三维多孔结构的激光增材：结构设计、微观结构、力学性能及应用

摘要：近日，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在《Journal of Materials Research and Technology》上发表了一篇题为《Laser Additive Manufacturing of thre

导读

近日，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在《Journal of Materials Research and Technology》上发表了一篇题为 《Laser Additive Manufacturing of three-dimensional porous structures: Structural design, microstructure, mechanical properties and applications》 的综述论文。该研究聚焦于三维多孔结构在激光增材制造（LAM）中的设计、微观组织与力学性能优化，并探讨了其在航空航天与生物医疗等领域的潜在应用。

摘要

三维多孔结构是一种复杂网络结构，由相互连通或部分连通的孔隙组成，因其轻质、高渗透性、良好的能量吸收能力以及优异的生物相容性而被广泛应用于航空航天与生物医学工程。然而，传统加工方式难以精准控制多孔结构的相关参数，并保证形状精度和制造稳定性，这极大地限制了其应用范围。激光增材制造（LAM）则通过高能激光束的逐层堆积成型，具备设计自由度高、成型与性能高度一体化以及高精度的特点，有效解决了传统工艺的瓶颈问题。

该研究基于激光增材制造技术，对三维多孔结构的设计方法、工艺原理、结构性能、微观组织演变及其应用领域进行了系统总结，并展望了未来的发展方向。

引言

三维多孔结构是由众多相互连通或部分连通的孔隙构成的结构形式，其孔隙的形态、尺寸、分布及孔隙率可以根据不同的制备方法与应用需求进行调控。常见的多孔结构包括泡沫结构、晶格结构等，这些结构具备高渗透性、优异的能量吸收能力、高比表面积以及良好的生物相容性，广泛应用于航空航天、生物医学治疗及个人防护领域。

传统制备三维多孔结构的方法包括烧结、压制等，这些工艺尽管成熟，但难以实现对孔隙参数的精准控制，且成型精度难以保障。激光增材制造（Laser Additive Manufacturing, LAM）是一种基于数字模型的制造技术，通过高能激光作为能量源，将粉末材料逐层熔融堆叠，构建出三维实体。LAM 技术的高自由度、精准控制及优异的内部组织优化能力，使其在多孔结构的设计与制造方面展现出巨大的潜力。

结果与分析

研究团队探讨了三维多孔结构的多种设计方法，包括：

几何形态设计：基于立方体、八面体、菱形等基础单元构建出三维多孔网络（见图 1）。数学优化设计：引入三周期最小曲面（TPMS）结构，实现更高的控制精度（见图 2）。人工智能设计：利用深度学习与神经网络对结构性能进行预测与优化，显著提升多孔结构的强度与减重效果（见图 3）。