几何偏差及其在通过LPBF（激光粉末烧结）制造的薄板晶格结构中的影响

《Additive Manufacturing》：Geometric Deviations and Their Effects in Thin-Plate Lattice Structures Fabricated via LPBF

AlSi10Mg金属板状lattice结构通过LPBF工艺制造时，几何偏差和缺陷显著影响机械性能。研究发现，偏差导致承载质量增加4.4-28.0%，使比刚度下降11.8-31.7%。主要缺陷包括表面粗糙、孔洞尺寸偏差、板交点欠打印和残余粉末，其形成与激光能量密度、沉积路径策略及结构几何特征相关。微CT扫描与有限元分析揭示了非理想几何对应力分布和压缩力学行为的关键影响。

　　

约瑟夫·贝尔特尔（Joseph Berthel）| 杰克·博伊特（Jack Beuth）| 拉胡尔·帕纳特（Rahul Panat）

卡内基梅隆大学（Carnegie Mellon University），福布斯大道5000号（Forbes Ave. 5000），匹兹堡（Pittsburgh），宾夕法尼亚州（Pennsylvania），15213，美国（United States）

摘要

通过激光粉末床熔融（LPBF）技术制造晶格结构具有在低密度下创造出具有优异机械性能的材料的潜力，其中板晶格结构展现了最高的刚度与重量比。然而，LPBF工艺引入的几何偏差和缺陷会导致板晶格的实际形状偏离理想设计，这可能会损害机械性能，并增加密度，而强度却没有相应提高。板晶格的高性能依赖于其相互交叉和倾斜的薄板特征，但这些特征在制造时接近LPBF的分辨率极限，因此特别容易产生偏差。本研究对AlSi10Mg LPBF板晶格结构中的几何偏差和缺陷进行了全面分析，重点探讨了加工条件和几何特征对偏差形成的影响，以及它们对压缩力学性能的负面影响。使用微CT扫描技术研究了板晶格单元格的制造形态，并分析了不同晶格拓扑结构和体积分数下的缺陷严重程度。通过对理想和实际制造出的单元格几何形状进行有限元分析（FEA），评估了应变能量密度分布和由此产生的晶格刚度的差异。FEA结果显示，偏差导致晶格的最小承载质量增加了4.4%至28.0%，使得晶格的比刚度相比理想几何形状降低了11.8%至31.7%。最小承载质量主要来源于表面凸起、粉末排出口周围的夹杂物以及悬垂特征，而关键板交点的重叠部分则会导致应力集中。这项工作揭示了板晶格设计和LPBF制造策略如何影响最终制造的晶格几何形状及其机械性能。

引言

增材制造（AM）凭借其逐层沉积的过程，已经成功制造出传统制造方法无法实现的复杂几何形状[1]。其几何自由度极大地扩展了晶格结构或超材料几何形状的设计空间，因此大量研究致力于设计出具备所需机械、热学、流体或声学特性的晶格[2]、[3]。航空航天[4]、[5]、国防[6]和生物医学[7]等行业中的许多应用都追求高比刚度、高强度和能量吸收性能，这些性能是单一 bulk 材料无法实现的。

已经研究了多种类型的晶格结构，包括桁架结构、三周期最小表面（TPMS）和随机晶格结构，以了解诸如桁架半径或壳体厚度等特征与变形机制及相应机械性能（如弹性模量和屈服强度）之间的关系[9]。然而，这些结构未能达到Hashin-Shtrikman和Suquet提出的弹性模量和屈服强度的理论上限，并且存在较低的屈服后应力，限制了其在轻量化应用中的潜力[10]、[11]、[12]、[13]。最终，伯杰（Berger）等人通过研究板晶格结构实现了这些理论上限[14]。板晶格结构由于其相对均匀的平面内应力和弹性应变能量密度分布，展现出最高的刚度与重量比，这使得其在同等密度下的材料加载效率远高于其他晶格拓扑结构[15]、[16]。除了高弹性模量和屈服强度外，实验测试还证明了其卓越的能量吸收[17]、[18]、低速冲击阻力[19]、[20]、韧性[21]以及各向同性[22]、[23]特性。尽管先前的研究通过理论分析、有限元建模以及基于聚合物或陶瓷的熔融沉积工艺或槽聚合工艺展示了高性能的板晶格结构，但金属板晶格结构具有最大的性能潜力。鉴于许多金属合金的高延展性和良好的强度与重量比，专注于金属板晶格结构为充分发挥这些拓扑结构的潜力提供了最佳机会。

