增材制造成型机械超材料的研究进展及展望

张振杰，龙芋宏，徐榕蔚，刘清原，周辽，黄平，蓝高强

(桂林电子科技大学机电工程学院，广西桂林 541004)

0 前言

增材制造(也称3D打印技术)作为第三次科技革命的重要推动力之一，已经在人们的生产生活中占据了重要的地位。激光选区熔化技术是如今应用最广泛的激光增材制造技术之一。增材制造技术解决了传统制造技术无法成型“复杂零件”的难题，但是利用增材制造技术加工制造零件时所耗费的打印成本比较高，而且传统零件结构利用增材制造技术加工制造时无法充分发挥增材制造的优势。因此人们提出了对激光增材制造技术成型高性能复杂轻量化结构的研究，为航空航天、船舶、汽车、医疗等领域轻量化金属构件性能和功能的突破带来了新的契机。相关研究表明：轻量化结构在减轻质量的同时节约了成本，对构件性能的要求也越来越高，因此集成多功能的构件显得尤为重要。目前，对于增材制造轻量化的研究主要分为材料轻量化和结构轻量化。由于使用的轻质材料普遍种类较少且价格昂贵，而在零件的结构优化方面仍然有很大的发展空间，因此出现了越来越多针对零件结构优化的研究。“超材料”(Metamaterials，MMs)就是目前最受关注的一种。由于超材料本身结构复杂，使用传统成型工艺制造困难，而增材制造技术在成型复杂结构时具有一定的优势，因此为超材料的制造成型提供了一种有效的方法。机械超材料是超材料的一种，是一种具有特殊功能的多孔晶格点阵结构，如图1所示。它们具有相对密度小、比强度高、比刚度大、单位体积表面积大、吸附容量大等特点，在吸能减震、消声降噪、电磁屏蔽、透气透水、隔热换热等性能方面显示出了自身的特色，可作为功能材料和结构材料广泛应用于一些高科技领域和普通工业领域。零泊松比板壳结构就是一种新型的机械超材料，它是通过对晶格结构的设计和不同物理参数材料的分布来实现超材料的功能。

图1 机械超材料——点阵晶格多孔结构

1 增材制造轻量化研究背景与现状

增材制造技术是诞生于20世纪80年代的一种快速成型技术，该技术基于分层制造原理，对材料逐层累加，“从下而上”地将实体零件制造出来，使很多复杂零件实现了“自由制造”的可能。相对于传统的“减材制造”来说，增材制造的优势在于柔性高、无模具、材料利用率高、耗时短、成型结构更复杂、成型结构不受限。激光增材制造技术以激光为能量源，通过高密度的能量对复杂的、不易加工的材料进行制造，如钛合金、高温合金、铁基合金、铝合金、难熔合金、非晶合金、陶瓷以及梯度材料等。目前，高性能化和轻量化构件成为该领域的一个热门方向。通常将金属增材制造分为3种：激光选区熔化(Selective Laser Melting，SLM)、激光近净成型(Laser Engineered Net Shaping，LENS)和电子束选区熔化(EBSM)。激光选区熔化是其中应用较为广泛的技术之一。

激光选区熔化技术(SLM)最早是在1989年由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的DECHARD提出的，由于一开始只能烧结一些熔点较低的非金属材料，因此称之为选择性激光烧结技术(Selective Laser Sintering，SLS)。之后，随着大功率激光器的快速发展，SLS技术逐渐发展成为SLM技术。SLM技术是一种利用高能激光束的精细聚焦光斑将金属粉末快速熔化并且快速冷却凝固的成型技术，可以直接获得几乎任意形状且具有完全冶金结合的功能零件，致密度几乎可以达到100%，是一种极具发展潜力的快速成型技术。

一次完整的激光选区熔化过程包括三维模型绘制、切片生成二维平面图形、导入打印机设备、设置工艺参数、样品成型等步骤，其成型原理如图2所示。通过送粉活塞上移送粉、铺粉辊铺粉、成型活塞下移成型实现一层完整的成型，由此逐层累积，完成一次成型过程。同时，为防止金属粉末在高温情况下氧化而影响成型效果，整个过程须在无氧环境中进行，一般向成型腔内通入保护气体。

