金属点阵结构增材制造综述

金属点阵结构因其轻质、高比强度、高比刚度、优异能量吸收能力、可调孔隙率和多功能集成潜力，已成为航空航天、生物医疗、汽车、能源等领域的研究热点。增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术——尤其是粉末床熔融中的选区激光熔化（SLM）、电子束熔化（EBM）以及定向能量沉积中的激光近净成形（LENS）——为复杂金属点阵结构的可控制造提供了前所未有的设计自由度。然而，现有综述多停留在一般性概述，缺乏对技术选择准则、多拓扑结构微观力学机制以及固有性能权衡的深入分析。

发表于 Materials Today Physics（Volume 59, 2025, 101933）的这篇综述文章，由上海工程技术大学研究团队联合上海齐耀动力技术有限公司完成。

文章针对上述问题，系统构建了涵盖“技术—结构—工艺—组织—性能—应用—趋势”的全链条评述框架，首次面向性能需求对SLM、EBM、LENS 三种主流技术进行了量化技术选择比较，并深入分析了从传统桁架/板结构向三周期极小曲面（TPMS）等先进拓扑转变的范式意义，为高性能金属点阵结构的精准设计与可靠制造提供了系统理论框架和实践指南。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2025.101933

相关研究成果以“Additive manufacturing of metal lattice structures: A comprehensive review of technologies, mechanical properties, applications, and future trends”为题发表在 Materials Today Physics 上。

三种金属增材制造技术对比

文章首先回顾了AM的定义、ISO/ASTM 七类划分及发展历程，展示了AM及点阵结构研究文献的快速增长趋势。随后，文章重点比较了SLM、EBM和LENS三种技术：SLM利用激光在惰性气氛中选择性熔化金属粉末，特征分辨率高（约20–100 μm），适合制造高精度桁架、板点阵和TPMS结构，但存在残余应力大、需支撑结构等问题；EBM在真空环境中利用电子束熔化粉末，基板预热温度高（600–1000°C），成型效率高、残余应力低、无需支撑，适合大规模高温合金点阵，但表面较粗糙；LENS采用同步送粉和激光熔化，适合大尺寸零件、功能梯度材料和修复再制造，但精度较低（约100–500 μm），难以制造精细微点阵。从分辨率、构建速率、构建体积、表面质量、支撑需求、常用材料、适用点阵类型及优缺点等维度对三者进行了系统对比，为技术选择提供了决策支持。

图1.增材制造的发展进程

点阵结构的定义、分类与设计方法

文章将周期性点阵结构分为桁架点阵（TLS）、板点阵（PLS）和TPMS点阵三类。

桁架点阵由杆和节点组成，其力学行为可用Maxwell准则判断，分为弯曲主导和拉伸主导两类；板点阵以连续薄板或曲板承载，在低相对密度下刚度可达桁架结构的数倍，但存在粉末排出、支撑设计和最小板厚限制；TPMS点阵以数学隐函数定义，具有光滑、零平均曲率、自支撑、可调孔隙率和高疲劳寿命等优势，列出了Gyroid、Schwarz P、Schwarz D、Diamond、Neovius等典型TPMS的数学表达式。

图2.常见的TPMS晶格结构

文章指出，TPMS代表了从传统工程结构模仿向自然启发、数学最优几何设计的范式转变。此外，文章还讨论了功能梯度点阵、多尺度融合以及微/纳点阵（如双光子光刻、化学镀、原子层沉积、前驱体热解等）的独特尺寸效应和超高比强度。系统比较了三类点阵的变形机制、刚度/强度、能量吸收行为和失效模式；总结了拓扑优化、生成设计、AI/ML性能预测与逆向设计、多物理场仿真等先进设计方法的核心原理、优势与局限。

