；相比于均匀点阵，梯度点阵具有更高的设计自由度，通过调整晶胞的参数能够更好地设计点阵结构的力学性能和生物性能[51]。

目前获得梯度点阵的方法主要包括基于函数控制的梯度点阵设计和基于结构优化的梯度点阵设计。基于数学函数控制的点阵方法是通过有限元设计方法，将设计区域离散成无数个点区域[52]；徐仰立[53]研究了基于函数控制的点阵拓扑优化模型，在函数中引入材料惩罚因子 （Solid isotropic material with penalization，SIMP）模型，设计了一种高比强度、高比表面积的点阵结构，研究表明该结构与人体骨骼的力学性能具有高度匹配性。

相较于基于数学函数设计法，基于结构优化设计梯度结构的方法具有更好的工程应用性，主要包括两个步骤： （1）在设计区域内施加载荷约束和设计目标； （2）根据优化结构重新优化单个晶胞或多个晶胞[54]，结构优化的方法主要包括尺寸优化、形貌优化和拓扑优化[55]。研究人员通过对晶胞施加特定的约束条件来获得具有特定性能的结构[56]。对于非均匀点阵结构的设计，Zhang 等[57]提出了一种新的梯度结构设计方法，采用GAPSS 拓扑设计方法为几何设计提供更多选择，进一步提高机械性能，可以优化晶格的微观结构配置，以进一步提高最大化动态顺应性。为获得更加轻质和更高机械性能的梯度点阵结构，Zhang 等[58]结合均匀化法、拓扑优化法提出一种新的变密度点阵结构设计方法，该方法通过将晶格结构与连续力学模型相关联，并通过在宏观尺度上进行连续拓扑优化，然后将优化的连续参数 （密度）映射到晶格结构参数上 （支柱直径），最终重建梯度结构晶格，设计方法如图3 所示。

图3 梯度结构设计优化过程示意图[58]Fig.3 Schematic diagram of gradient structure design optimization process[58]

3 点阵结构的力学性能与能量吸收

在多学科的应用中，对机械结构力学性能的研究最为广泛。不论是基于蜂窝、桁架还是TPMS 的点阵结构，研究人员关注最多的是力学性能，其次是能量吸收能力。本节主要讨论SLM 技术制造的点阵结构的力学性能和能量吸收性能，根据不同测试方法分析点阵结构的机械性能。

3.1 点阵结构的力学性能

压缩载荷下点阵结构力学性能如图4 所示。点阵结构的力学性能与孔隙率大小和材料分布有着直接关系，即其性能可以通过调控结构孔隙率和材料分布来调节[59]。SLM技术赋予点阵结构以高度的几何设计自由度，制造的点阵结构能够实现块状材料无法实现的功能[60]，例如，负泊松比[61]、负刚度[62]、高比强度等[63]。点阵结构大多数测试都是在压缩中进行，其压缩应力–应变曲线可以观察到4 个区域，包括弹性阶段、塑性阶段、屈服阶段和致密化阶段[64]。抗压强度和刚度的高低与点阵结构的变形行为有关[65]，弯曲主导的点阵结构表现出高的能量吸收能力和抗冲击性能[66]；拉伸主导的点阵结构表现出更高的刚度和强度[67]。如图4（a）所示[68]，BCC 晶格表现为弯曲主导行为，初始阶段为弹性变形，之后表现出近似平台阶段的连续变形行为，采用Z 支柱进行加固后，获得BCCZ 结构，表现出拉伸主导的行为，具有更高的强度和刚度，承受更高的载荷才会发生屈服和变形。随着点阵结构研究的不断发展，TPMS 结构的压缩行为也得到了系统的研究， Lu 等[69]使用数值均匀化方法对骨状TPMS 结构的各向异性弹性行为进行分析，共研究了5 种TPMS 结构，在解析分析的基础上确定独立弹性常数，基于有限元晶胞模型结合边界条件确定独立常数的值，表明TPMS 结构具有高度三维对称性，限制了TPMS 结构的各向异性行为。与骨状TPMS 结构相比，片状TPMS 结构表现出更高的压缩强度，Zhang 等[70]通过试验与有限元仿真相结合的方法，研究了压缩载荷下用316L 不锈钢制造的3 种片状TPMS薄板结构的压缩模量、平台应力和吸能能力，并与体心点阵结构进行了比较，对其破坏机理进行了分析，发现片状Diamond 结构表现出更优异的力学性能，如图4（b）所示。为系统地比较各类周期性结构的力学性能，AL-Ketan 等[71]探索了几类周期性点阵结构的机械性能，包括桁架结构、骨状TPMS 和片状TPMS 结构，利用扫描电子显微镜评估SLM 打印质量，如图4（c）所示，通过压缩测试评估点阵结构机械性能，结果表明，基于片状TPMS 的点阵结构表现出近乎拉伸主导的变形行为，而骨状TPMS 表现出弯曲主导的变形行为，片状Diamond 点阵结构表现出最佳的力学性能。总体而言，基于片状TPMS 的点阵结构在所有测试结构中表现出优异的力学性能。

