面向增材制造的仿生点阵结构研究现状

摘要：仿生点阵结构在航空航天领域中有着非常广泛的应用，近年来发展起来对增材制造技术为复杂的仿生点阵结构研究提供了新的技术途径。本文简要介绍了增材制造在点阵结构研究中的应用、仿生学在材料结构设计中的应用和增材制造仿生点阵结构设计等方面的发展现状，并对发展趋势进行了讨论，旨在推动增材制造仿生点阵结构在实际工程中的应用。

关键词：增材制造：点阵结构；仿生学

在航空航天领域中，轻量化设计一直是研究的重点之一。即使是细微的重量减轻，也能给飞行器的总体性能带来显著的提升[1]。随着航空航天业的发展，传统块体材料已经逐渐难以满足轻量化、力学、功能等特殊要求。多孔结构因其特殊的几何构造和功能性，已经在人工制品中收到了广泛的应用，常出现于各行各业的减重设计中。与拓扑优化等其他点阵设计方法相比，仿生学设计更具有针对性和灵活性，为新的点阵结构的设计提供了新的思路。近年来，增材制造技术的发展推动了轻量化结构在航空航天领域的工程应用，以往结构设计上的诸多限制与约束被进一步解放，使得仿生结构这类复杂的几何结构的设计与制造变为可能[2]。增材制造和复合材料的结合更是成为生物材料领域进行仿生设计和原理分析的主流方法之一。对于具有复杂载荷边界的异型构件，可通过内部点阵填充设计，在实现极致轻量化的同时兼顾优异的多功能与承载特性，并且能够极大缩短构件的研制周期。

本文围绕增材制造仿生点阵结构的优点进行概述，介绍了点阵结构的发展现状、增材制造在点阵结构研究中的应用和仿生学在结构材料设计的应用现状，旨在推动增材制造仿生点阵结构在实际工程中的应用。

1.点阵结构的发展现状

点阵结构与传统结构相比在性能上具有更优的质轻、高比强、高比刚、高吸能等多功能潜力，在结构上具有微观结构有序、可设计性强等特点，在国内外被认为是在航空航天领域中最有前景的新一代先进轻质超强韧结构。基于点阵填充的航空发动机零件可以减少制备生产周期、满足基本力学性能要求的同时进一步提高零件的比强度、比刚度。我国航天科技集团五院总部研制了目前国际上首个基于3D打印点阵的整星结构，千乘一号卫星中点阵结构的成功应用标志着航天器主承力结构的3D打印点阵结构技术趋于成熟。此外，我国已将轻量化点阵结构应用于C919飞机、卫星面板、卫星天线和动车高铁中。我国首次在卫星外壳的内部填充轻质点阵结构，实现卫星整体减重15%，在汽车散热器中应用点阵结构设计，在减轻散热器重量的同时减轻汽车整体质量，提高散热能力。

近年来，随着点阵结构的高比强、高机械效率、高能量吸收率等力学性能优势逐渐显现，我国多所高校以及多所航空院等研究院都加大了对点阵结构的研究。其中具有不同密度或微结构配置的晶格梯度设计、多层结构、多种单胞结构等策略能够调整能量吸收性能，显示出与均匀晶格结构相比更高的吸能优势。其中，从低密度层到高密度层塌陷的功能梯度晶格能够控制变形行为获得最优的吸能效应。已有设计中主要通过改变单胞支撑直径、单胞类型和单胞结构等梯度晶格的变化策略进行优化。

2.增材制造在点阵结构研究现状

早在20世纪末，国内外学者就从理论上证实点阵结构是大幅度降低结构相对密度、同时保证可靠力学性能的最有效技术路径。随着增材制造技术的出现，极大提升了优化设计的自由度，使得复杂拓扑结构与点阵结构有了制造的可能性。增材制造技术是一种以三维建模为基础的新兴制造技术，同时已经受到了国内外学者及工程人员的广泛关注。传统制造主要以减材加工为主，而增材制造是以逐层累积的方法成型，可以制造任意复杂的结构，为拓扑优化与点阵优化提供了制造可能。波音公司于2015年展示了一种特殊的基于点阵单元的多孔微结构材料，构成该材料的基本元素是互相连接的空心金属管。材料整体的密度仅为 0.9mg/cm3，甚至低于大部分常见的塑料，波音公司将把这种结构材料用于飞机的设计制造中，无疑会使飞机的重量进一步下降，从而提高燃油效率。增材制造三维点阵结构的另一显著优势是结构功能一体化，传统设计中热控结构与承力结构往往采用分离设计制造，采用点阵结构设计之后二者可耦合设计，并可通过增材制造一体化成形。

