增材制造成型機(jī)械超材料的研究進(jìn)展及展望

張振杰，龍芋宏，徐榕蔚，劉清原，周遼，黃平，藍(lán)高強(qiáng)

(桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西桂林 541004)

0 前言

增材制造(也稱3D打印技術(shù))作為第三次科技革命的重要推動(dòng)力之一，已經(jīng)在人們的生產(chǎn)生活中占據(jù)了重要的地位。激光選區(qū)熔化技術(shù)是如今應(yīng)用最廣泛的激光增材制造技術(shù)之一。增材制造技術(shù)解決了傳統(tǒng)制造技術(shù)無法成型“復(fù)雜零件”的難題，但是利用增材制造技術(shù)加工制造零件時(shí)所耗費(fèi)的打印成本比較高，而且傳統(tǒng)零件結(jié)構(gòu)利用增材制造技術(shù)加工制造時(shí)無法充分發(fā)揮增材制造的優(yōu)勢(shì)。因此人們提出了對(duì)激光增材制造技術(shù)成型高性能復(fù)雜輕量化結(jié)構(gòu)的研究，為航空航天、船舶、汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域輕量化金屬構(gòu)件性能和功能的突破帶來了新的契機(jī)。相關(guān)研究表明：輕量化結(jié)構(gòu)在減輕質(zhì)量的同時(shí)節(jié)約了成本，對(duì)構(gòu)件性能的要求也越來越高，因此集成多功能的構(gòu)件顯得尤為重要。目前，對(duì)于增材制造輕量化的研究主要分為材料輕量化和結(jié)構(gòu)輕量化。由于使用的輕質(zhì)材料普遍種類較少且價(jià)格昂貴，而在零件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面仍然有很大的發(fā)展空間，因此出現(xiàn)了越來越多針對(duì)零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究?！俺牧稀?Metamaterials，MMs)就是目前最受關(guān)注的一種。由于超材料本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用傳統(tǒng)成型工藝制造困難，而增材制造技術(shù)在成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí)具有一定的優(yōu)勢(shì)，因此為超材料的制造成型提供了一種有效的方法。機(jī)械超材料是超材料的一種，是一種具有特殊功能的多孔晶格點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，如圖1所示。它們具有相對(duì)密度小、比強(qiáng)度高、比剛度大、單位體積表面積大、吸附容量大等特點(diǎn)，在吸能減震、消聲降噪、電磁屏蔽、透氣透水、隔熱換熱等性能方面顯示出了自身的特色，可作為功能材料和結(jié)構(gòu)材料廣泛應(yīng)用于一些高科技領(lǐng)域和普通工業(yè)領(lǐng)域。零泊松比板殼結(jié)構(gòu)就是一種新型的機(jī)械超材料，它是通過對(duì)晶格結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和不同物理參數(shù)材料的分布來實(shí)現(xiàn)超材料的功能。

圖1 機(jī)械超材料——點(diǎn)陣晶格多孔結(jié)構(gòu)

1 增材制造輕量化研究背景與現(xiàn)狀

增材制造技術(shù)是誕生于20世紀(jì)80年代的一種快速成型技術(shù)，該技術(shù)基于分層制造原理，對(duì)材料逐層累加，“從下而上”地將實(shí)體零件制造出來，使很多復(fù)雜零件實(shí)現(xiàn)了“自由制造”的可能。相對(duì)于傳統(tǒng)的“減材制造”來說，增材制造的優(yōu)勢(shì)在于柔性高、無模具、材料利用率高、耗時(shí)短、成型結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、成型結(jié)構(gòu)不受限。激光增材制造技術(shù)以激光為能量源，通過高密度的能量對(duì)復(fù)雜的、不易加工的材料進(jìn)行制造，如鈦合金、高溫合金、鐵基合金、鋁合金、難熔合金、非晶合金、陶瓷以及梯度材料等。目前，高性能化和輕量化構(gòu)件成為該領(lǐng)域的一個(gè)熱門方向。通常將金屬增材制造分為3種：激光選區(qū)熔化(Selective Laser Melting，SLM)、激光近凈成型(Laser Engineered Net Shaping，LENS)和電子束選區(qū)熔化(EBSM)。激光選區(qū)熔化是其中應(yīng)用較為廣泛的技術(shù)之一。

