強度翻倍，效率倍增！新型激光策略讓金屬3D打印點陣性能徹底改觀

在增材制造邁向高分辨率與高性能應用的過程中，如何在微尺度下實現幾何精度、結構完整性與制造效率的協調統一，仍是一個核心技術難題。近期，香港中文大學團隊與美國麻省大學阿默斯特分校、香港理工大學、倫敦瑪麗女王大學等單位合作，在International Journal of Extreme Manufacturing發表論文，提出了一種面向激光粉末床熔融（PBF-LB）系統的無STL混合路徑規劃方法，在多個維度實現了增材制造技術的性能提升。

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

該工作系統性地解決了傳統STL模型在處理復雜殼型結構時的精度損失與計算負擔問題，并顯著改善了打印部件的表面質量和力學性能，具有較強的實際應用潛力。

研究背景與挑戰

殼型晶格結構，尤其是基于三周期最小曲面（TPMS）構造的晶格材料，近年來因其優異的力學性能和比強度，在航空航天、生物醫療和散熱系統中受到廣泛關注。然而，這類微尺度結構通常包含大量曲率變化劇烈的薄壁區域，對打印路徑、能量輸入和熱穩定性提出了更高要求。

傳統PBF-LB路徑生成過程依賴STL文件格式，其對隱式函數的三角網格化處理不僅引入幾何誤差，而且在數據規模較大時造成顯著的內存消耗和處理時延。此外，常用的掃描策略如R67（67°旋轉填充）在面對高曲率結構時，易引發路徑不連續和能量輸入不均，從而導致打印缺陷和性能退化。

無STL混合路徑策略

本研究提出的STL-free hybrid toolpath strategy，核心在于跳過STL網格生成環節，直接從隱式函數構建路徑數據，避免幾何逼近誤差，提升建模與路徑規劃效率。該策略將殼型晶格結構劃分為：

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

節點連接區域：保留改進版的R67 掃描策略，以提升結構穩定性。

點陣的路徑生成示意圖：(a)從函數生成輪廓/單道路徑;(b)從函數生成懸垂區域的旋轉路徑;(c-e)梯度或多層級點陣結構的參數場分布、函數切片及掃描路徑等。

這種區域區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、薄壁結構的打印場景。

實驗系統與性能評估

3D打印系統與材料參數

實驗使用自研PBF-LB系統（Hans M100μ），激光波長1070 nm，光斑直徑25 μm，配合氣霧化316L不銹鋼粉末（D50 ≈ 16.3 μm）。路徑規劃與切片均通過MATLAB自研算法實現，支持隱式函數建模與區域識別。

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

3D打印質量與幾何精度

相較傳統R67掃描策略，混合路徑策略在以下方面表現更優：

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：變異系數減少約68%

圖3. 薄壁結構的成形性分析：(a)單道掃描及旋轉路徑掃描下的溫度場分布及峰值溫度變化；(b)薄壁的能量輸入穩定性分析;(c)不通傾角的薄壁打印質量對比。

此外，計算效率顯著提高：在同等分辨率與結構復雜度下，內存使用減少90%，路徑生成時間縮短一個數量級。

力學性能分析

單壁結構力學行為

實驗與有限元模擬均表明，混合路徑策略打印的結構具備更優的力學響應：

1. 屈服強度提升約10%

2. 有效變形區域內應變分布更均勻

3. 表面粗糙度對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，減少應力集中。

晶格結構性能與疲勞行為

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

1. 屈服強度提升66%

2. 極限強度提升122%

3. 損傷累積速率顯著下降

圖4. 薄壁及點陣結構的力學響應：(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) 薄壁結構的晶粒尺寸及取向分布及晶體塑性仿真；(d) 點陣結構在循環加載下的力學響應及損傷演變。

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

應用驗證：輕量化結構與熱管理部件

GE支架案例驗證

研究團隊基于知名的GE輕量化支架案例，通過TPMS填充結構與兩種路徑策略對比，結果顯示：

1. 混合路徑樣本的極限強度提升52%

2. 斷裂能量吸收能力提升超過5倍

3. 打印時間減少約40%

微型冷卻板熱性能測試

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

1. 混合路徑冷卻效率為 10.6 °C/s，優于R67的 8.0 °C/s

2. 相較傳統管路冷卻結構提升約60%

3. 壓力損失控制在可接受范圍

這些結果驗證了該策略在結構復雜、表面要求高的功能性部件中的實際應用潛力。

結論與展望

本研究提出并驗證了一種高效、精準的無STL混合路徑規劃方法，為微尺度金屬殼型晶格結構的增材制造提供了可行路徑。該策略在提升打印精度、強化力學性能、降低計算成本方面具有明顯優勢，適用于對表面質量、結構一致性要求較高的應用場景。

未來研究可圍繞以下方向深入：

材料適應性擴展：如高熵合金、鈦合金等更具挑戰性的材料體系；

路徑參數自適應優化：結合機器學習或基于物理模型的反饋機制；

微觀結構調控：實現性能梯度或功能集成的結構設計與制造一體化。

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、馬薩諸塞大學阿默斯特分校、香港理工大學、上海交通大學等

發表期刊：

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

制造領域排名第一。

注：本文由3D打印技術參考創作，未經聯系授權，謝絕轉載。

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