晶格结构是由一个或多个规则重复的晶胞组成的拓扑有序三维开孔结构[1-2]，通过对代表性晶胞的设计和几何形状(晶胞尺寸和支柱尺寸)的改变，可使结构获得各种不同寻常的性能，包括声学[3]、电性能[4]、磁性能[5]、热性能[6-7]和机械性能[8-11]等。晶格结构在商业上的应用前景深远，在生物医学领域[12]，晶格结构可以通过改变相对密度来降低金属植入物的刚度，其更接近人体骨骼刚度，避免应力屏蔽[13]；在航空航天中， 地球返回舱上使用三维晶格吸能结构，火箭卫星使用减振晶格[14-16]；在汽车工程中被用作防撞箱，发动机罩和减震板，还能大幅减轻重量。此外，日常生活中防护头盔，坐垫和运动鞋也大量使用晶格结构[17-20]。然而，要使结构具有优异的性能，就需对晶格进行结构设计，而非常复杂的几何结构，为实际的制造带来了挑战。因此，了解影响晶格可制造性的因素， 将设计好的晶格结构完整地实际制造出来，是目前所面临的难题。
增材制造特别是选择性激光熔化(selective laser melting,SLM)， 通过使用激光能量对金属粉末进行逐层熔融， 由激光选择性扫描以局部融合粉末，从而制造出设计好的形状。 其成形精度高，能够制造出坚固、结构复杂的晶格结构[21-27]，这是传统制造方法无法实现的[28-29]。SLM 在制造中的参数选择，例如激光功率、激光扫描速率、光斑尺寸和粉末厚度等都会对晶格的实际质量产生影响。 厘清各种参数对构件质量的影响，是制备出完整晶格结构的关键。
本文总结并归纳了晶格结构从设计阶段到原材料的选择和最后的选择性激光熔化加工制造全过程中影响其可打印性的因素，并提出提高晶格结构可打印性的方法及未来的发展趋势。
1 晶格结构的设计
晶格结构独特的性能来自于特殊设计的代表性晶胞的拓扑结构， 而不是组成材料的固有属性，通过代表性晶胞的结构设计，可获得各种不同寻常的性能。 可从晶格类型、晶格的相对密度和晶格支柱倾斜程度去设计不同的晶胞以获得具有不同特性的晶格结构。 同时，还应考虑所设计的结构的可打印性。 为确保设计的结构能够成功制造出来，晶格类型、晶格的相对密度和晶格支柱倾斜程度对晶格结构可打印性的影响仍需深入研究。
1.1 晶格类型
晶格类型的设计多种多样，可分为基于支柱的晶格结构，基于三周期最小表面(triply periodic minimal surface,TPMS)晶格结构和基于板的晶格结构。基于支柱的晶格结构是由相同尺寸的杆通过节点连接而成，杆的形状和节点的选择都会影响打印出晶格结构的质量和特性。 由麦克斯韦刚性方程[30]可将基于支柱的晶格结构分为拉伸主导结构和弯曲主导结构，代表性的结构包括体心立方、立方、面心立方、八面体桁架、开尔文泡沫、蜂窝结构等[8,11,31-33]。 基于三周期曲面的晶格结构由平滑的连续薄壳组成，且曲率为0，其使用三角函数定义，代表性的结构是Gyroid 和Diamond， 这种结构的可打印性与薄壳的厚度和倾斜角度有关[34-37]。 基于板的晶格结构通过板边缘相连的薄角板片组成，通常形成闭孔网络，代表性的结构有八面体板结构和立方体板结构。基于板的结构通常会出现大面积的悬垂，对结构的可打印性带来困难[38-40]。 图1 为一些常见的金属晶格结构的晶格设计[41]。目前，基于支柱的晶格结构的研究最为广泛。
图1 金属晶格结构的晶格设计[41]
Fig.1 Common unit-cell designs for architectured metallic materials[41]
1.2 相对密度
晶格结构的相对密度对结构本身的性质有重要影响，根据Gibson-Ashby 模型，可由结构的相对密度来预测其一系列机械、热和电性能，且结构的强度和模量与相对密度表现出正相关。换言之，想要获得轻质高强的结构，就需制造出高相对密度的晶格，但并不是任何相对密度的结构都是可以制造出来的。
Yan 等[42]采用AlSi10Mg 粉末制造体积分数分别为5%、7.5%、10%、12.5%和15%， 晶胞尺寸为3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5 和7 mm 的晶格结构。研究结果表明，该晶格结构在体积分数为7.5%~15%，且晶胞尺寸为3~7 mm 时，结构内没有缺陷或破损，但体积分数为5%时，在3~6.5 mm 晶胞尺寸结构中发现了一些破碎的晶胞。 图2 为体积分数5%和15%的晶格结构微型计算机断层扫描(Micro-CT) 模型和截面对比，5%体积分数时晶格结构的支柱变得非常薄，甚至相邻支柱之间可能会失去连接。