激光選區(qū)熔化技術(shù)(SLM)最早是在1989年由美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的DECHARD提出的，由于一開始只能燒結(jié)一些熔點(diǎn)較低的非金屬材料，因此稱之為選擇性激光燒結(jié)技術(shù)(Selective Laser Sintering，SLS)。之后，隨著大功率激光器的快速發(fā)展，SLS技術(shù)逐漸發(fā)展成為SLM技術(shù)。SLM技術(shù)是一種利用高能激光束的精細(xì)聚焦光斑將金屬粉末快速熔化并且快速冷卻凝固的成型技術(shù)，可以直接獲得幾乎任意形狀且具有完全冶金結(jié)合的功能零件，致密度幾乎可以達(dá)到100%，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ目焖俪尚图夹g(shù)。

一次完整的激光選區(qū)熔化過程包括三維模型繪制、切片生成二維平面圖形、導(dǎo)入打印機(jī)設(shè)備、設(shè)置工藝參數(shù)、樣品成型等步驟，其成型原理如圖2所示。通過送粉活塞上移送粉、鋪粉輥鋪粉、成型活塞下移成型實(shí)現(xiàn)一層完整的成型，由此逐層累積，完成一次成型過程。同時(shí)，為防止金屬粉末在高溫情況下氧化而影響成型效果，整個(gè)過程須在無氧環(huán)境中進(jìn)行，一般向成型腔內(nèi)通入保護(hù)氣體。

圖2 激光選區(qū)熔化成形原理

隨著激光選區(qū)熔化技術(shù)的發(fā)展，高性能化和輕量化成為現(xiàn)在最大的需求和挑戰(zhàn)。目前，為實(shí)現(xiàn)增材制造輕量化的要求，一般有2種途徑，分別是材料輕量化和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輕量化。在材料輕量化方面，對(duì)于傳統(tǒng)的鑄鐵、鑄鋼等不銹鋼材料，用鋁合金、鈦合金、鎂合金以及高分子復(fù)合材料等輕質(zhì)材料來替代；在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輕量化方面，結(jié)構(gòu)優(yōu)化一般分為尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一個(gè)重要組成部分，其主要思想是尋求一種能夠根據(jù)給定負(fù)載情況、約束條件和性能指標(biāo)，在指定區(qū)域內(nèi)對(duì)材料分布進(jìn)行優(yōu)化的數(shù)學(xué)方法，使系統(tǒng)材料發(fā)揮最大利用率。一般通過對(duì)原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化后，對(duì)得到的優(yōu)化結(jié)構(gòu)用薄壁加筋、一體化實(shí)現(xiàn)中空夾層、鏤空點(diǎn)陣等來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。若在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的基礎(chǔ)上再選擇合適的輕質(zhì)材料對(duì)零件進(jìn)行加工，就可以實(shí)現(xiàn)集材料-結(jié)構(gòu)-性能于一身的激光增材制造技術(shù)。未來，材料、結(jié)構(gòu)與性能的結(jié)合在增材制造輕量化領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)發(fā)揮更大的作用。由于輕質(zhì)材料成本高、花費(fèi)巨大，因此不適合廣泛地用于增材制造，而結(jié)構(gòu)優(yōu)化大大減少了材料的使用以滿足輕量化的需求，同時(shí)還能保證零件具有更高的性能。

2 增材制造技術(shù)成型超材料研究背景與現(xiàn)狀

圖3 泡沫結(jié)構(gòu)(a)蜂窩結(jié)構(gòu)(b)

但是由于傳統(tǒng)天然結(jié)構(gòu)本身不規(guī)則，大大增加了結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度，受到制造技術(shù)的限制，在利用增材制造技術(shù)制造時(shí)很難成型。泡沫結(jié)構(gòu)因?yàn)樗烊坏男螒B(tài)而在力學(xué)性能方面表現(xiàn)出較低的彈性和塑性，而蜂窩結(jié)構(gòu)雖然機(jī)械效率優(yōu)異，但是它強(qiáng)烈的各向異性大大限制了在實(shí)際中的應(yīng)用。因此，對(duì)于結(jié)構(gòu)的優(yōu)化勢(shì)在必行。另外，隨著材料與結(jié)構(gòu)的發(fā)展，自然材料所具備的天然性能已經(jīng)不能滿足人們對(duì)于材料性能的需求，因此，一些天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人造結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料，或者是某些性能超出自然材料極限的人造材料——“超材料”開始進(jìn)入人們的視野中?！俺牧稀睉?yīng)運(yùn)而生，它本質(zhì)上就是一種優(yōu)化的、新型的、具有獨(dú)特優(yōu)異性能的人造復(fù)合結(jié)構(gòu)。

