《Materials & Design》：Integrated metal MEX manufacturing of bimetallic TPMS-core sandwich panels for lightweight structural applications
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: 本研究通过材料挤出(MEX)增材制造技术，开发了一种一体化双金属三周期极小曲面(TPMS)芯夹层结构。研究人员采用17-4 PH沉淀硬化不锈钢作为面板材料，AISI 316L奥氏体不锈钢作为芯体材料，通过单步增材工艺制备了全集成双金属夹层板。研究建立了参数
: 本研究通过材料挤出(MEX)增材制造技术，开发了一种一体化双金属三周期极小曲面(TPMS)芯夹层结构。研究人员采用17-4 PH沉淀硬化不锈钢作为面板材料，AISI 316L奥氏体不锈钢作为芯体材料，通过单步增材工艺制备了全集成双金属夹层板。研究建立了参数化有限元(FE)模型用于预测弯曲行为，该模型能够捕捉材料自接触和多线性各向同性硬化行为。通过ASTM C393标准三点弯曲试验和数字图像相关(DIC)技术对制造样品的力学性能进行了实验验证。研究结果表明，夹层板的制造限制与可打印性约束和烧结行为密切相关，而力学响应主要由芯体拓扑结构和相对密度决定。Diamond拓扑结构在弯曲模量和强度方面均优于Gyroid结构，实验获得的弯曲模量范围为28.10至55.51 GPa，弯曲强度范围为198.41至255.08 MPa。与单一工艺和混合工艺制造的参考结构相比，所制备的双金属夹层板在刚度和强度与密度的比值方面表现出超过两倍的比力学性能优势。研究验证了通过一体化增材工艺制造结构功能型双金属夹层板的可行性，为该类结构在先进工程应用中的部署奠定了制造-结构-性能关系的基础。
**论文解读文章**:
本研究聚焦于通过集成金属材料挤出(MEX)增材制造技术制备双金属三周期极小曲面(TPMS)芯夹层结构，并对其结构性能进行了系统研究。该工作发表于《Materials》期刊。
**一、研究背景与意义**
夹层复合结构长期被用作轻量化结构解决方案，其通过将材料有效分离为两个刚性面板和厚而轻质的芯体，实现高比刚度和优异的抗弯强度。夹层板的力学性能高度依赖于芯体的结构和材料，芯体增加弯曲惯性矩、承受横向剪切应力并降低整体密度。因此，芯体的合理选择可实现对刚性、抗冲击性和多功能性能的定制，满足运输、海洋和航空航天应用需求。然而，传统芯体(如铝蜂窝、聚合物泡沫和Nomex芳纶纤维蜂窝芯)通过成型、扩张或模压工艺制造，存在几何限制，难以实现复杂的仿生架构。尽管天然细胞系统展示了优化的应力分布和损伤容限，但受限于传统制造工艺，其向工程夹层结构的转化一直受限。
增材制造(AM)的快速发展彻底改变了这一设计范式，能够直接从数字模型制造具有几何复杂性的多孔固体。逐层制造消除了模具限制，允许对拓扑结构、密度和内部架构进行可控变化。然而，大多数增材制造夹层板局限于单材料制造。混合夹层概念虽然结合了刚性面板和异种材料轻质芯体，但传统上依赖顺序组装工艺，引入了影响结构可靠性的界面。在多材料金属AM领域，由于不同合金在熔点、热膨胀和冶金相容性方面的差异，扩展至夹层结构面临重大挑战。尽管多材料金属AM在复杂几何和异种合金冶金结合方面已趋成熟，但研究重点仍主要局限于微观结构表征和界面完整性，对于面板级结构性能和承载夹层架构的整合仍研究不足。
在此背景下，17-4 PH和AISI 316L不锈钢构成了一对理想材料组合，兼具前者的高强度和高韧性以及后者的延展性和耐腐蚀性，且两者在MEX烧结循环内具有完全的工艺兼容性。本研究旨在解决目前阻碍AM双金属夹层板结构应用的两个互补挑战：一是验证能够预测弯曲行为的稳健数值方法，二是建立完整AM工作流程，制造无需后续连接工序的全集成双金属夹层板。
研究人员通过三点弯曲试验和显微镜成像表征验证数值方法，评估结构完整性和失效机制，并对单步全增材工艺制造的可行性进行评价，与单一工艺和混合工艺制造的夹层板进行性能对比。