图2 显微CT 重建模型和横截面图像：(a)体积分数=5%，晶胞大小=5 mm；(b)体积分数=15%，晶胞大小=5 mm[42]
Fig.2 Micro-CT reconstruction models and cross-sectional images of the DMLS-manufactured cellular lattice structures at different volume fractions:(a)volume fraction=5%,cell size=5 mm;(b)volume fraction=15%,cell size=5 mm[42]
在另一项研究中，Yan 等[43]通过激光粉末床融熔技术(laser powder bed fusion, LBPF)制造出316L不锈钢陀螺晶格结构，设计的体积分数为6%~12%，晶胞尺寸为5 mm。 结果发现，SLM 制造的与CAD模型一致，但晶格表面非常粗糙，具有曲率和波纹，这可能会导致结构过早失效。 研究还发现，设计的体积分数分别为6%、8%、10%和12%， 而实验体积分数分别为6.51%、8.75%、10.66%和13.12%，与相应的设计值相比分别高出8.5%、9.4%、6.6%和9.3%。 实际制造的体积分数往往比设计的更大， 两者之间的差异体现出晶格结构的可打印相对密度具有一个范围，并不是任意相对密度值都是可打印。Tanlak 等[44]对晶格结构的可打印密度范围进行了数值预测，发现晶格可打印密度范围是与晶格类型、晶格尺寸、粉末尺寸和打印精度有关的函数。在图3 中，实线是晶格的可打印密度下限，虚线代表上限。 可以看出在其他参数不变的情况下，当晶胞尺寸增大，可打印密度范围会逐渐增大，并接近于无穷小粉末假设；相反，当粉末尺寸增大和打印精度变差时，可打印范围变小。研究还发现，不同晶格类型的可打印相对密度也是不同的，如图4 所示。 当粉末无限小，打印精度无限小时， 面心立方结构的相对密度可以达到最大，而八面体结构最小，因为面心立方这些空隙体积与边界保持点连接,可以保证粉末抽离，从而实现高的相对密度。
图3 晶格可打印相对密度上下限[44]
Fig.3 Upper and lower limits of the printable relative density of the lattice[44]
图4 理想假设下几种晶格的相对密度上限[44]
Fig.4 Upper limit of the relative density of several lattices under the assumption[44]
1.3 支柱倾斜角度
晶格结构可看作是由一根根支柱、 连续薄壳或薄板相互连接组成/不同角度支柱规则性排列形成的具有特定形状的结构，支柱的倾斜度、直径和长度会影响晶格结构的可打印性，而且支柱的倾斜程度也存在打印极限。 当支柱的倾斜程度超出可打印范围时，打印的支柱会出现变形或大量熔渣附着等缺陷，从而与设计值偏离。 目前，已经有大量的研究探索了支柱的最小可打印倾斜度， 并解释了支柱缺陷产生的原因。
Leary 等[45]使用SLM 制造倾斜角为0°、35.26°、45°和90°的支柱，探究支柱的可打印性。 发现0°的倾斜角是不可制造的， 但可通过减小支柱长度来增加可制造性， 他们还对支柱的表面粗糙度进行评估， 发现朝下的表面粗糙度比其他表面要高很多，并且支柱的倾斜度越低， 表面粗糙度越高， 如图5所示。
图5 35.26°、45°和90°支柱下表面和上表面的光学显微镜图像[45]
Fig.5 Representative optical microscope images of the lower and upper faces of the 35.26°,45°and 90°struts[45]