“超材料”這個(gè)概念源于具有負(fù)折射率的左手材料的提出，之后出現(xiàn)了各種各樣的超材料，根據(jù)其應(yīng)用領(lǐng)域的不同，主要將其分為4種，即電磁超材料、聲學(xué)超材料、熱學(xué)超材料以及機(jī)械超材料。機(jī)械超材料是超材料的一種，如圖4所示。它實(shí)現(xiàn)了自然界傳統(tǒng)材料無法實(shí)現(xiàn)的性能，目標(biāo)是獲得理想的力學(xué)參數(shù)，包括泊松比、模量等，同時(shí)還可以達(dá)到超強(qiáng)超輕的目標(biāo)。

圖4 不同結(jié)構(gòu)的機(jī)械超材料

近年來，隨著增材制造的不斷發(fā)展，人造超材料的設(shè)計(jì)空間大大增加，大量新的超材料結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)。桁架結(jié)構(gòu)、三重周期極小表面晶格(TPMS)結(jié)構(gòu)、殼格結(jié)構(gòu)、板狀結(jié)構(gòu)、板殼狀結(jié)構(gòu)等越來越多的新型輕質(zhì)超材料結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)出來，并在實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了良好的可制造性。同時(shí)這些超材料也為結(jié)構(gòu)優(yōu)化指出一條新的道路，圖5所示為2種典型的利用增材制造技術(shù)成型的晶格結(jié)構(gòu)。

圖5 2種常見晶格結(jié)構(gòu)

晶格結(jié)構(gòu)是一種排列有序的開孔三維結(jié)構(gòu)，由一個(gè)或多個(gè)重復(fù)單元組成，是一種均勻化的機(jī)械超材料。關(guān)于晶格結(jié)構(gòu)有2個(gè)重要的參數(shù)被提出，晶格拓?fù)?即晶格的連通性)和晶格幾何形狀(即晶格的尺寸和晶格內(nèi)支柱的尺寸)，通過改變這2個(gè)參數(shù)可以得到不同特性的晶格結(jié)構(gòu)。晶格結(jié)構(gòu)區(qū)別于傳統(tǒng)的天然泡沫結(jié)構(gòu)和蜂窩結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在于它是一種規(guī)則的多孔結(jié)構(gòu)。最早出現(xiàn)的桁架結(jié)構(gòu)的支柱連接處總會(huì)不可避免地出現(xiàn)應(yīng)力集中，如圖6所示為幾種參數(shù)不同的桁架胞元及其陣列成型的桁架點(diǎn)陣晶格結(jié)構(gòu)，而單一、周期、連續(xù)、平滑彎曲的殼組成的殼狀結(jié)構(gòu)便很好地克服了節(jié)點(diǎn)的這一弱點(diǎn)。

圖6 單元桁架結(jié)構(gòu)及其陣列成型的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)

殼格結(jié)構(gòu)作為一種新型人造結(jié)構(gòu)，如圖7所示，由一系列不相交的殼組成周期性結(jié)構(gòu)，同時(shí)這種開孔殼結(jié)構(gòu)具有分離2種流體相的特征。LEE等設(shè)計(jì)了一種新型低密度殼狀結(jié)構(gòu)材料，并驗(yàn)證其剛度和強(qiáng)度優(yōu)于相同密度的泡沫和桁架結(jié)構(gòu)。HAN等制造了一種回轉(zhuǎn)殼狀結(jié)構(gòu)，并證明其比能量吸收率幾乎是BCC晶格結(jié)構(gòu)的三倍。BONATTI和MOHR設(shè)計(jì)了一種殼狀結(jié)構(gòu)，并驗(yàn)證其在20%的相對(duì)密度下的強(qiáng)度和能量吸收率是傳統(tǒng)點(diǎn)陣的近兩倍。CHEN等設(shè)計(jì)了一種拉伸主導(dǎo)的殼格結(jié)構(gòu)，表明其在相對(duì)密度低的情況下具有高的能量吸收率，同時(shí)具有最佳的減震力學(xué)性能，并驗(yàn)證了殼格結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定、堅(jiān)固。BONATTI與MOHR使用參數(shù)化表面平滑函數(shù)設(shè)計(jì)了不同相對(duì)密度的殼格結(jié)構(gòu)，并驗(yàn)證這種殼格結(jié)構(gòu)比同等質(zhì)量的最佳桁架結(jié)構(gòu)提供高得多的剛度和強(qiáng)度，同時(shí)具有更高的抗壓縮性和能量吸收能力。

