综述：金属晶格结构的增材制造：技术、机械性能、应用及未来趋势的全面综述

《Materials Today Physics》：Additive Manufacturing of Metal Lattice Structures: A comprehensive review of technologies, mechanical properties, applications, and future trends

系统综述选择性激光熔化（SLM）、电子束熔化（EBM）和激光成型网 shaping（LENS）三种技术在金属 lattice结构制造中的应用，揭示工艺-微观结构-性能内在关联，总结强度-延展性-韧性等性能权衡，并通过航空航天和生物医学案例预测多材料打印、智能控制等未来趋势。

　　近年来，随着科学技术的不断进步，增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术在多个领域中展现出巨大的潜力和应用价值。特别是在金属晶格结构的制造方面，AM技术通过逐层堆积的方式，能够实现传统工艺难以完成的复杂几何形状和内部结构，为轻量化设计、高性能材料应用以及特殊功能组件的开发提供了新的可能性。然而，尽管已有大量研究关注AM在金属晶格结构制造中的应用，现有的综述文章大多停留在宏观层面的概述，缺乏对具体技术选择标准、多拓扑结构的微观力学机制以及内在性能权衡的深入探讨。本文旨在填补这一空白，系统地回顾三种主要的AM技术——选择性激光熔化（Selective Laser Melting, SLM）、电子束熔化（Electron Beam Melting, EBM）和激光工程净成形（Laser Engineered Net Shaping, LENS）——在制造金属晶格结构方面的工艺能力边界，并首次提供一个基于性能需求的定量技术选择比较。此外，本文还超越了传统对晶格类型的基本描述，深入分析了从传统桁架和板状结构向先进拓扑结构如三周期极小曲面（Triple-Periodic Minimal Surfaces, TPMS）的转变趋势，揭示了这些结构在微观力学行为、性能优势以及失效机制方面的特性。最后，本文深刻阐述了增材制造中特有的“工艺-微观结构-性能”关系，对快速凝固和热循环过程中出现的“强度-延展性-韧性”等性能权衡进行了批判性总结，并强调了缺陷在各向异性疲劳性能中的主导作用。通过在航空航天和生物医学等领域的典型案例研究，本文还展望了未来可能的发展趋势，包括多材料打印、智能控制以及微纳米晶格结构的探索。本文的目标是为金属晶格结构的精确设计和可靠制造提供系统化的理论框架和实践指导。

在传统制造方法中，晶格结构的制备通常依赖于失蜡铸造、气相沉积和板料折弯等工艺，这些方法能够制造简单的晶格结构，但难以满足复杂结构的需求。制造复杂的晶格结构往往需要高精度模具或特殊加工设备，而这些设备的使用不仅增加了制造成本，也限制了设计的自由度。相比之下，增材制造技术通过逐层堆积材料的方式，克服了传统制造方法的局限，使得复杂内部结构的晶格组件得以实现。AM技术的这一特性使其在航空航天、医疗、汽车等需要高强轻质材料的行业中的应用尤为突出。尤其是在航空航天领域，晶格结构因其优异的强度与质量比，逐渐成为新型材料和结构设计的重要组成部分。

晶格结构作为一种具有周期性孔隙或腔体的三维结构，通常由一系列相互连接的支撑点、杆件和面组成。这种结构的核心在于其单元的排列方式，这直接影响了整体的力学性能。例如，传统的蜂窝结构以其六边形单元和高度对称性而著称，这种结构在减轻重量的同时，能够满足一定的刚度和强度要求。然而，随着技术的发展，研究人员开始探索更复杂的拓扑结构，如三周期极小曲面（TPMS）等，这些结构在机械性能、材料利用效率和轻量化设计方面展现出更显著的优势。本文不仅关注晶格结构的类型和设计原则，还深入探讨了AM技术如何影响材料的微观结构和宏观性能，揭示了不同制造工艺对晶格结构的微观力学行为和失效机制的影响。

在AM技术中，金属晶格结构的制造通常涉及粉末床熔融（Powder Bed Fusion, PBF）等工艺。PBF技术通过将金属粉末铺设在基板上，然后利用激光或电子束进行局部熔化，逐层构建出所需的三维结构。这一过程的特殊性在于其能够实现高精度的制造，同时允许对材料分布进行优化设计，从而在满足力学性能的前提下，最大程度地减少材料的使用。此外，AM技术还能够实现对材料微观结构的精确控制，这对于提升材料的性能具有重要意义。例如，快速凝固和热循环等AM特有的工艺过程，不仅影响了金属材料的微观结构，还导致了“强度-延展性-韧性”等性能之间的权衡。因此，理解AM技术对材料微观结构和性能的影响，是实现高性能晶格结构制造的关键。

本文还特别关注了AM技术在实际应用中的挑战和未来发展趋势。尽管AM技术在制造金属晶格结构方面具有诸多优势，但在实际应用过程中仍面临一些问题，例如如何在不同应用场景中设计最优的晶格结构，如何在机械性能与材料利用率之间取得平衡，以及如何解决表面质量、制造精度、材料选择和定制材料性能等问题。这些问题不仅影响了AM技术的广泛应用，也成为了当前研究的热点。为了应对这些挑战，未来的发展趋势可能包括多材料打印技术，该技术能够在同一组件中实现多种材料的集成，从而提升结构的多功能性和性能；智能控制技术，该技术能够通过实时监测和反馈机制优化制造过程，提高制造精度和效率；以及微纳米晶格结构的探索，这些结构由于尺寸更小，可能在特定应用中展现出更优异的性能。

此外，本文还通过案例研究，展示了AM制造的晶格结构在不同行业中的应用潜力。在航空航天领域，AM制造的晶格结构可以用于制造轻质高强度的发动机部件和结构件，从而提高飞行器的燃油效率和性能。在生物医学领域，AM制造的晶格结构可以用于制造人工骨骼、牙科植入物等生物相容性材料，这些材料不仅具有良好的力学性能，还能够适应人体组织的复杂需求。在汽车工业中，AM制造的晶格结构可以用于制造轻量化的车身部件和安全结构，从而提高车辆的安全性和燃油经济性。这些案例研究表明，AM制造的晶格结构在多个领域中都具有广泛的应用前景。

本文的结构安排也体现了对这一领域的系统性研究。第二章介绍了目前主流的AM技术（SLM、EBM和LENS）及其工作原理和特点，为读者提供了对这些技术的基本了解。第三章则深入探讨了晶格结构的定义、主要类型（如桁架、板状结构和TPMS）以及其核心设计原则。第四章系统分析了AM技术对金属材料微观结构、机械性能和耐腐蚀性能的影响，揭示了工艺过程与材料性能之间的关系。第五章详细介绍了AM制造的晶格结构在航空航天、生物医学和汽车等行业的典型应用案例，展示了其在实际工程中的价值。第六章则展望了AM晶格结构技术的未来发展趋势和关键挑战，为后续研究提供了方向和思路。

综上所述，本文通过对AM技术在金属晶格结构制造中的系统性回顾和分析，不仅揭示了不同制造工艺的性能边界和适用范围，还深入探讨了晶格结构的设计原则、微观力学行为和失效机制。此外，本文还强调了AM技术对材料性能的影响，特别是在快速凝固和热循环过程中可能出现的性能权衡。通过案例研究和未来趋势分析，本文为AM技术在金属晶格结构制造中的应用提供了理论支持和实践指导，有助于推动该技术在更多领域的深入发展和广泛应用。