Mazur 等[46]对支柱直径从0.3 到1.0 mm，增量为0.1 mm，倾斜角从0°到60°，增量为10°的Ti-6Al-4V晶格支柱的可制造性进行了实验研究。 具体数据见表1，图6 为打印悬臂图。研究确定了最小可制造的倾斜角度20°，最小可制造直径为0.3 mm，并且发现倾斜角为0°、 水平长度为3 mm 支柱的制造是可行的。 水平长度增加，支柱会出现高水平的粉末粘附而导致制造失败。
表1 不同直径和构建角度悬臂支柱倾斜试样的可制造性[46]
Tab.1 Manufacturability of cantilever strut inclination samples with varying diameters and build angles[46]
Note:L=majorflaws,M=someflaws, H=manufacturedsuccessfully
Angle/(°)Diameter/mm 0.30.40.50.60.70.80.91.0 0LLLLLLLL 10MMMMMLLL 20HHHHHHHH 30HHHHHHHH 40HHHHHHHH 50HHHHHHHH 60HHHHHHHH
图6 不同倾斜角度范围和支撑直径0.3~1.0 mm 的预制悬臂支撑测试块试件[46]
Fig.6 Manufactured cantilever strut test block samples with different inclination angles and strut diameters ranging from 0.3~1.0 mm[46]
Zheng 等[47]同样制造了直径范围0.2~1.0 mm，倾斜角10°~60°的晶格支柱。 研究发现，制造的支柱尺寸偏差与支柱直径有较强的相关性， 直径越大时存在的尺寸差异越小，而与支柱的倾斜角度之间没有明确的关系。 倾斜角对支柱表面纹理和表面应力集中因子分布的影响较大，当倾斜角超过50°时，表面纹理分布更加均匀(图7)。
图7 设计和制造支柱之间的几何偏差：(a)形状偏差；(b)尺寸偏差[47]
Fig.7 Geometrical deviation between the designed and manufactured struts:(a)shape deviation;(b)size deviation[47]
Xu 等[48]对晶格结构中螺旋结构和拱桥结构的制造极限进行实验探究， 发现SLM 能制造出倾斜度为60°的表面光滑螺旋结构。倾斜度为45°的下表面会出现结渣，表面光洁度下降，而倾斜度为30°的结构则呈现坍塌， 无法制作。 其还研究了半径为2~18 mm 的一系列拱桥结构的可制造性，发现结构的半径大于10 mm 时，会因坍塌而无法制作。 结构的半径为6、8 或10 mm 时是可以制造的，但拱桥底部的表面光洁度较差。 半径为2 或4 mm 的结构可以制造且表面光滑。 从实验结果来看，拱桥结构半径越大，悬垂越大，也就越容易垮塌。 以上许多研究者都发现低的倾斜角度支柱难以打印，是因为在制造过程中存在的缺陷， 支柱会出现阶梯效应，翘曲和熔渣形成等缺陷使得支柱的形状发生改变最后失效。
阶梯效应[49]是增材制造方法所固有的缺陷，在制造前，用计算机辅助设计模型将部件切成大量薄层，每层薄层之间都会有一部分悬垂的水平长度L：
式中，H 为层厚度；θ 为倾斜角度。θ 的减小会导致悬垂长度L 增大，产生明显的阶梯效应。这会对倾斜支柱的制造质量产生不利影响。
翘曲的形成可用温度梯度机制[50]解释，温度梯度存在于粉末层下方已经制造好的层。 高能激光束扫描的上表面快速加热， 产生了明显陡峭的温度梯度，然后在熔池快速凝固过程中形成热应力，使结构朝着激光行进的方向弯曲。
熔渣[51]会导致制造晶格结构表面的粗糙度大和成形精度差，熔渣的产生原因：①熔融粉末时熔池流动不均匀和凝固收缩；②粉末黏附在支柱表面上。倾斜角度越低的支柱存在的缺陷越多， 往往会使支柱失效。
Jia 等[52]验证了晶格点阵支柱中的缺陷与角度之间的依赖关系，发现相同角度构建的支柱，其支柱中的缺陷遵循相似的分布特征， 水平支柱比垂直支柱遭受更严重的几何缺陷，如更高的表面粗糙度、更大的尺寸偏差和轴向偏移， 这些缺陷破坏了支柱的机械性能。
Zhang 等[53]量化了支柱的可打印性模型：
