3D打印技術在點陣結構制造中的優勢

3D打印技術通過逐層添加材料的方式，能夠制造具有復雜幾何構型的點陣結構，充分釋放其輕量化潛力，成為該領域首選制造技術。其中，選擇性激光熔化（Selective Laser Melting, SLM）作為成熟工藝，以加工精密零件著稱，其工藝參數多達100余個，典型參數包括激光功率、掃描速度、掃描方式、層厚及激光軌跡重疊率。

SLM工藝缺陷與性能影響

工藝參數不匹配會導致顯著熱梯度變化，引發殘余熱應力，導致結構內部出現翹曲、裂紋、幾何斷層等缺陷，大幅降低金屬點陣結構的比強度、剛度及能量吸收能力。例如，多孔結構的高比強度特性會因單元細胞缺陷而衰減。

缺陷檢測與安全評估技術

金屬點陣結構因內部結構復雜、吸聲性強等特性，傳統無損檢測難以穿透內部。工業CT技術憑借高穿透性和分辨率，成為觀察復雜晶格內部缺陷的核心手段。通過SLM制備樣件并經CT掃描，可實現缺陷智能識別與安全評估，為結構健康使用提供理論保障。

天然與人工細胞結構材料對比

1. 天然材料啟發與應用

木材、軟木、骨頭等天然細胞結構材料歷經數世紀應用，其結構被現代技術模仿，如人造蜂窩結構和泡沫結構。細胞結構在輕量化與能量吸收應用中具有顯著優勢，但需注意其變形行為特性。

2. 人造細胞結構分類

• 金屬泡沫結構：通過熔融金屬注氣或發泡劑制造，成本較低但細胞排列隨機，導致機械響應不一致，需過度保守設計。
• 金屬點陣結構：區別于泡沫的隨機性，其單元細胞具有規則性與重復性。Gibson定義其為桿/板網狀結構，Ashby強調其單元尺度達毫米/微米級，需作為獨立材料分析力學特性。

3. 點陣結構拓撲分類

• 基于桿的結構：如立方體、八元桁架、金剛石結構，設計簡單但制造與骨固定性能待優化。
• 基于三周期最小表面（TPMS）的結構：如Schoen螺旋二十四面體、Schwartz金剛石結構、Neovius結構，在可制造性與骨固定方面具潛在優勢，但性能對比仍需深入研究。

點陣結構制備技術演進

1. 傳統制備方法局限

• 熔模鑄造：英國劍橋大學提出，受金屬流動性限制，難以制造復雜結構，模具成本高且易產生缺陷。
• 交錯纏繞法：2006年Fan等開發金字塔結構夾層結構，剛度46.0MPa、強度0.77MPa，但波浪形支柱降低性能。
• 擠壓與電火花加工：2007年D.T. Queheillalt采用6061鋁制備金字塔夾層結構，驗證節點性能與桁架/表面一致。

2. 創新制備技術

• 編織法：2010年Yan等開發可控支柱框架的編織方法，制備CFRC夾芯板、殼體等，并設計自動編織機。
• 模型熱壓法：Xiong等采用單向碳纖維-環氧樹脂預浸料制備點陣結構，Wang等測試其面外/面內壓縮性能，發現支柱密度增大可提升力學性能，但連接處為最薄弱環節。
• 纖維纏繞法：2016年Li等制備碳纖維增強波紋夾層筒，實現高強度、剛度與輕量化，并通過強度-基頻優化制備超輕強缸體。

3. 技術挑戰與發展方向

現有方法多限于拓撲簡單結構，設計自由度受限。未來需突破復雜結構制造限制，優化工藝參數匹配性，深化基于桿與TPMS結構的性能對比研究，推動點陣結構在航空航天、汽車等領域的規模化應用。

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