激光AM三维多孔结构：结构设计、微观组织、力学性能与应用研究

摘要：茅台学院酿酒工程自动化系和重庆大学装备机械传动国家重点实验室的科研人员报道了激光增材制造三维多孔结构：结构设计、微观组织、力学性能与应用研究进展。相关论文以“Laser Additive Manufacturing of three-dimensional p

长三角G60激光联盟导读

茅台学院酿酒工程自动化系和重庆大学装备机械传动国家重点实验室的科研人员报道了激光增材制造三维多孔结构：结构设计、微观组织、力学性能与应用研究进展。相关论文以“Laser Additive Manufacturing of three-dimensional porous structures: Structural design, microstructure, mechanical properties and applications”为题发表在《Journal of Materials Research and Technology》上。

三维多孔结构是由相互贯通或部分贯通的孔隙组成的复杂网络结构，具有轻质、高渗透性、优异的能量吸收与缓冲性能、高比表面积以及良好生物相容性等优势，在航空航天、生物医学工程等领域应用广泛。然而传统加工方法因其结构相对复杂，难以控制相关参数并保证形状精度与制造稳定性，极大限制了其应用范围。激光增材制造技术（LAM）具有设计自由度大、成形与性能一体化程度高、精度高等优势，可实现三维多孔结构的高质量制造。在实际应用过程中，不同材料三维多孔结构与LAM工艺的结合，为航空航天构件减重、生物医疗植入体等制造领域提供了巨大潜力。基于此，本文从LAM制造三维多孔结构的结构设计方法、工艺原理、结构性能、微观组织演变及应用领域等方面综述了相关研究进展。最后对LAM制造三维多孔结构的未来发展进行了展望，以期为相关领域研究提供参考。

图1.LAM制备三维多孔结构概述

图2.基于几何形状的三维多孔结构单元设计

图3.TPMS基本单元形貌

图4.均质TPMS多孔结构

图5.梯度TPMS多孔结构设计

图6.复合三维多孔结构设计

图7.LAM工艺示意图：(a)SLM；(b)SLS；(c)LPBF

图8.LAM制备多孔结构的孔隙特征：(a)孔隙率3.5%-46.1%的GH4196多孔结构；(b)孔隙率60%的钽多孔结构；(c)孔隙率57.8%的Ti及58.9%的Gr/Ti复合材料多孔结构；(d)三种孔隙率的CP-Ti与Ti-TiB复合材料多孔结构；(e)三种孔隙率的Ti-6Al-4V多孔结构

图9.Ti6Al4V合金三维多孔结构及微观组织

图10.SLS制备三维SiC陶瓷多孔结构及微观组织

图11.SLS制备FAHSs/PA12三维多孔结构及微观组织

图12.三维多孔结构及其微观组织形貌

图13.改善多孔结构力学性能的缺陷处理方法

图14.原位监测技术在LAM制备多孔结构中的应用

图15.LAM制备三维多孔结构在机械领域的应用：(a)LPBF制备316L不锈钢三维多孔吸液芯结构；(b)LPBF制备高表面积换热器；(c)SLS制备三维仿生轻木结构泡沫压电能量收集器；(d)SLS制备TPE三维多孔自行车头盔；(e)SLM制备316L不锈钢与Inconel 625三维多孔过滤器；(f)SLM制备多孔汽车连杆

图16.LAM制备三维多孔结构在航空航天领域的应用：(a)SLM制备优化卫星转接负载接头；(b)SLM制备航空发动机风扇叶片；(c)SLM制备空客商用飞机舱隔板；(d)导弹牵引头伺服框架；(e)LPBF制备飞行器金属夹层板；(f)SLM制备火箭格栅发动机

图17.LAM制备多孔结构在生物医学领域的应用

图18.LAM制备多孔结构在储能领域的应用：(a)激光合成多孔碳基/非碳基纳米材料在储能领域的最新应用进展；(b)LAM制备MoS2层状多孔结构在储能领域的应用流程与原理；(c)LPBF制备石墨/尼龙多孔电极

激光增材制造（LAM）制备三维多孔结构已成为机械、航空航天、生物医学工程等领域的关注焦点。多年来，在绿色轻量化设计需求的推动下，三维多孔结构逐渐发展为多学科交叉的研究热点。