图4 压缩载荷下点阵结构力学性能Fig.4 Mechanical properties of lattice structure under compressive loading

3.2 点阵结构的能量吸收

航天器、车辆、船舶等运输领域经常发生一些由于撞击而造成的零件失效事件[72]，撞击可能是自然碰撞，也可能是交通事故，因而对结构的能量吸收能力提出了更高的要求[73]。传统的用于能量吸收的机械结构包括管、硬壳、多角柱等，随着SLM 技术的发展，金属点阵结构相比传统能量吸收结构表现出更高的能量吸收性能[74]。

能量吸收能力是指结构在外界施加载荷的情况下保持其几何形状而不会发生失效变形的能力。众所周知，蜂窝结构具有良好的能量吸收性能和抗冲击性能力。Andrew 等[75]在几何定制蜂窝结构的低速冲击性能和能量吸收特性研究中发现，几何定制的蜂窝结构具有良好的低速冲击性能。良好的能量吸收能力有利于减缓冲击和振动。研究人员发现，桁架结构具有优良的能量吸收能力。Maconachie 等[76]研究了5 种桁架结构的可制造性，以及在准静态和动态加载下的力学性能和能量吸收能力，发现FCCZ 和FBCCZ 点阵结构的吸能性能明显优于BCC、BCCZ 和FCC点阵结构，在动态加载的条件下，也具有更高的屈服强度和峰值应力，因此能够吸收更多的能量，如图5（a）所示。由于桁架结构在加载过程中往往在节点处产生过高的应力集中，Bai 等[77]提出了一种弯曲晶格设计策略，采用SLM 技术和Ti6Al4V 粉末分别制造了均匀晶格和弯曲晶格结构，相对密度均在9.12% ～19.14%范围内；与均匀晶格相比，弯曲晶格结构的比弹性模量和比抗压强度分别提高了213.7%和126.2%，能量吸收能力提高了92.9%，如图5（b）所示。

图5 桁架结构能量吸收性能Fig.5 Energy absorption performance of truss structure

另外，研究也发现，TPMS 结构平均曲率为0 的特性能够有效减少应力集中现象，相比于桁架结构具有更高的机械性能和能量吸收能力。Zhou 等[78]在均匀TPMS 结构基础上设计了两种梯度点阵结构，并使用SLM 技术制造了网格状功能梯度结构 （Network based functionally graded gyroid，N-FGG）和片状功能梯度结构 （Sheet based functionally graded gyroid，S-FGG）；通过压缩测试和有限元分析进一步分析梯度结构的力学性能和变形机理，结论是片状功能梯度结构具有更优越的吸能性能，如图6（a）所示。Sun 等[79]制备了3 种均匀TPMS 结构，并对其能量吸收能力进行了研究；结果表明，TPMS 结构表现出良好的吸能性能，且能量吸收能力随着实际相对密度的增加而增加，如图6（b）所示；在加载过程中，梯度点阵结构从低密度区域到高密度区域逐步变形，表现出更优良的能量吸收能力；渐变形式增加了能量吸收能力，提高了抵抗变形的能力。