图2 激光选区熔化成形原理

随着激光选区熔化技术的发展，高性能化和轻量化成为现在最大的需求和挑战。目前，为实现增材制造轻量化的要求，一般有2种途径，分别是材料轻量化和结构设计轻量化。在材料轻量化方面，对于传统的铸铁、铸钢等不锈钢材料，用铝合金、钛合金、镁合金以及高分子复合材料等轻质材料来替代；在结构设计轻量化方面，结构优化一般分为尺寸优化、形状优化和拓扑优化。拓扑优化作为结构优化的一个重要组成部分，其主要思想是寻求一种能够根据给定负载情况、约束条件和性能指标，在指定区域内对材料分布进行优化的数学方法，使系统材料发挥最大利用率。一般通过对原有结构进行拓扑优化后，对得到的优化结构用薄壁加筋、一体化实现中空夹层、镂空点阵等来代替传统的结构设计。若在对结构进行优化的基础上再选择合适的轻质材料对零件进行加工，就可以实现集材料-结构-性能于一身的激光增材制造技术。未来，材料、结构与性能的结合在增材制造轻量化领域的应用将会发挥更大的作用。由于轻质材料成本高、花费巨大，因此不适合广泛地用于增材制造，而结构优化大大减少了材料的使用以满足轻量化的需求，同时还能保证零件具有更高的性能。

2 增材制造技术成型超材料研究背景与现状

图3 泡沫结构(a)蜂窝结构(b)

但是由于传统天然结构本身不规则，大大增加了结构的设计难度，受到制造技术的限制，在利用增材制造技术制造时很难成型。泡沫结构因为它天然的形态而在力学性能方面表现出较低的弹性和塑性，而蜂窝结构虽然机械效率优异，但是它强烈的各向异性大大限制了在实际中的应用。因此，对于结构的优化势在必行。另外，随着材料与结构的发展，自然材料所具备的天然性能已经不能满足人们对于材料性能的需求，因此，一些天然材料所不具备的超常物理性质的人造结构或复合材料，或者是某些性能超出自然材料极限的人造材料——“超材料”开始进入人们的视野中。“超材料”应运而生，它本质上就是一种优化的、新型的、具有独特优异性能的人造复合结构。

“超材料”这个概念源于具有负折射率的左手材料的提出，之后出现了各种各样的超材料，根据其应用领域的不同，主要将其分为4种，即电磁超材料、声学超材料、热学超材料以及机械超材料。机械超材料是超材料的一种，如图4所示。它实现了自然界传统材料无法实现的性能，目标是获得理想的力学参数，包括泊松比、模量等，同时还可以达到超强超轻的目标。

图4 不同结构的机械超材料

近年来，随着增材制造的不断发展，人造超材料的设计空间大大增加，大量新的超材料结构不断涌现。桁架结构、三重周期极小表面晶格(TPMS)结构、壳格结构、板状结构、板壳状结构等越来越多的新型轻质超材料结构被设计出来，并在实验中得到验证，实现了良好的可制造性。同时这些超材料也为结构优化指出一条新的道路，图5所示为2种典型的利用增材制造技术成型的晶格结构。

图5 2种常见晶格结构

晶格结构是一种排列有序的开孔三维结构，由一个或多个重复单元组成，是一种均匀化的机械超材料。关于晶格结构有2个重要的参数被提出，晶格拓扑(即晶格的连通性)和晶格几何形状(即晶格的尺寸和晶格内支柱的尺寸)，通过改变这2个参数可以得到不同特性的晶格结构。晶格结构区别于传统的天然泡沫结构和蜂窝结构的特点在于它是一种规则的多孔结构。最早出现的桁架结构的支柱连接处总会不可避免地出现应力集中，如图6所示为几种参数不同的桁架胞元及其阵列成型的桁架点阵晶格结构，而单一、周期、连续、平滑弯曲的壳组成的壳状结构便很好地克服了节点的这一弱点。

图6 单元桁架结构及其阵列成型的点阵结构

壳格结构作为一种新型人造结构，如图7所示，由一系列不相交的壳组成周期性结构，同时这种开孔壳结构具有分离2种流体相的特征。LEE等设计了一种新型低密度壳状结构材料，并验证其刚度和强度优于相同密度的泡沫和桁架结构。HAN等制造了一种回转壳状结构，并证明其比能量吸收率几乎是BCC晶格结构的三倍。BONATTI和MOHR设计了一种壳状结构，并验证其在20%的相对密度下的强度和能量吸收率是传统点阵的近两倍。CHEN等设计了一种拉伸主导的壳格结构，表明其在相对密度低的情况下具有高的能量吸收率，同时具有最佳的减震力学性能，并验证了壳格结构非常稳定、坚固。BONATTI与MOHR使用参数化表面平滑函数设计了不同相对密度的壳格结构，并验证这种壳格结构比同等质量的最佳桁架结构提供高得多的刚度和强度，同时具有更高的抗压缩性和能量吸收能力。