从研究现状看，研究者利用LAM制备三维多孔结构，一定程度上促进了异形结构精密制造的发展，拓宽了结构设计与材料的应用领域，提升了先进设计方法与先进制造技术的结合水平。但由于工艺过程中设计与结果存在差距，本文认为LAM制备三维多孔结构仍需在以下方面深入研究：

1)三维多孔结构后处理工艺优化

LAM制备的三维多孔结构常伴随内部裂纹等缺陷，严重影响结构性能，是制约结构形性一体化高质量发展的主要难题。未来研究可聚焦多孔结构后处理工艺的开发与优化，提升结构形性一体化质量。

2)三维多孔结构原材料体系开发

目前增材制造所用材料与传统加工材料成分相似，LAM加工三维多孔结构亦不例外。然而三维多孔结构的制备过程是多物理场耦合过程，各物理场对材料成分的敏感性不同，成形结构性能可能偏离预期。因此需根据成形工艺特点开发相应材料体系。

3)LAM制备三维多孔结构的机理研究、工艺开发与优化

为实现LAM类三维多孔零件高质量成形，可从以下两方面改进工艺：

深入理解成形过程与机理，如光粉作用机制、熔池演变规律等，结合在线监测与原位同步成像技术实时监控成形过程，实现缺陷早发现早控制；

在深化微观演变与流动特性机理的基础上，研究LAM制备三维多孔结构与微观组织、力学性能的关联性，建立性能评价体系以指导工艺标准制定。

4)LAM制备三维多孔结构的数值模拟

由于LAM制备三维多孔结构的影响因素多、成本高，难以进行全面实时的实验探索。因此需建立更完善的LAM制备三维多孔结构全流程仿真模型，开展更深入、全面、系统的研究。

5)能量场辅助LAM制备三维多孔结构

目前能量场辅助制造已成为研究热点，通过引入能量场可实现结构某项性能的精准调控。但能量场辅助LAM制备三维多孔结构的研究较少且深度不足，未来可重点探索能量场辅助LAM制备三维多孔结构的研究。

6)机器学习与AI驱动的LAM工艺优化需求

当前机器学习与AI驱动的LAM工艺优化虽前景广阔，但仍面临数据获取与标注困难、质量一致性保障、安全与隐私问题等挑战。此外，模型选择与优化、泛化性与可解释性、工艺复杂性与不确定性、实时监控与反馈、多学科融合等问题亦需解决。硬件设备限制、高计算资源需求及成本效益平衡也是重要瓶颈。未来研究可聚焦这些方面的优化，以实现LAM制备三维多孔结构的高性能、形性一体化、智能化与集成化。

7)LAM制备三维多孔结构的先进原位监测技术

先进原位监测技术可实现LAM制备多孔结构的高性能形性一体化制备，但检测过程面临多重挑战：

需高分辨率、高帧率监测设备以捕捉微小缺陷和熔池快速变化状态，但现有技术难以兼顾两方面，且对复杂内结构的全方位无遮挡检测存在困难；

信号处理与分析方面，监测信号复杂且含大量噪声，需进一步优化特征提取与缺陷识别算法，实时处理与反馈控制也存在难度；

不同材料与工艺参数下缺陷表现形式各异，通用缺陷识别模型建立困难，检测系统对不同材料与工艺的适应性也有待提升；

原位监测系统与增材制造设备的集成需考虑空间布局、电磁兼容性，并确保监测过程不影响制造过程；

技术成本高昂，限制了广泛应用。解决这些问题对推动LAM制备三维多孔结构领域发展至关重要。

8)复合LAM技术在提升多孔结构力学性能中的应用

复合LAM制备三维多孔结构对推动结构多功能化与智能化发展具有重要意义。但目前研究表明，该技术仍存在不同材料相容性差、多工艺参数耦合复杂、复杂结构建模困难、内部缺陷检测难度大、质量标准与规范缺失等问题。解决这些问题对实现高质量复合LAM制备三维多孔结构至关重要。

9)设备精度与材料利用效率

尽管LAM在制备多孔结构方面优势显著，但受工业发展水平限制，仍面临重大产业化瓶颈。未来研究可聚焦高精度运动控制系统与原位误差补偿技术以提升设备精度，同时开发闭环粉末回收系统并优化近净成形设计以提高材料利用效率。

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