图6 TPMS 结构能量吸收性能Fig.6 Energy absorption properties of TPMS structures

4 SLM 点阵结构的应用

点阵结构一般具有轻量化、高比强度、高比刚度等特性，被广泛应用于航空航天、医疗和汽车等领域。金属点阵结构的应用主要分为结构应用和功能应用。结构应用主要包括生物医学植入物、轻量化结构和能量吸收器；功能结构主要包括隔音器和热交换器等。

4.1 医疗植入用点阵结构

骨植入物除了需要具有与人体自然骨相近的刚度之外，还需要具有较好的生物相容性、合适的表面积及良好的渗透性。合适的表面能够使更多的细胞依附在植入物上，良好的渗透性能够允许更多的营养物质流通，促进骨骼的生长[80]。因而，具有高孔隙率和良好生物相容性的SLM制造的多孔结构引起了研究学者的关注，通过设计可以使这种医学植入物更符合人体骨骼刚度和兼具韧性，有效减少应力屏蔽现象，促进新骨的生长[77]。Arabnejad 等[81]设计了一种材料分布不均匀的点阵微观结构，提出了一种基于多尺度力学和多目标优化的设计方法，采用渐进均质化法设计骨植入物，最大限度减少应力屏蔽现象，结果表明，与完全致密的钛植入物相比，优化后的植入物减少了50%的界面应力。Ataee 等[82]设计了2.0 mm、2.5 mm 和3.0 mm 大小的点阵结构，评估了Gyroid 结构在骨植入物应用中不同方向的机械性能，结果表明，其弹性模量和屈服强度与骨小梁相当，表现出明显的各向异性行为，这种各向异性行为在较小晶胞尺寸的样品中较明显。Wang等[83]设计了基于四面体的髋关节植入物，采用渐近均质化方法确定植入物的力学和疲劳性能，使用拓扑优化方法优化植入物的相对密度分布，结果表明，优化的点阵植入物的骨质流失仅为全实心钛植入物的41.9%。图7（a）[83–84]为学者们设计的几种SLM 制造的骨植入物，包括实体区域、点阵结构结合的骨植入物和TC4多孔结构骨植入物。

图7 点阵结构在医疗、航空航天和汽车等领域的应用Fig.7 Application of lattice structure in medical, aerospace and automotive fields

4.2 轻量化点阵结构的应用

对于航空航天飞行器而言，结构轻量化设计是亘古不变的主题。由于存在的制造瓶颈，传统制造的轻量化结构在减重方面已经很难得到较大的提升。SLM 技术则赋予轻量化结构更高的设计自由度，能够实现传统加工方法无法制造的形状复杂轻量化结构。具有轻质和高性能特点的点阵结构在航空航天、汽车等领域得到越来越多的应用。例如汽车的气缸盖、汽油活塞、航空航天用支架等，在设计中引用点阵结构能够有效减少设计重量和制造时间、降低车辆自重从而有效减少油耗，满足更高燃油效率和更低碳排放需求。尤其在航空航天领域低重量是设计的关键因素，轻量化结构设计能够有效地减少生产成本。如图7（b）所示[85–86]，西北工业大学在卫星支架中填充了点阵结构，其动态响应比原始设计降低了25%，重量减轻了17%，并以枕式支架为例展示点阵结构填充过程。Kantareddy 等[86]采用镍基合金IN718 制造了两个在油井中上下泵送流体的结构，由于添加了点阵结构，零件质量相比原始模型减少42.4%。Cheng 等[87]提出了一种基于均质化的拓扑优化方法，通过使用缩放定律作为点阵结构相对密度的函数，获得点阵结构的有效力学性能；并通过调整参数重建了具有最优性能的梯度点阵CAD 模型，优化了梯度点阵结构，获得了具有高度轻量化特征的结构设计。在SLM 制造该部件过程中克服了存在的一些极限问题。试验结果表明，与点阵密度分布均匀的梁单元相比，拓扑优化的点阵部分强度更高 （提高了37%）。图7（c）[80]为雷尼绍公司设计的蜘蛛支架、一款赛车汽缸盖轻量化设计和采用增材制造方法制造的真空系统，以及采用IN 718 材料制造的热交换器和普渡大学设计的点阵散热装置，这些案例进一步显示了通过SLM 技术制造的轻量化结构的优势。