图3.不同激光功率和扫描速度对增材制造中晶粒大小的影响

增材制造金属材料的组织演化与力学性能

文章第4章全面综述了增材制造金属材料的组织演化与力学性能。

快速凝固和反复热循环导致细晶、柱状晶、非平衡相和强织构，例如Ti-6Al-4V中形成针状α′马氏体，IN718中γ′、γ″和δ相析出行为受热循环影响。

文章系统分析了孔隙、未熔合、匙孔、热裂纹、冷裂纹、表面粗糙和球化等缺陷的形成机制及其对性能的影响，并指出工艺参数（激光功率、扫描速度、层厚、矢量长度等）对熔池形态、致密化和晶粒结构具有决定性作用。在力学性能方面，AM材料通常强度、硬度较高，但塑性、韧性和疲劳性能受缺陷、残余应力和各向异性制约；热等静压、退火等后处理可显著改善性能。在腐蚀性能方面，晶粒细化通常提高耐蚀性，但元素偏析、孔隙和粗糙表面会降低耐蚀性，添加石墨烯、SiC、TiC等增强颗粒可细化晶粒并稳定钝化膜。文章最后指出，AM金属材料面临“强度—塑性—韧性—疲劳—腐蚀—高温性能”之间的复杂权衡，需要从单一性能优化转向多物理场耦合的协同设计。

图4.(a) 激光功率、扫描速度和扫描层厚度对SLM制备的奥氏体不锈钢316L硬度的影响(b) 对 SLM 制造的 IN718、AS 打印样品以及三种热处理样品的建筑表面、侧面和边缘的显微硬度比较

图5.(a)、(b) 垂直表面的 Sa 值：(a) 相对于熔池的宽度；(b) 相对于熔池的深度；(c) 顶部粗糙度，处理速度为 100 mm/s；(d) 顶部粗糙度，处理速度为 400 mm/s

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增材制造金属点阵结构典型应用

航空航天领域利用点阵结构实现减重、承力、热管理和耐蚀设计，部分结构减重可超过50%，但制造可靠性、检测复杂性和长期疲劳数据不足仍是瓶颈；生物医疗领域利用点阵结构降低弹性模量、避免应力屏蔽、促进骨整合，TPMS骨支架和个性化植入体前景广阔，但长期疲劳、感染风险、取出困难和标准缺失仍需解决；汽车领域将点阵结构用于轻量化、碰撞吸能、电池热管理和结构集成，10%减重可带来约6–8%燃油效率提升；此外，能源热交换器、建筑、国防、体育用品和电子散热等领域也展现出广泛应用潜力，展示了点阵结构在航空发动机和骨科植入物中的应用案例。

未来发展趋势与关键挑战

未来方向包括多材料打印、自动化与智能控制、高精度与高速制造、更多应用领域拓展等。关键挑战则包括：工艺标准化与质量一致性控制、缺陷形成机制与主动控制、跨尺度性能预测与数字孪生、多材料与功能梯度结构集成、可持续制造与全生命周期评估。文章指出，金属点阵结构增材制造必须从追求“极端性能”转向实现“可预测、可靠、可重复”的性能，通过设计、材料、工艺和后处理全链条协同创新，才能推动其大规模工业应用。

这篇综述以其系统性和前瞻性，为金属点阵结构增材制造领域提供了一份“技术—结构—性能—应用”全景图。其核心价值在于：第一，打破了以往综述偏重一般概述的局限，首次面向性能需求对SLM、EBM、LENS进行量化技术选择比较；第二，系统比较了桁架、板和TPMS三类点阵的微观力学行为、性能优势和失效机制；第三，深入阐明了增材制造点阵结构特有的“工艺—微观组织—性能”关系，总结了强度—塑性—韧性—疲劳—腐蚀之间的内在权衡；第四，结合航空航天、生物医疗、汽车等应用案例，指出了多材料、智能化、高精度和可持续制造等未来方向。

转载自：

文献信息

标题：Additive manufacturing of metal lattice structures: A comprehensive review of technologies, mechanical properties, applications, and future trends

期刊：Materials Today Physics

卷号：Volume 59, 2025, 101933

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