一．导读
金属薄壁结构凭借其极高的强度重量比，在航空航天、汽车、船舶和能源等追求轻量化的领域展现了广阔的应用前景。然而，受制于复杂的内部结构设计，这些薄壁结构难以通过传统的制造工艺高效实现。3D打印技术的出现为这些复杂结构的制造带来了革命性变化，能够直接成形复杂的几何形状，消除了传统工艺中繁琐的组装步骤，从而显著提升了结构设计自由度和制造效率。尽管如此，增材制造的金属薄壁结构在生产过程中仍面临诸多挑战。由于热量积累和结构稳定性较低，这些薄壁结构易出现几何形变、表面粗糙和残余应力等问题，进而对材料的微观组织和力学性能产生影响 （如图1）。这些问题限制了增材制造薄壁结构的发展，需要通过进一步的工艺优化和结构设计来克服。
图1.金属薄壁结构的应用及制备挑战。
基于此，来自新加坡南洋理工大学的周琨教授团队总结了金属增材制造薄壁结构的最新研究进展，系统阐述了各类金属薄壁结构的制备工艺、结构设计、精度调控、微观组织以及力学性能，并深入探讨了这些结构的应用和未来发展方向。该综述以“Recent Progress on 3D Printing of Lightweight Metal Thin-Walled Structures ”为题，发表在材料领域的顶刊《Advanced Materials》上，旨在为研究人员提供薄壁结构设计和工艺优化的宝贵参考。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202402130。
二．内容简介
该文章重点介绍了用于制造金属薄壁结构的两种主流增材制造技术，包括粉末床熔融和定向能量沉积。其中粉末床熔融技术通过逐层选择性熔化金属粉末来构建结构；而定向沉积技术则通过激光或电弧形成熔池，同时将粉末或金属丝送入熔池中进行沉积。这两种技术在冷却速率、熔池尺寸以及制备构件的尺寸方面存在显著差异，导致它们在降低表面粗糙度、减小残余应力等方面面临不同的挑战（如图2）。
图2增材制造薄壁结构的表面粗糙度及残余应力。
因此，如何通过拓扑优化和几何结构的合理设计来应对金属薄壁结构在增材制造过程中的限制显得尤为重要。文章指出，薄壁结构在设计时需要考虑增材制造工艺的局限性，如最小壁厚要求、支撑结构的需求以及如何避免翘曲变形等。此外，作者还探讨了通过优化壁厚、引入特殊单元体设计等策略来提高薄壁结构的抗压、抗弯和能量吸收等力学性能（如图3）。这些设计策略不仅能够增强结构的整体强度，还可以有效地应对增材制造中的热应力和形变问题，从而提升最终构件的可靠性和适用性。
图3.通过金属增材制造实现蜂窝结构的创新设计
薄壁结构的微观组织和力学性能受到打印工艺参数的显著影响。文章详细探讨了壁厚、冷却速率和熔池温度等参数对金属薄壁结构微观组织演化的影响，如晶粒形态、相变行为和析出物的形成等。这些因素直接影响了薄壁结构的硬度、强度、延展性等力学性能。此外，文章还总结了如何通过控制加工参数、实施热处理以及引入后续机械加工，来改善增材制造薄壁结构的最终性能的方法。
增材制造的金属薄壁结构已经在多个行业得到广泛应用，尤其是在航空航天、汽车和能源等领域。文章回顾了薄壁结构在涡轮叶片、热交换器和推进器等领域的成功应用（如图4），展示了其在高强度与轻量化需求方面的显著优势。此外，在生物医学植入物领域，通过仿生设计实现与人体组织力学特性的匹配，满足了生物兼容性和机械性能的要求。未来，随着增材制造技术的进一步成熟和拓扑优化设计的进步，金属薄壁结构将在更多高性能和复杂结构的场景中展现其独特的优势，为工程应用提供更加灵活和高效的解决方案。
图4.3D打印金属薄壁结构件的应用示例。
三．小结与展望
该综述全面总结了金属薄壁结构的3D打印技术及其应用，重点讨论了金属薄壁结构在增材制造中的制备工艺，并详细分析了工艺参数对其微观组织及力学性能的影响。通过拓扑优化等设计策略，增材制造能够实现复杂的薄壁结构，提高了设计自由度。未来金属薄壁结构的增材制造研究将主要集中在提高打印精度、控制热量积累、减少残余应力以及改善表面粗糙度方面。随着实时监控技术和人工智能在工艺优化中的应用，金属增材制造有望实现更高的精度和效率。此外，拓扑优化、仿生设计与功能梯度材料的结合，将进一步提升金属薄壁结构的性能，为轻质高强度结构的设计与应用开辟新路径。
团队介绍
新加坡南洋理工大学周琨教授课题组依托于惠普-南洋理工大学数字制造联合实验室和新加坡3D 打印中心，长期从事多种增材制造技术（3D打印）研究。目前聚焦于功能聚合物复合材料及高性能新金属材料研发、先进结构设计和多尺度模拟仿真、增材制造零件宏微观力学性能表征及其应用等。