4.3 多功能点阵结构的应用

点阵结构正在从高性能化向多功能化发展，集承载–热控、承载–隔声、承载–吸能、承载–阻尼等功能于一体的多功能点阵结构在航空航天、军工等国防关键领域需求旺盛[88]，未来点阵结构的应用将更加突显多功能集成的设计与制造特性[89]。经研究发现，点阵结构表现出良好的隔声性能。由于传统制造的局限性，点阵结构的声学特性主要停留在理论阶段。SLM 技术为点阵结构的声学研究提供了更好的解决方案。根据声学的传输损耗机理，Sun 等[90]采用SLM 技术制造了两个具有不同维度参数的点阵夹层结构，并对比分析了该点阵夹层结构的隔声和吸声性能，如图7（d）所示。研究发现，当频率在1～ 6.2 kHz 范围时，胞元尺寸更小的点阵夹层结构表现出最佳的隔声性能；在中高频 （1～ 6.3 kHz）范围下，点阵结构的吸声性能优于实体结构。点阵结构因具有高比表面积[91]、高传热能力和高比强度等特性，也应用于功能热交换器[92]。因为其中相互连接的孔隙利于流体的流动，增强了热交换器的导热性。Wong 等[93]设计了5 种点阵结构散热器，通过在翅片上添加点阵结构，能够有效增加热量传递，如图7（e）所示。Wong等[94]采用SLM 技术制备了八角桁架点阵结构，研究了点阵结构在饱和大气压下的传热性能，与实体结构相比，点阵结构的沸腾传热系数和临界热通量明显增强。当前相关领域的研究表明，SLM 制备的热交换器仍然存在一些问题，主要包括表面粗糙度高、设备成本高及后处理困难等，这些问题都亟待解决。

5 结论

本文总结了近十年来点阵结构的主要分类、工艺协同性、设计方法、性能和应用研究等方面的内容。点阵结构按照设计方法分为均匀点阵和非均匀点阵。其中梯度点阵表现出更优异的力学性能和能量吸收能力，相比均匀点阵，其设计方法更为复杂，制造难度也随之增加。经过良好的几何设计和性能调控，SLM 技术可以高质量、高精确地制造多功能点阵结构，被逐渐应用到各个工业领域。

随着SLM 技术的不断发展，点阵结构设计方法和应用越来越广泛。研究人员通过各种创新方法设计点阵结构，但其性能仍然不能满足复杂工况下的应用需求；在制造精度方面，目前SLM 技术无法制造亚厘米甚至更小尺度、形状更为复杂的点阵结构，这些“痛点”为未来提供了明确的研究方向。

（1）利用点阵结构拓扑形式和孔隙率可调节的特点，在满足承载的前提下，设计出集隔热、减振、吸能、阻尼、热控等功能于一体的多功能点阵结构，并建立完善的性能可控的功能性点阵结构设计与制造体系。

（2）研究并突破现有SLM 技术的制造极限，制造更加轻质、微小尺度的点阵结构并应用于工程领域。

（3）大自然孕育出许多独特的结构，满足自然、人类社会的发展。当前仿生学与增材制造结合的应用迅速增长，从大自然中获取设计灵感，采用数字化的设计手段与SLM技术相结合制造出功能、性能更强的点阵结构。

（4）机器学习和深度学习等人工智能技术得到迅速发展，人工智能技术将为轻量化点阵结构高效、高质量的设计提供新的思路和方法。