激光粉末床熔融（LPBF）是一种广泛使用的金属增材制造工艺，能够制造出特征尺寸小至100微米的复杂几何形状，使其成为制造金属晶格结构的首选工艺[24]、[25]、[26]。尽管LPBF工艺成熟且稳健，但在沉积过程中激光与熔融金属粉末之间的复杂相互作用不可避免地会导致几何误差，使实际制造的晶格形状偏离理想设计。对于那些具有与制造缺陷相当尺寸的关键结构特征的晶格结构来说，这是一个巨大的挑战[27]。尤其是悬垂表面和薄壁等板晶格特征更容易产生偏差，需要专门的制造策略来确保打印精度[28]、[29]。此外，板晶格会形成封闭的单元区域，这些区域需要适当大小的排粉孔，这也增加了制造难度，必须保证孔的质量[17]、[30]。

由于几何偏差会影响板晶格结构的机械性能并降低其应用效果，因此对其进行全面表征至关重要。然而，复杂的内部几何形状和小特征尺寸使得基于光学或探针的测量方法无法完全揭示存在的偏差[31]。微X射线计算机断层扫描（micro-CT）是一种流行的测量技术，可以生成高分辨率的3D晶格结构重建图像，可以直接与理想设计进行比较[32]、[33]。尽管micro-CT的分辨率限制无法检测到小于1-5微米立方的缺陷，但它足以分辨LPBF过程中出现的显著几何偏差。许多研究利用micro-CT研究了LPBF晶格的制造形态及其对机械性能的影响。刘（Liu）等人和达拉戈（Dallago）等人利用micro-CT观察了桁架晶格的波动性和厚度变化，这些变化显著降低了弹性模量和屈服强度，并改变了晶格的屈服后压缩破坏模式[34]、[35]。通过测量桁架的波动性和厚度变化，刘等人创建了更符合实际的不完美梁单元格模型用于有限元分析（FEA），从而获得了比设计几何形状更准确的应力-应变曲线。贾姆（Jam）等人使用micro-CT评估了LPBF立方桁架晶格的可制造性，并在FEA模拟中直接使用晶格单元格的实体模型来识别应力集中区域[36]。他们发现，桁架表面和交点的不规则性会导致应力集中程度比理想几何形状中的最大应力高出几个数量级。

尽管桁架晶格结构已经得到了充分研究，但据作者所知，尚未有类似的研究全面分析几何偏差对LPBF制造的板晶格结构机械性能的影响。迄今为止的研究主要集中在对LPBF制造的板晶格进行压缩测试，以展示其优异的压缩机械性能[30]、[37]、[38]、[39]、[40]、[41]。这些研究指出，表面粗糙度和表面变化与晶格特征的尺寸相当，可能对板的有效厚度和实验测量的晶格密度产生不可忽视的影响。然而，关于偏差如何影响机械性能的进一步分析尚未进行。图1展示了制造出的板晶格中的缺陷及其对机械性能的负面影响。偏离理想几何形状会导致结构完整性减弱和晶格密度增加，因为这些缺陷使得材料在承载载荷时的效率降低，从而偏离了许多应用所追求的高刚度、低密度特性。除了缺陷对几何形状本身的影响外，它们还会改变打印过程中的热散发，这可能对局部微观结构和机械性能产生负面影响。尽管有这些观察结果，现有文献仍缺乏对板晶格结构中出现的各种缺陷类型的全面评估，以及这些缺陷如何依赖于几何形状和LPBF加工条件，以及哪些缺陷对机械性能的影响最为显著。