**二、主要关键技术方法**
本研究采用了以下关键技术手段开展研究：首先，采用自开发的TPMSgen开源程序设计了Gyroid和Diamond两种壳型三周期极小曲面芯体结构，使用SolidWorks创建面板并通过Makerbot切片软件分配材料；其次，在ANSYS中利用显式动力学求解器建立了参数化弹塑性全几何有限元(FE)模型，该模型充分考虑了材料自接触和多线性各向同性硬化行为，共模拟了67种不同组合构型；第三，利用配备双喷嘴的Makerbot Method X桌面打印机制造了一体化双金属夹层板，采用BASF Ultrafuse 17-4 PH和AISI 316L金属-聚合物复合丝材；第四，在ELNIK Systems GmbH进行了催化脱脂和纯氢气氛高温烧结处理；最后，按照ASTM C393标准实施三点弯曲测试，结合三维数字图像相关(DIC)技术进行全场变形分析。
**三、研究结果**
**1. 制造工艺可靠性**
表2数据表明，制造的样品尺寸与软件估算一致，为补偿脱脂烧结收缩设置了Δx=Δy=+18%、Δz=+20%的过大尺寸。共生产54个打印件，其中10%因打印机0.4mm喷嘴配置无法制造具有最小壁厚的特征而不可制造。部分样品出现三类制造缺陷：(i)面板-芯体脱粘，归因于打印过程中喷嘴材料积聚并在脱脂烧结后恶化；(ii)面板-芯体连接处的面裂纹，仅在芯壁较薄的样品中出现，随壁厚增加逐渐消失；(iii)夹层板面板层间剥离。缺陷(ii)和(iii)仅在脱脂烧结后出现，根源在于17-4 PH和AISI 316L在相同烧结条件下不同的致密化行为产生的热致应力。整体缺陷率为12.5%。除局部缺陷外，成功制造的样品界面连续且结合良好，未检测到分层、界面裂纹或脱粘现象，证实了单步制造路线的稳健性。
**2. 有限元模型验证**
通过与Ashby解析表达式对比验证FE模型的准确性。对7种夹层板构型的模拟结果显示，数值结果与解析解高度一致(R2=0.9655)，验证了该FE模型能够仅基于组成材料性能准确预测混合夹层结构的弯曲响应，无需额外的材料校准。
**3. 芯体与双金属夹层结构性能**
图5表明，Diamond芯体在所有相对密度范围内均表现出更高的弯曲模量，在高密度下刚度可达Gyroid结构的约四倍。Gyroid拓扑在高相对密度下表现出刚度增长速率逐渐降低的趋势，而Diamond芯体呈现近线性比例关系。弯曲强度方面Diamond芯体也优于Gyroid结构，约高出两倍。实验与数值对比显示两处主要偏差：数值预测强度偏高，归因于制造缺陷和显式求解器的残余惯性效应；数值模型未能完整再现控制断裂和坍塌的失效机制。但变形场的DIC与数值对比显示了良好一致性。
图7显示，芯体拓扑、相对密度和面板厚度比(f)可在29.98至150.45 GPa弯曲模量、200.44至769.12 MPa弯曲强度、1740至6384 kg/m3密度范围内实现性能调控。薄面板(f=0.135)配置在性能-重量比方面最为高效。Diamond构型一致地实现更高刚度和强度，但延展性较无面板芯体降低，归因于17-4 PH面板控制失效起始机制。失效分析(表3)显示，所有样品均在载荷杆处失效，主要失效模式为面板-芯体脱粘和下面板断裂。成功制造样品中不存在广泛界面缺陷，表明异种材料间实现了有效冶金结合。
**4. 与参考材料的性能对比**
与单一工艺(LPBF、MEX等)和混合工艺制造的夹层板相比，MMEX双金属夹层板展现出优越的刚度-密度比和强度-密度比。使用17-4 PH薄面板使刚度相比20%相对密度裸芯提升7至10倍，而质量仅增加9-12.5%。双金属夹层板趋近甚至超越由聚合物、金属和工程陶瓷构成的材料性能上限边界，验证了设计策略的有效性和制造工艺的可靠性。
**四、讨论与结论**
制造方面的主要限制包括打印阶段的最小可打印特征尺寸限制和脱脂烧结阶段薄壁结构可行性问题，不同合金间的差异致密化行为可诱导缺陷。数值结果表明弯曲模量、弯曲强度和结构重量可通过芯体拓扑、相对密度和夹层构型的合理选择实现有效定制。失效分析揭示以面板-芯体脱粘和下面板失效为主导的一致性机制，成功样品中不存在广泛界面缺陷。FE方法能够准确捕获弹性响应并可靠预测弯曲强度，但未能重现实验观察到的面板-芯体脱粘渐进损伤机制，未来需加入先进的损伤建模策略。
**研究结论**：通过单步增材工艺制造结合17-4 PH和AISI 316L两种异种不锈钢的双金属夹层板具备技术可行性。实验验证获得的弯曲模量范围为28.10至55.51 GPa，弯曲强度范围为198.41至255.08 MPa。相比单一工艺和混合工艺制造的参考结构，双金属夹层板在刚度和强度-密度比方面实现超过两倍的比力学性能提升。研究结果表明，MMEX工艺具备制造结构高效多材料金属夹层板的潜力，制造诱导缺陷是延展性降低的部分原因，持续改进工艺控制和材料相容性有望进一步提升力学性能并拓展其工程应用范围。