即，支柱连续可打印性θn 是初始层厚设置h0、支柱直径d、倾角θ、粉末床密度ρPBD 和层数n 的函数。其中， 均匀晶格支柱能成功打印的最小阀值φn≈0.9。当θn 值小于0.9， 支柱中存在过多的缺陷而不能成功打印。制造了165 个Ti-6Al-4V 支柱样品，图8 显示了所制造的Ti-6Al-4V 晶格支柱的视图与φ 之间的关系。
图8 EB-PBF 生产的Ti-6Al-4V 型支柱在不同θ 下φ-min 与支柱形貌的对应关系：(a)θ=5°;(b) θ=10°;(c)θ=15°;(d) θ=35°[52]
Fig.8 Correspondence between φ-min and strut morphology for Ti-6Al-4 V struts manufactured via EB-PBF at different θ values:(a)θ=5°;(b) θ=10°;(c)θ=15°;(d) θ=35°[52]
Delroisse 等[54]对倾斜支柱(35.5°)和垂直(90°)支柱的微观结构进行分析，发现垂直支柱呈现出完全致密的均匀微观结构，但倾斜支柱中存在大孔隙率和不均匀微观结构， 而且支柱底部与顶部相比，孔隙率要大得多。 倾斜支柱形成两个不同微观结构区的原因是制造过程中的热量传输条件不同， 如图9所示。图9a 为垂直支柱，热量自上而下直接传输；图9b 为倾斜支柱的热量传输，分别流向已经冷却的先前下层(斜向下红色箭头)和流向未熔化的周围粉末床，从而形成顶部精细的A 区和底部更粗糙的树突状B 区。图10 为倾斜支柱的微观结构。B 区的冷却速率比A 区慢，这是因为粉末充当了隔热体，使其在高温保持了更长时间，导致结构粗化。 其中，A 区与垂直支柱的微观结构相同。
图9 垂直和倾斜支柱的热量传输条件示意图：(a)垂直支柱；(b)倾斜支柱；(c)扫描策略.红色箭头表示热通量密度和方向[54]
Fig.9 Schematic diagram of the heat transfer conditions for vertical and inclined struts:(a)vertical struts;(b)inclined struts;(c)scanning strategies.Here,the red arrows indicate the heat flux density and direction[54]
图10 倾斜支柱的显微组织：(a)显微组织；(b)上部A 区呈现出精细的微观结构；(c)下部B 区呈现出较粗的细胞树突状微观结构[54]
Fig.10 Microstructure in an inclined strut:(a)microstructure;(b)fine microstructure in upper zone A;(c)coarser cellular dendritic microstructure in lower zone B[54]
综上所述， 学者们对晶格结构设计影响可打印性的众多研究结果表明： ①晶格结构的代表性晶胞可以被设计为多种晶格类型， 每种晶格类型的可打印性不同。 ②即使在理想条件下， 每种晶格类型也存在最大的可打印相对密度限制， 晶格的可打印相对密度范围受晶格类型、晶格尺寸、粉末尺寸和打印精度的影响。③当倾斜角度降低，所打印的支柱存在的缺陷会随着倾斜角的降低而增加， 导致支柱失效不能正常使用。 支柱中出现缺陷是一个与所设计的晶格类型、支柱长度、直径、倾斜角及打印过程中参数选择和原材料有关的综合问题。 为获得完美无缺的支柱， 各个因素对结果的影响方式和影响力仍有待进一步研究。
2 原材料
使用SLM 打印晶格结构时是以金属粉末为原料。可用于增材制造的金属粉末种类有限，粉末的材质和质量对打印出的晶格结构性能有着直接的影响。 常见的金属粉末材料有钛合金、镍基合金、不锈钢和铝合金等[55-57]。钛合金具有比强度高、耐蚀性好、良好的高温力学性能；镍具有很好的可塑性、耐蚀性和磁性等；304 和316L 奥氏体不锈钢粉末具有较高的韧性，其屈服强度和应变硬化优异；铝合金具有高强度、低密度、优异的延展性和抗腐蚀性。 不同合金成分的粉末可打印性不同， 而且金属粉末的不同性质也对其制造的晶格结构有影响，如粉末的流动性、粒径大小、颗粒形状、表面形貌、导热系数和激光吸收系数等。
