在增材制造邁向高分辨率與高性能應(yīng)用的過(guò)程中，如何在微尺度下實(shí)現(xiàn)幾何精度、結(jié)構(gòu)完整性與制造效率的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，仍是一個(gè)核心技術(shù)難題。近期，香港中文大學(xué)團(tuán)隊(duì)與美國(guó)麻省大學(xué)阿默斯特分校、香港理工大學(xué)、倫敦瑪麗女王大學(xué)等單位合作，在International Journal of Extreme Manufacturing發(fā)表論文，提出了一種面向激光粉末床熔融（PBF-LB）系統(tǒng)的無(wú)STL混合路徑規(guī)劃方法，在多個(gè)維度實(shí)現(xiàn)了增材制造技術(shù)的性能提升。

激光掃描路徑工程：(a)PBF-LB打印系統(tǒng)及單道成形示意圖；(b-c)基于STL的旋轉(zhuǎn)掃描路徑及混合路徑對(duì)比示意圖；(d-e)薄壁的EBSD圖；(f)建模處理效率對(duì)比。

該工作系統(tǒng)性地解決了傳統(tǒng)STL模型在處理復(fù)雜殼型結(jié)構(gòu)時(shí)的精度損失與計(jì)算負(fù)擔(dān)問(wèn)題，并顯著改善了打印部件的表面質(zhì)量和力學(xué)性能，具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用潛力。

研究背景與挑戰(zhàn)

殼型晶格結(jié)構(gòu)，尤其是基于三周期最小曲面（TPMS）構(gòu)造的晶格材料，近年來(lái)因其優(yōu)異的力學(xué)性能和比強(qiáng)度，在航空航天、生物醫(yī)療和散熱系統(tǒng)中受到廣泛關(guān)注。然而，這類微尺度結(jié)構(gòu)通常包含大量曲率變化劇烈的薄壁區(qū)域，對(duì)打印路徑、能量輸入和熱穩(wěn)定性提出了更高要求。

傳統(tǒng)PBF-LB路徑生成過(guò)程依賴STL文件格式，其對(duì)隱式函數(shù)的三角網(wǎng)格化處理不僅引入幾何誤差，而且在數(shù)據(jù)規(guī)模較大時(shí)造成顯著的內(nèi)存消耗和處理時(shí)延。此外，常用的掃描策略如R67（67°旋轉(zhuǎn)填充）在面對(duì)高曲率結(jié)構(gòu)時(shí)，易引發(fā)路徑不連續(xù)和能量輸入不均，從而導(dǎo)致打印缺陷和性能退化。

無(wú)STL混合路徑策略

本研究提出的STL-free hybrid toolpath strategy，核心在于跳過(guò)STL網(wǎng)格生成環(huán)節(jié)，直接從隱式函數(shù)構(gòu)建路徑數(shù)據(jù)，避免幾何逼近誤差，提升建模與路徑規(guī)劃效率。該策略將殼型晶格結(jié)構(gòu)劃分為：

薄壁區(qū)域：采用輪廓跟隨式掃描（contour scanning），以提高邊界精度與表面質(zhì)量。

節(jié)點(diǎn)連接區(qū)域：保留改進(jìn)版的R67 掃描策略，以提升結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

點(diǎn)陣的路徑生成示意圖：(a)從函數(shù)生成輪廓/單道路徑;(b)從函數(shù)生成懸垂區(qū)域的旋轉(zhuǎn)路徑;(c-e)梯度或多層級(jí)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的參數(shù)場(chǎng)分布、函數(shù)切片及掃描路徑等。

這種區(qū)域區(qū)分式掃描策略平衡了掃描效率與制造精度，尤其適用于高曲率、薄壁結(jié)構(gòu)的打印場(chǎng)景。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與性能評(píng)估

3D打印系統(tǒng)與材料參數(shù)

實(shí)驗(yàn)使用自研PBF-LB系統(tǒng)（Hans M100μ），激光波長(zhǎng)1070 nm，光斑直徑25 μm，配合氣霧化316L不銹鋼粉末（D50 ≈ 16.3 μm）。路徑規(guī)劃與切片均通過(guò)MATLAB自研算法實(shí)現(xiàn)，支持隱式函數(shù)建模與區(qū)域識(shí)別。

打印參數(shù)對(duì)制造精度的影響: (a) 和 (b) 直接打印的D型TPMS格子結(jié)構(gòu)。 (c) 在不同工具路徑參數(shù)下直接打印的格子的形態(tài)。 (d) SL 和 LHD 對(duì)制造精度的影響。 (e) 掃描路徑數(shù)量對(duì)制造精度的影響。 (f) 三維偏差 (g) 壁厚分布。