本研究对LPBF制造的AlSi10Mg板晶格结构中的几何偏差和缺陷进行了全面表征，并分析了这些偏差如何影响变形力学。制造了具有不同板厚度的多种板晶格拓扑结构，以确定几何特征和加工参数如何影响偏差的严重程度。使用micro-CT捕捉了制造出的单元格几何形状的高分辨率3D模型，以表征和测量偏差。通过这些扫描结果，将缺陷分类并与制造设置、规划的工具路径和晶格几何特征相关联，以确定其原因。对理想和实际制造的单元格几何形状进行了有限元建模，以分析偏差如何影响应变能量密度分布、材料加载效率以及最终的压缩刚度。与以往仅关注孤立缺陷机制或简化几何形状的研究不同，本研究首次全面定量评估了多种LPBF诱导的偏差如何共同影响板晶格的性能。通过关联缺陷形态、制造参数、几何特征以及由此产生的刚度与密度变化，本研究提供了关于哪些偏差最为有害以及哪些晶格设计本质上更稳健的实用见解。本研究识别了LPBF板晶格中存在的几何偏差类型、其形成原因、工艺和几何形状对其严重程度的影响，以及这些偏差对压缩力学性能的负面影响，为未来的设计和制造方法改进提供了指导。

部分摘录

板晶格设计

本研究考虑了简单立方（SC）、体心立方（BCC）和面心立方（FCC）板晶格拓扑结构，并在图2a-c中展示了这些结构，因为它们代表了广泛研究且实际应用中相关的基组拓扑。这些拓扑结构共同涵盖了多种板取向和连接配置，代表了多种晶格设计。体积分数（VF）定义为晶格密度与块体材料密度的比值，对此进行了变化

单元格的一般几何偏差和形态

对制造出的晶格几何形状的分析从偏差图开始，这些偏差图显示了实际制造表面与理想表面的距离（图4）。这些图提供了关于重叠（材料超出理想CAD表面）、欠打印（沉积不足，凹陷到CAD边界内）以及不同拓扑结构和VF下的整体形状不规则性的全面视图。偏差图还附有偏差频率分布，显示了表面偏差的相对频率

结论

本研究全面探讨了几何形状、加工参数和工具路径规划对LPBF板晶格缺陷状况的联合影响。微CT扫描识别出六种板晶格缺陷类型，包括几何偏差、表面粗糙度、粉末排出口的大小和形状误差、板交点欠打印以及孔隙率。在所有缺陷中，特征几何形状、激光线能量密度和工具路径策略都起到了重要作用

作者声明

本研究由陆军研究实验室（Army Research Laboratory）资助，依据合作协议编号W911NF-20-2-0175完成。本文中的观点和结论仅代表作者个人观点，不应被视为陆军研究实验室或美国政府的官方立场或暗示。美国政府有权为政府用途复制和分发本文的副本，无论其中是否包含版权声明

CRediT作者贡献声明

约瑟夫·贝尔特尔（Joseph Berthel）：撰写——初稿撰写、可视化、验证、方法论设计、数据分析、概念构思。拉胡尔·帕纳特（Rahul Panat）：撰写——审稿与编辑、项目监督、项目管理、数据收集、概念构思。杰克·博伊特（Jack Beuth）：撰写——审稿与编辑、项目监督、项目管理、数据分析、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究由陆军研究实验室资助，依据合作协议编号W911NF-20-2-0175完成。本文中的观点和结论仅代表作者个人观点，不应被视为陆军研究实验室或美国政府的官方立场或暗示。美国政府有权为政府用途复制和分发本文的副本，无论其中是否包含版权声明