朱昌隆等[58]总结了在铝合金中引入TiB2、石墨烯、TiC 纳米增强体所制备出的铝基复合材料，能够提高铝合金的激光吸收率； 促进组织中的粗大柱状晶向细等轴晶转变，细化晶粒尺寸；改善铝合金在激光粉末床熔化加工过程中的热裂纹缺陷， 提升可打印性。
Ahsan 等[59]对比了气雾化粉与等离子旋转电极雾化粉对3D 打印的影响， 由于等离子旋转电极雾化粉具有更好的球形度，卫星颗粒附着更少，其空心粉比率不到气雾化粉的1/3， 因此等离子旋转电极雾化粉末打印制品的打印层间孔隙率更低， 沉积速率更高，打印的质量更好。
Irrinki 等[60]研究发现粉末的粒径大小会影响熔池的形状，当粉末的尺寸较大时，熔池边缘形状的波动更大，导致熔池不稳定，制得的晶格结构更粗糙，甚至会使其出现开裂，从而打印失败。
在制造晶格中， 由于隔热粉末床阻热导致粉末过度熔化，结构具有粗糙表面和意外突起(即熔渣)的表面很常见， 所以打印采用的粉末的导热率对结构成形也有非常大的影响。Liu 等[61]研究了不同粒径Al-Mn-Sc 和Ti-6Al-4V 粉末的有效导热系数(effective thermal conductivity,ETC)。当温度低于300 ℃时，金属粉末的ETC 对温度和材料不敏感。 相反，当温度超过400 ℃时， 温度会随着温度的升高而显著升高，并且会因材料而发生显著变化。 在低温下，大尺寸粉末具有更大的导热率，而高温下，小尺寸的粉末具有更大导热率。 Wei 等[62]发现打印工艺室内保持的气体压力也会显著影响粉末的导热率。 采用瞬态热丝法研究了不同渗透气体对SLM 工艺中5种增材制造粉末的热导率， 结果表明气体的压力和成分对粉末的导热系数有显著影响。 与氮和氩相比，氦气渗透可使粉末导热性提高300%以上，其可能有助于在悬垂区域散热， 以改善表面质量并减少熔渣。
3 打印参数的影响
SLM 打印晶格结构是一个高度复杂的过程，有近130 个变量对制造的最终结构质量有影响。 一些重要的工艺参数是激光功率、激光束尺寸、激光扫描速度、舱口间距和层厚。为了将设计好的晶格结构完好打印出，应选择合适的参数进行打印。已有许多工作研究了打印参数对晶格结构性能的影响。
激光的功率和扫描速度是加工过程中最重要的两个参数。 Qiu 等[63]实验以7 000 mm/s 的恒定激光扫描速度，激光功率范围为150~400 W，研究激光功率对晶格结构支柱尺寸及形态的影响。结果表明，更高的激光功率会导致更厚的支柱， 并且具有近乎线性的关系，随着激光功率的增加，越来越多部分熔化的粉末颗粒粘附在支柱表面上，如图11 所示。 另一组样品以400 W 的恒定激光功率，激光扫描速度范围为1 000~7 000 mm/s，研究激光扫描速度的影响，结果如图12 所示，表明3 000~7 000 mm/s 范围内的激光扫描速度似乎不会显着影响支柱直径， 但如果扫描速度低于3 000 mm/s 则会影响支柱直径。
图11 SEM 图像显示典型支柱直径和形貌随激光功率的变化：(a)150 W;(b)200 W;(c)275 W;(d)300 W;(e)375 W(扫描速度7 000 mm/s);(f) 实际支柱直径对激光功率的依赖性[63]
Fig.11 SEM images showing the variation in the typical strut diameter and morphology with increasing laser power:(a)150 W;(b)200 W;(c)275 W;(d)300 W;(e)375 W(scan speed of 7000 mm/s).The inset in(e)shows a magnified view of the strut surface,(f)dependence of the actual strut diameter on the laser power[63]
图12 在400 W 下晶格支柱直径随激光扫描速度的变化及SEM 显微照片[63]
Fig.12 Variations in strut diameter with laser scanning speed for lattices produced at 400 W along with SEM micrographs for 1 000,3 000,4 000 and 7 000 mm/s[63]