图7 三种壳单元晶格结构

此外，BONATTI与MOHR发现了一种具有特殊比能量吸收能力的机械超材料，并表明它们特别适合作为分层超材料设计中的高阶结构，因为它与TPMS结构类似，被称为“类TPMS结构”。

大量实验证明：大多数壳格超材料结构在克服桁架结构应力集中缺点的同时，表现出了比桁架结构更优的机械性能以及能量吸收能力，未来壳格结构将表现出更加显著的优势。图8所示为使用SLM技术成型的一种壳格结构。

图8 SLM成型的壳状晶格结构

随之出现的还有板状结构，即由闭孔板组成的闭孔板晶格，TANCOGNE-DEJEAN等通过对简单立方(SC)、体心立方(BCC)和面心立方(FCC)3种基本板晶格的混合搭配提出了几种不同类型的各向同性板晶格，并证明了板状结构具有较优异的力学性能。但是闭孔板结构由于其内部空间的封闭性，在使用SLM成型时，封闭腔内容易造成卡粉，使粉末难以流出。因此，DUAN等创新了一种具有优异的力学性能和良好的增材制造可制造性的开孔板格结构，并表明板状结构的性能要优于传统的桁架格结构和光滑壳格结构，是一种在未来具有很好发展趋势的轻质机械超材料。图9所示为一种SLM成型的开孔板状结构。

图9 SLM成型的开孔板状晶格结构

2.1 机械超材料——零泊松比结构研究现状

根据材料在拉伸或压缩时的横向变形效应，超材料可以概括为三类：正泊松比、负泊松比和零泊松比材料。图10显示了具有不同泊松比的3种典型变形模式。自然界多数材料具有正泊松比(PPR)特性。近年来，零泊松比(ZPR，力学特性见图11)结构因在飞行器制造、医疗器械等领域的潜在应用价值，逐渐被开始研究。ZPR植入物在组织生长过程中可根据载荷调节结构且无膨胀挤压，利于创面愈合和新组织生长。在密封件设计领域，ZPR密封体无需调节厚度；在可变形飞翼领域，ZPR结构可避免变形中结构刚度升高和曲率畸变。

图10 3种泊松比示意

图11 零泊松比结构应用

零泊松比结构(ZPR)是由负泊松比结构(NPR)演变而来的，ZPR结构的发展与图12(a)所示的蜂巢结构密不可分：图12(a)中凹角演化为图12(b)形式的负泊松比(NPR)胞元，然后演化出具有ZPR特性的半凹角结构、混合结构、四角星结构。ZPR胞元受载时，载荷方向与载荷法向几乎不产生耦合作用，所以变形过程中载荷法向很少产生形变。

图12 特殊泊松比相关变形蜂窝结构演变

负泊松比材料，最早由EVANS等在1991年提出，在机械超材料中起着重要作用。这一现象主要归因于其独特的微观结构和复合材料设计，并可改善机械性能，如增强的剪切模量、耐压痕性、断裂韧性和冲击能量吸收等。负泊松比超材料在单轴压缩(拉伸)下会发生横向收缩(膨胀)，因此引起了工程界的广泛兴趣。负泊松比超材料在抗剪切性、能量吸收能力和抗压痕性方面具有特殊的力学性能。然而，在医疗设备、传感器、防护设备和软机器人领域，需要零泊松比细胞超材料的单向变形，即在单轴压缩下不发生横向收缩。

