南洋理工大学：通过增材制造微结构设计，增强轻质机械超材料机械性能

南洋理工大学：通过增材制造微结构设计，增强轻质机械超材料机械性能

增材制造（AM）技术的出现，为制造具有复杂几何特征的轻质机械超材料开辟了新途径。南洋理工大学周坤教授团队通过优化微观结构和结构设计，显著提升了超材料的机械性能。研究团队采用激光粉末床熔接技术制备了具有球形孔的立方板格，并通过调整构建方向，成功将印刷板晶格的抗压强度提高了30%，应变提高了10%。这一创新性研究为优化增材制造的超材料性能开辟了新路径。

机械超材料是一类新型建筑材料，通过合理设计的几何形状实现卓越的机械性能和独特响应。这些材料具有高刚度、极高的强度重量比、增强的能量吸收能力等优点。计算建模的发展，特别是人工智能的集成，已经彻底改变了设计领域，使复杂几何形状的创建和机械超材料的逆功能设计成为可能。

然而，传统制造方法无法生产这些复杂结构。新兴的增材制造（AM）技术通过逐层制造模式，能够以极高的精度创建复杂的几何形状。这一进步导致了八元桁架微晶格的发展，这种微晶格通过几乎各向同性的微尺度单元格网络来实现超轻和超硬的机械性能。

增材制造提供的制造自由促进了许多增强超材料的新设计。例如，“元晶”晶格结构被设计和制造，以允许从类似晶界、沉淀和非均相第二相硬化的单位细胞中实现硬化机制。机械超材料的设计也受到了生物材料和复合材料概念的启发。

增材制造工艺的另一个好处是冷却速度快，这可以导致特定材料的实质性改进。例如，与铸造和锻造合金相比，AM生产的不锈钢和高熵合金通常同时表现出强度和延展性的增强。这些微观结构特征是由所采用的增材制造工艺参数决定的。

本研究通过使用激光粉末床熔融（LPBF）系统的增材制造设计来提高板晶格的机械性能。通过战略性地整合结构几何和微观结构特征，通过简单而有效的印刷策略——倾斜构建方向来微调板格的特性。因此，这种方法产生了自然多样的晶体结构和精细的晶粒，从而显著提高了能量吸收。

相关研究成果以“Additive manufacturing of metallic metamaterials with enhanced mechanical properties enabled by microstructural and structural design”发表在International Journal of Machine Tools and Manufacture上。

图1所示。介绍了板基空心简单立方（HSC）晶格的设计原理和几何结构，以及孔径对其力学性能的影响。（a） LPBF技术板基简单立方结构的概念发展。（b） SC单元格和（c）带小孔的空心简单立方单元格中粉末颗粒的流动性示意图，其中孔和可能的粉末去除路径分别用红色圆圈和黑色箭头表示。基于板的HSC结构的概念布局及其假设的晶粒生长，最大热梯度方向，以及（d）垂直方向（VO）和（e）倾斜（TO）的扫描策略，黄色箭头指向LPBF制造样品中的翘曲水平板。

图2所示。HSC格架的设计与结构分析。（a）典型的基于简单立方板的RVE模型和带有几何参数注释的4 × 4 × 4 HSC结构的等距视图和正面视图。（b）不同孔径下RVE模型的杨氏模量（S:小;M:中等;L:大）。有限元分析与实验结果对比：（c）不同孔径HSC结构对应的比模量，（d）比平台应力，（e）能量吸收能力，（f）不同孔径HSC结构的应力-应变曲线。误差带表示平均值的±SD (n = 3)。