Bertocco 等[64]使用6 种不同的打印参数组合打印，支柱直径和层厚固定不变，改变激光功率、激光扫描速度、舱口间距和轮廓偏转量(具体数据如表2所示)，然后对打印结构进行分析发现PA010203 打印参数下所打印的支柱厚度与设计值相比变薄，误差在25%~40%， 而PA0405 参数下与设计值很接近，PA06 参数下支柱尺寸变厚。 其认为支柱厚度变化是因为粉末附着在支柱表面， 粉末在支柱表面附着量与支柱倾斜角度和层厚有关，角度越低，产生的附着表面面积就越大，粉末层厚度减小，黏附粉末的数量也会减少，并得出结论，即影响打印分辨率的主要参数是层厚和激光尺寸， 因为它们能直接影响熔池的尺寸。而轮廓偏移值只影响支柱直径，且不影响结构的机械性能。
表2 试样制造的SLM参数集[64]
Tab.2 Sample manufacturing SLM parameter set[64]
Set name Energy density/(J·mm-3)PA01 2001 0500.1050.22572.6 PA02 1801 0500.1050.22565.3 PA03 2001 1650.1050.22565.4 PA04 1507000.1050.07581.6 PA05 1801 1650.1050.07558.9 PA06 1309000.1050.04055.0 Power/W Scan speed/(mm·s-1)Hatch space/mm Contour offset/mm
Sing 等[65]也通过实验发现实验支柱直径小于设计值。支柱直径的减小可归因于所使用的扫描策略，其中包括在制造过程中发生的轮廓扫描和粉末黏附现象，如图13 所示。 这与加工过程中的能量传递有关，在较高的扫描速度下，传递给粉末颗粒的能量较低， 导致在支板轮廓扫描过程中形成的部分熔化的粉末颗粒较少，从而减少了支板周围的粉末黏附。随着激光功率的增加，粉末在支板上的附着厚度减小。在较高的激光功率下， 在轮廓扫描过程中传递给粉末颗粒的能量更高， 导致粉末颗粒更充分地熔化形成支板，从而导致支板周围的粉末黏附更低。 而且，若所传递的能量继续增加， 周围的粉末颗粒可能在更高的激光功率下发生蒸发， 使粉末附着量进一步减少。 还利用方差分析在统计学上证明了激光功率对晶格结构支板上粉末黏附厚度的影响是最显著的。
图13 SEM 图像显示支柱上的粉末粘连[65]
Fig.13 SEM images showing powder adhesion on the struts[65]
Zhang 等[66]研究了扫描舱口间距对晶格结构孔径特性的影响， 他们将扫描线间距从200 μm 调整到700 μm，步长为100 μm。如图14 所示，随着激光扫描线间距增加到300 μm，孔隙更加明显，但仍未打开。 扫描线间距为400 μm 时，孔隙逐渐变大，一些孔是相连的，但大多数是封闭的。当扫描线间距增加到500 μm，通道将有足够的空间供粉末通过。 其得出结论， 舱口间距必须大于激光光斑尺寸。 还建议，孔径必须比最大粉末尺寸大三倍，因为部分熔化的粉末颗粒会粘在支柱表面上。
图14 通过选择性激光熔化在不同扫描线间距下制备的多孔Ti6Al4V 植入物SEM 图像：(a)200 μm;(b)300 μm;(c)400 μm;(d)500 μm;(e)600 μm;(f)700 μm[66]
Fig.14 SEM images of the porous Ti6Al4V implants fabricated by selective laser melting at different scan line spacings:(a)200 μm;(b)300 μm;(c)400 μm;(d)500 μm;(e)600 μm;(f)700 μm[66]
Rui 等[67]采用回归法和方差分析法研究了不同加工参数对晶格结构尺寸精度和力学性能的影响。结果表明，与扫描速度和层厚相比，晶格结构的尺寸精度和力学性能对激光功率更敏感。 还对粉末附着在支柱上的形成机理进行解释，如图15 所示。
图15 支柱上粉末附着形成机理[67]
Fig.15 Mechanisms of powder adhesion on pillars[67]
