通过SLM制备的316L不锈钢体心四方格栅结构的力学性能

金属格栅为何重要

从更轻的飞机到定制医疗植入物，工程师一直在寻找既轻且强的金属零件制造方法。一种有前景的思路是用微小的重复框架或格栅来构建零件，而不是实心的金属块。本研究考察了一种通过金属3D打印制成的不锈钢格栅，并提出一个具有重要工程意义的简单问题：格栅形状的微小变化如何影响其强度和刚度？

由重复单元构建强度

研究者聚焦于体心四方（BCT）格栅。通俗地说，该格栅的每个基本单元是一个盒子，盒子中心有杆连接到八个角，许多这样的单元堆叠成一个块体。这些格栅采用316L不锈钢通过选择性激光熔化（SLM）制造，SLM是一种金属3D打印方法，通过激光熔化薄层金属粉末逐层构建零件。BCT格栅特别具有吸引力，因为其几何结构高度规则，在打印过程中能够自支撑，从而避免浪费时间和材料的额外支撑结构。

测试形状如何影响性能

他们改变了杆件的三个简单几何特征：长度、厚度以及相对于参考平面的倾角。团队首先构建了格栅的数字模型，并使用计算机仿真对其进行压缩以估算两个关键性能指标：屈服强度（表明何时开始产生永久变形）和弹性模量（反映结构的刚度）。为了在探索这三个变量组合时保持试验次数可控，他们采用了一种称为响应面方法的统计设计方法，该方法系统地抽样一小组但信息量大的设计方案。

将计算预测带入现实

为验证计算模型是否反映真实行为，团队打印了17组不锈钢格栅样品，样品具有不同的杆长、厚度和倾角组合，并在机械试验机上对其进行压缩。试验机在缓慢压缩每个样品的同时记录力与变形的变化，产生显示弹性区、屈服点和后期致密阶段的曲线。值得注意的是，样品并未发生断裂；相反，它们随着杆件倾斜、屈服并最终紧密堆积而逐步弯曲和致密化。总体上，实测的强度和刚度与仿真结果吻合良好，尽管实际打印件包含诸如表面粗糙度和内部孔隙等微小缺陷。

是什么决定格栅的强弱

仿真与实验的结合显示出清晰的趋势。较粗的杆件和较大的倾角使格栅更强且更刚，而较长的杆件则产生相反效果。例如，采用短且粗的杆件并设定较大倾角的设计，其强度和刚度可能比长且细且倾角较小的设计高出百倍以上。统计响应面模型不仅捕捉到每个特征的单独影响，还揭示了它们之间的相互作用，表明不存在单一"最佳"参数；相反，最佳性能来自特定的尺寸与角度组合。

更佳轻量化零件的设计配方

通过将计算仿真、精心实验和统计建模结合起来，研究者找到了一个特别有利的设计：杆长4毫米、厚度1.5毫米、倾角60度的BCT格栅。在他们研究的范围内，这一组合提供了最高的强度和刚度。对非专业读者而言，关键信息是：3D打印金属格栅的力学行为可以像调整机器设置一样被调节：微小的几何调整即可将一个柔性的框架转变为稳健的承载结构。该方法与发现为希望利用金属3D打印制造更轻、更坚固零件的工程师提供了实用的设计指南。

引用: Xu, Z., Lin, Z., Wu, Z. et al. Mechanical properties of body-centered tetragonal lattice structures in 316L stainless steel fabricated by SLM. Sci Rep 16, 14860 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44572-8

关键词: 选择性激光熔化, 金属格栅结构, 316L不锈钢, 力学性能, 增材制造设计