零泊松比超材料独特的力学性质来自于它们的基底、晶格结构和积分方法。当前，特殊泊松比(ZPR和NPR)结构的研究多集中在二维的线性小应变情况。然而特殊泊松比结构对应变值很敏感，比较缺乏大应变范围内ZPR结构的研究。CABRAS和BRUN提出了3D棒状的晶格结构具有小应变下的特殊泊松比特性，通过胞元内部组件的刚度差异调控泊松比。大应变范围保持特殊泊松比特性的结构中，具有代表性的是一种被称为bucklicrystal的结构，可以在较大应变下保持NPR特性。HUANG等提出了一种零泊松比超材料，并建立了其等效弯曲模量的理论表达式。这种材料在不降低横向剪切刚度和弯曲刚度的情况下提高了平面外弯曲柔度。GONG等提出了一种四尖星零泊松比的蜂窝超材料，实现了2个正交方向的变形，并且不引起非变形方向等效弹性模量的增加来抑制泊松效应。CLAUSEN等创造了一种新的建筑超材料，其可编程泊松比在0～0.8之间，在高达20%或更大的变形下显示出几乎恒定的泊松比。DEL BROCCOLO等报道了一种混合零泊松比蜂窝超材料，具有交替的六边形和凹六边形蜂窝晶格，在不降低结构变形能力的情况下，材料的承载能力显著提高。XU等研究了金属混合蜂窝超材料在面内压缩下的力学性能和吸能能力。随着增材制造技术的发展，三维特殊泊松比结构已经陆续被制造出来。REN等通过打印金属材料，深入研究了屈曲效应引致的NPR结构。HUANG等用3D打印实验和数值方法研究了橡胶状结构的特殊泊松比特性。ANDREASSEN等设计了3D各向同性的特殊泊松比结构并进行了实验。然而，特殊泊松比结构的研究多集中在NPR结构，ZPR胞元结构设计和力学性能测试十分欠缺。特别是在较大应变下仍然保持ZPR特性的3D胞元结构设计方法很不完善，目前多采用拓扑优化方法预测大范围应变情况下的ZPR胞元。因此越来越多的人展开了对具有零泊松比性能的机械超材料的设计与研究。

2.2 超材料的应用前景

对于超材料的研究充满了机遇和挑战，为许多的科学原理在不同领域的实际应用提供了可能，同时也为人们解决许多重大难题提供了一种全新的思路。现在超材料多应用于军事国防等特殊领域中，但是未来超材料的应用一定会更具多样化。超材料的应用和研究已经开始向声、热、力等领域延伸，特别是力学领域的机械超材料。声学超材料的新型隔声技术有望实现军事装备的声学隐身，使其不被探测设备探测到；热学超材料所具有的可控热辐射和可控热传导的特性，有望为作战设备穿上热隐身外衣，实现热学隐身，躲避敌方侦测，同时还可以减少恶劣气候带来的伤害。在力学领域，机械超材料所具有的零、负泊松比特性，可用于制造耐拉伸材料、耐压缩材料、具有良好吸能效果材料、轻质高强度材料等，在航天航空、医疗等领域有广泛的应用前景。当超材料的个性化独特微结构设计与增材制造技术形成完美契合之时，两者之间相互整合协同创新，正开启全面推进超材料创新设计和制造的新格局。

3 结论与展望

增材制造技术的不断发展为成型复杂结构提供了可能，而机械超材料本身结构复杂，成型困难，因此增材制造技术是一种适合于制造机械超材料的方法，同时对超材料的研究也可以促进增材制造技术的进一步发展。随着增材制造技术的发展和不断创新的材料和工艺，许多不同类型的产物被设计、制造、实验验证，甚至得到了性能更高的成型构件。但是不同的增材制造技术有不同的特点，如成型材料、尺寸、分辨率和表面质量都有显著差异。在超材料制造方面，需要根据所需材料的结构和特点选择合适的技术，正如南京航天航空大学的顾冬冬团队提出的材料-结构-性能一体化的选区激光成型技术，满足了“在不同的位置选择合适的材料”以及“通过特殊的结构实现特殊的功能”的需求。

但是，在对具有零泊松比特性的机械超材料进行设计时，仍存在许多难题。当前ZPR胞元结构设计存在的问题主要有：(a)ZPR胞元结构的设计多从NPR胞元结构演化而来，然而现有NPR胞元种类有限、变形机制单一；(b)包括ZPR结构在内的特殊泊松比胞元多是2D形式，由杆或者条状组件构成，所以承载能力较低；(c)特殊泊松比结构的研究往往在小应变条件下进行，需要研究3D形式的在大应变范围内仍保持ZPR特性的胞元结构。针对上述问题，做出了如下展望：

(1)由于泊松比可以表示为=-/，实体材料受压时压应变(-)往往造成法向材料膨胀产生。传统胞元结构由于内部组件的相互作用，受压时往往也具有相同现象。为了实现零泊松比特性，胞元结构在受载过程中法向载荷的应变值()应尽量降低，即应当设计出具有法向应变解耦的结构。

(2)和传统的杆式胞元结构相比，具有立方对称关系的板壳胞元在同等质量前提下具有更大的刚度，但板壳胞元在组合过程中容易出现封闭腔室，在SLM制造过程中粉末无法排除，因此需要考虑在板壳胞元上布置孔隙以提高SLM可打印性。