Li 等[68]研究同样发现了激光功率的增加会导致更大的支柱直径， 而更高的激光扫描速度会导致更小的支柱直径，此外，他们还发现了激光功率与扫描速度会影响结构的内部孔隙率(图16)，内部孔隙率在低能量密度和高能量密度下更为突出， 但在中等能量密度下则不那么明显。
图16 不同能量密度下内部孔隙率的OM 图像：(a)低能量密度；(b)中等能量密度；(c)高能量密度[68]
Fig.16 OM images of internal porosity at different energy densities:(a)low energy density;(b)medium energy density;(c)high energy density[68]
SLM 制造过程中， 高能激光与粉末床相互作用，金属粉末会迅速熔化并凝固，这复杂的热传导过程产生极大的热梯度，并伴随着飞溅的形成，对所打印样品的结构和性能有很大的影响。Wang 等[69]研究了激光能量对飞溅的影响，分析了飞溅的形成原理。研究发现， 随着激光功率的增加， 飞溅颗粒逐渐增加， 飞溅颗粒附着在试样的表面， 导致内部出现孔洞，从而出现缺陷。 Chen 等[70]采用有限体积法模型研究了选择性激光熔融过程中的熔池热行为， 探究体能量密度对结构的影响。 由于已成形的固体材料和粉末材料之间的激光吸收率和导热性存在显着差异，所以当激光扫描过程中，粉末材料获得的最高工作温度和熔池尺寸通常更大。 其发现大体积能量密度ω(120 J/mm3)导致熔池尺寸较大，从而在悬垂结构中产生严重的熔渣形成现象； 而使用相当低的ω则有效减小了熔池的尺寸， 但抑制了全密度悬垂部分的成功制造。 确定体积能量密度ω 在60~80 J/mm3的范围内，熔体的流动温和，对熔池干扰小。 还总结了4 种有效的方法， 以提高悬垂结构的表面质量和致密化水平：①在进行SLM 实验之前将基板预热至一定温度； ②温和提高激光扫描速度， 适当减少层厚；③可以优化激光扫描策略；④在原粉末中加入少量表面活性元素。
工艺参数在SLM 打印晶格结构时起着至关重要的作用， 优化这些参数对于实现无缺陷的结构制造尤为重要， 但参数的最佳值可能因所使用的原材料的熔点、 导热性和激光吸收率及打印机器的不同而不同。 目前的研究主要是聚焦于某一种特定材料而调试出的最佳工艺参数。材料和环境发生变化，工艺参数又需重新调试， 所以急需对各个参数对结构的影响进行量化， 方便能迅速选择出合适的工艺参数，该方面的研究有待进一步加强。
4 加支撑结构或无支撑设计
选择性激光熔融理论上可以成形任意复杂的晶格结构，但在实际打印过程中，由于热成形特点，倾斜度低甚至水平悬垂的试样会出现熔渣和热应力变形，目前SLM 最佳的成形倾斜角是45°，当倾斜度低于45°时往往需要添加支撑结构来辅助散热和防止结构变形，保持晶格结构的完整。添加支撑结构会增加粉末的消耗和打印周期， 而且去除支撑也需要时间且可能对结构造成破坏。因此，如何添加支撑结构， 以及实现无支撑打印对制造晶格结构具有重要意义。
Gan 等[71]探究了3 种类型的支撑结构，分别是倒Y、Y 型和垂直支柱，如图17。 Y 型支撑结构在制造过程中上方薄板出现翘曲导致制造失败， 另外两种结构能成功制造。 分析认为是Y 型支柱在薄板上的非均匀间隔使薄板中心区域与边缘区域产生不同的冷却速度，发生不均匀散热，产生了不同收缩，导致薄板发生翘曲。 支撑结构的朝向和分布会影响构建的平整度。实验表明，支撑结构与收缩方向之间的角度必须大于90°，以防止向上发生热翘曲。 与其他两种支撑结构相比，倒Y 型支撑结构具有良好的实用潜力。
图17 支撑结构的STL 图像：(a)IY 支撑结构；(b)Y 型支撑结构；(c)垂直支撑[71]
Fig.17 STL image of the support structure:(a)IY support structure;(b)Y shaped support structure;(c)vertical support[71]
Huang 等[72]提出了一种网格结构组合支撑结构生成算法。 如图18 所示，先确定晶格结构的悬垂区域并在下表面生成接触点， 最后生成网格树复合支撑结构。 该方法的支座体积更小，翘曲变形小，同时可以保证可拆卸性。