3D打印質(zhì)量與幾何精度

相較傳統(tǒng)R67掃描策略，混合路徑策略在以下方面表現(xiàn)更優(yōu)：

最小可打印壁厚：65.3 ± 4.6 μm （ R67 為 75.8 ± 14.6 μm ）

表面粗糙度（Ra）：3.2 μm （ R67 為 9.1 μm ）

厚度一致性提升：變異系數(shù)減少約68%

圖3. 薄壁結(jié)構(gòu)的成形性分析：(a)單道掃描及旋轉(zhuǎn)路徑掃描下的溫度場(chǎng)分布及峰值溫度變化；(b)薄壁的能量輸入穩(wěn)定性分析;(c)不通傾角的薄壁打印質(zhì)量對(duì)比。

此外，計(jì)算效率顯著提高：在同等分辨率與結(jié)構(gòu)復(fù)雜度下，內(nèi)存使用減少90%，路徑生成時(shí)間縮短一個(gè)數(shù)量級(jí)。

力學(xué)性能分析

單壁結(jié)構(gòu)力學(xué)行為

實(shí)驗(yàn)與有限元模擬均表明，混合路徑策略打印的結(jié)構(gòu)具備更優(yōu)的力學(xué)響應(yīng)：

1. 屈服強(qiáng)度提升約10%

2. 有效變形區(qū)域內(nèi)應(yīng)變分布更均勻

3. 表面粗糙度對(duì)局部失效的影響顯著降低

晶體塑性有限元模擬與EBSD分析進(jìn)一步表明，該策略有助于形成更均勻的晶粒組織和較低的晶格取向差異，減少應(yīng)力集中。

晶格結(jié)構(gòu)性能與疲勞行為

在TPMS晶格試樣的循環(huán)拉伸測(cè)試中，混合路徑策略展現(xiàn)出更高的疲勞壽命與損傷耐受性：

1. 屈服強(qiáng)度提升66%

2. 極限強(qiáng)度提升122%

3. 損傷累積速率顯著下降

圖4. 薄壁及點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)：(a)粗糙度的影響；(b)原位同步輻射下揭示薄壁的變形行為;(c) 薄壁結(jié)構(gòu)的晶粒尺寸及取向分布及晶體塑性仿真；(d) 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在循環(huán)加載下的力學(xué)響應(yīng)及損傷演變。

微觀斷口分析顯示，R67路徑樣本存在更多由粗糙表面與應(yīng)力集中引發(fā)的孔隙與裂紋，而混合路徑樣本斷裂面相對(duì)均勻，裂紋擴(kuò)展路徑更短。

應(yīng)用驗(yàn)證：輕量化結(jié)構(gòu)與熱管理部件

GE支架案例驗(yàn)證

研究團(tuán)隊(duì)基于知名的GE輕量化支架案例，通過(guò)TPMS填充結(jié)構(gòu)與兩種路徑策略對(duì)比，結(jié)果顯示：

1. 混合路徑樣本的極限強(qiáng)度提升52%

2. 斷裂能量吸收能力提升超過(guò)5倍

3. 打印時(shí)間減少約40%

微型冷卻板熱性能測(cè)試

使用純銅打印微型冷卻板（25 mm × 25 mm × 6.2 mm），在100 W熱源條件下測(cè)試熱管理性能：

1. 混合路徑冷卻效率為 10.6 °C/s，優(yōu)于R67的 8.0 °C/s

2. 相較傳統(tǒng)管路冷卻結(jié)構(gòu)提升約60%

3. 壓力損失控制在可接受范圍

這些結(jié)果驗(yàn)證了該策略在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、表面要求高的功能性部件中的實(shí)際應(yīng)用潛力。

結(jié)論與展望

本研究提出并驗(yàn)證了一種高效、精準(zhǔn)的無(wú)STL混合路徑規(guī)劃方法，為微尺度金屬殼型晶格結(jié)構(gòu)的增材制造提供了可行路徑。該策略在提升打印精度、強(qiáng)化力學(xué)性能、降低計(jì)算成本方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，適用于對(duì)表面質(zhì)量、結(jié)構(gòu)一致性要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景。

未來(lái)研究可圍繞以下方向深入：

材料適應(yīng)性擴(kuò)展：如高熵合金、鈦合金等更具挑戰(zhàn)性的材料體系；

路徑參數(shù)自適應(yīng)優(yōu)化：結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)或基于物理模型的反饋機(jī)制；

微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控：實(shí)現(xiàn)性能梯度或功能集成的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造一體化。

論文信息

論文題目：

Laser additive manufacturing of high-resolution microscale shell lattices by toolpath engineering

作者單位：

香港中文大學(xué)、馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校、香港理工大學(xué)、上海交通大學(xué)等

發(fā)表期刊：

International Journal of Extreme Manufacturing (IJEM)

DOI：

10.1088/2631-7990/ae01ff

影響因子：

IJEM 2025

JCR

影響因子為

21.3

，在工程

制造領(lǐng)域排名第一。

注：本文由3D打印技術(shù)參考創(chuàng)作，未經(jīng)聯(lián)系授權(quán)，謝絕轉(zhuǎn)載。

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