总的来看，增材制造点阵结构在航空航天领域中具有广阔的应用空间，在实现极致轻量化的同时兼顾优异的多功能与承载特性，并且能够极大缩短构件的研制周期。

3. 仿生学在结构材料设计中的应用现状

大自然中，生物为适应环境的多样性进化出多种特定结构满足生存的需求。自然界中存在的功能结构，是自然演化后优选出来的结果，它们不仅符合自然规律，同时对特定环境具有高度适应性。在长期的生产实践生活中，基于人类特有的思维和设计模仿能力，一门生物学与工程技术的交叉学科—仿生学应运而生。仿生学是人们根据自然界各种生物体的结构与功能设计出新型的结构、材料、设备用于生产社会中，不断提升探索自然的能力。近年来，仿生点阵结构的设计因其潜在的实现高力学性能和轻质功能材料的能力而引起了广泛的关注。

许多研究根据所需结构的应用环境寻找具有相似功能性的生物结构进行仿生设计，所模仿的自然结构种类多，基于仿生方法设计的结构类型也很多。近年来在工程领域中使用仿生方法来设计新型结构的研究增加。

4.增材制造仿生点阵结构技术应用现状

仿生点阵结构普遍具有复杂程度高，结构尺度小等特点，传统锻造、铸造以及切削加工和变形加工方式为主的二次加工难以满足复杂仿生结构的制造需求。成型周期短且自由度高的增材制造技术使其已成为制备仿生结构的重要手段。尤其是利用增材制造技术制备的具有优异吸收能量能力和力学性能的仿生新型轻量化结构在航空航天、汽车和医疗等工程领域具有越来越广泛的应用。工程应用证明增材技术可以有效地制造具有复杂结构的部件，为仿生结构复杂的结构构型的实现提供了新的技术路线。另一方面，仿生设计的新型结构和增材制造技术的联合使用促进了高性能的结构功能一体化部件的制造。金属部件的增材制造可以通过几种以粉末和金属丝为母材的加工技术来实现。

以金属粉末为增材制造的成型工艺有LPBF技术和粘结剂喷射成型技术，均称为粉末床工艺。LPBF工艺避免了粘结剂收缩变形过程导致结构尺寸误差，在于制造高精度、高致密度的复杂结构件具有独特优势，基于分层叠加制造原理可以直接精确地构建任意复杂形状的零件。随着技术的快速发展，已经成功制造出高性能、复杂结构的全致密部件。

5.总结

近10年来，在增材制造技术的基础上，通过对三维点阵结构“形”的创新设计与“性”的表征和控制，在航空航天等领域催生出了一系列具有颠覆性突破的研究成果。总体上讲，材料、结构、功能一体化设计方法是未来需要重点关注的研究方向，多材料、多尺度、多层级等结构的物理与几何特征，以及多功能或特定功能的耦合特征或场景逆向驱动，给增材制造点阵结构的设计与应用带来了诸多挑战。本文简要介绍了多孔结构，增材制造技术、仿生学在多孔结构中的应用现状，和增材制造仿生点阵结构的现状。期待本研究为增材制造的仿生点阵结构的发展提供一定的思考与借鉴。

参考文献：

[1]喻长江.面向增材制造的仿生微结构建模及质量检测技术研究[D].南京航空航天大学，2020.

[2]段晟昱， 王潘丁， 刘畅， 等. 增材制造三维点阵结构设计、优化与性能表征方法研究进展[J]. 航空制造技术， 2022， 65（14）： 36–48， 57.

基金项目：沈阳航空航天大学大学生创新创业训练项目资助（D202311202223451468）