图18 生成支撑的步骤：(a)确定的支撑区域；(b)支撑结构的骨架生成；(c)网格结构的生成；(d)通过添加分支结构获得的网格树复合支撑结构[72]
Fig.18 Steps to generate supports:(a)the defined support area;(b)the skeleton generation of the support structure;(c)the generation of the grid structure;(d)the composite support structure of the grid tree obtained by adding the branching structure[72]
除了添加支撑结构， 设计自支撑的晶格结构和无支撑的打印方法是目前的研究热点。 Yan 等[43]研究了一种称为陀螺晶格周期性结构的设计和制造，陀螺晶格具有圆形光滑支柱以及球形核心。 陀螺晶胞的圆形光滑支柱的倾斜角沿球形核心连续变化，使得层逐渐长大， 悬垂面积和相邻层之间的位置略有变化，因此先前制造的层几乎可以支持下一层的制造。 就是这种自支撑的能力， 根据光学显微镜显微照片和CT 扫描分析显示， 在最差取向的晶格结构中，支柱清晰，没有缺陷或破损。
Wang 等[73]通过实验试验研究了不同倾斜角下样品的可打印倾斜高度， 最大倾斜高度与相应的临界倾斜角在数学上相关。 随后， 将这种关系纳入拓扑优化公式中，以实现优化的自支撑结构。
胡伟南等[74]提出了一种基于下表面划分准则成形低角度悬垂样件的方法，下表面工艺区长度L 的调控公式为：
式中，h 为每一层的厚度；T 为层数；a 是倾斜角度。对于固定倾斜角样件， 随着向下比较层数T 增大，下表面工艺区长度线性增大， 而对于低倾斜角度试样，相应减少向下比较层数，从而使下表面工艺区长度L 减小。 基于加工层角度自适应划分工艺区域，各区域使用对应的优化工艺参数进行打印， 进而实现低角度无支撑打印。
5 结论
目前， 研究人员对晶格结构的研究主要集中在结构设计后得到的优异性能上， 而对所设计的结构与可打印性之间的关系关注不足， 相关研究报告较少。 本文从晶格结构的设计、 打印原材料的性质和打印参数的选择上分析其对结构可打印性的影响进行总结和阐述。
(1)不同类型和相对密度的晶格结构所具有的支柱其倾斜角度和直径大小不同， 它们的可打印性是不一样的，支柱的倾斜角度越低，打印后支柱出现粉末附着、变形和裂纹的可能性越大。
(2)不同种类和性质的金属粉末的可打印性相差很大，合理改善粉末的化学组成和物理性质，是提高打印晶格结构质量的有效途径。
(3)优化激光加工参数，如激光功率、扫描速度和层厚等，对于获得无缺陷的晶格结构至关重要。特别是能量密度，通常被视为优化加工参数的指标。低能量输入不能使粉末完全熔化， 而高能量输入会导致熔池不稳定，试样中会出现大量的缺陷。
(4)对于难以制造的晶格结构往往会添加支撑以保证结构的顺利制造， 但更希望从设计和扫描策略上去实现自支撑或无支撑晶格结构的打印。 自支撑在提升打印效率以及降低打印成本方面具有重要价值。
6 展望
(1)晶格结构具有自然界中材料所没有的优异性能， 对晶格结构的研究除了考虑如何设计得到优异的性能外， 还需考虑设计结构能否完整打印可行性问题。目前，已有研究从深度学习卷积神经网络方面去自动生成具有特定性质的晶格结构， 可以在这过程中将结构的可打印问题考虑上， 这一方面有待更多的研究。
(2)目前，可用于SLM 的金属粉末种类有限，在快速熔化和凝固过程中， 打印试样会出现粗大的柱状晶和裂纹，因此，如何提升粉末的可打印性，具有很大研究前景。 此外， 对粉末的流动性和粒径分布等对其打印性的影响进行深度机理分析和量化，能指导制得打印性更好的粉末。
(3)为探究粉末的最佳打印工艺参数，阐明粉末在激光熔化打印过程中发生的现象和变化， 可以采用相关的测试手段揭示激光与粉末的相互作用过程，建立物理模型对其进行数值模拟，并通过实验验证，可以更好地进行加工参数的优化。
(4)如何添加少量的支撑结构以及添加的正确位置能确保结构完美的打印仍需研究。 自支撑或无支撑晶格结构是未来的发展趋势， 对现有打印设备进行优化升级，提升打印精度和效率，实现结构的完美打印。
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