圖7 三種殼單元晶格結(jié)構(gòu)

此外，BONATTI與MOHR發(fā)現(xiàn)了一種具有特殊比能量吸收能力的機(jī)械超材料，并表明它們特別適合作為分層超材料設(shè)計(jì)中的高階結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗cTPMS結(jié)構(gòu)類似，被稱為“類TPMS結(jié)構(gòu)”。

大量實(shí)驗(yàn)證明：大多數(shù)殼格超材料結(jié)構(gòu)在克服桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中缺點(diǎn)的同時(shí)，表現(xiàn)出了比桁架結(jié)構(gòu)更優(yōu)的機(jī)械性能以及能量吸收能力，未來殼格結(jié)構(gòu)將表現(xiàn)出更加顯著的優(yōu)勢(shì)。圖8所示為使用SLM技術(shù)成型的一種殼格結(jié)構(gòu)。

圖8 SLM成型的殼狀晶格結(jié)構(gòu)

隨之出現(xiàn)的還有板狀結(jié)構(gòu)，即由閉孔板組成的閉孔板晶格，TANCOGNE-DEJEAN等通過對(duì)簡(jiǎn)單立方(SC)、體心立方(BCC)和面心立方(FCC)3種基本板晶格的混合搭配提出了幾種不同類型的各向同性板晶格，并證明了板狀結(jié)構(gòu)具有較優(yōu)異的力學(xué)性能。但是閉孔板結(jié)構(gòu)由于其內(nèi)部空間的封閉性，在使用SLM成型時(shí)，封閉腔內(nèi)容易造成卡粉，使粉末難以流出。因此，DUAN等創(chuàng)新了一種具有優(yōu)異的力學(xué)性能和良好的增材制造可制造性的開孔板格結(jié)構(gòu)，并表明板狀結(jié)構(gòu)的性能要優(yōu)于傳統(tǒng)的桁架格結(jié)構(gòu)和光滑殼格結(jié)構(gòu)，是一種在未來具有很好發(fā)展趨勢(shì)的輕質(zhì)機(jī)械超材料。圖9所示為一種SLM成型的開孔板狀結(jié)構(gòu)。

圖9 SLM成型的開孔板狀晶格結(jié)構(gòu)

2.1 機(jī)械超材料——零泊松比結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

根據(jù)材料在拉伸或壓縮時(shí)的橫向變形效應(yīng)，超材料可以概括為三類：正泊松比、負(fù)泊松比和零泊松比材料。圖10顯示了具有不同泊松比的3種典型變形模式。自然界多數(shù)材料具有正泊松比(PPR)特性。近年來，零泊松比(ZPR，力學(xué)特性見圖11)結(jié)構(gòu)因在飛行器制造、醫(yī)療器械等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價(jià)值，逐漸被開始研究。ZPR植入物在組織生長(zhǎng)過程中可根據(jù)載荷調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)且無膨脹擠壓，利于創(chuàng)面愈合和新組織生長(zhǎng)。在密封件設(shè)計(jì)領(lǐng)域，ZPR密封體無需調(diào)節(jié)厚度；在可變形飛翼領(lǐng)域，ZPR結(jié)構(gòu)可避免變形中結(jié)構(gòu)剛度升高和曲率畸變。

圖10 3種泊松比示意

圖11 零泊松比結(jié)構(gòu)應(yīng)用

零泊松比結(jié)構(gòu)(ZPR)是由負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)(NPR)演變而來的，ZPR結(jié)構(gòu)的發(fā)展與圖12(a)所示的蜂巢結(jié)構(gòu)密不可分：圖12(a)中凹角演化為圖12(b)形式的負(fù)泊松比(NPR)胞元，然后演化出具有ZPR特性的半凹角結(jié)構(gòu)、混合結(jié)構(gòu)、四角星結(jié)構(gòu)。ZPR胞元受載時(shí)，載荷方向與載荷法向幾乎不產(chǎn)生耦合作用，所以變形過程中載荷法向很少產(chǎn)生形變。

圖12 特殊泊松比相關(guān)變形蜂窩結(jié)構(gòu)演變

負(fù)泊松比材料，最早由EVANS等在1991年提出，在機(jī)械超材料中起著重要作用。這一現(xiàn)象主要?dú)w因于其獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料設(shè)計(jì)，并可改善機(jī)械性能，如增強(qiáng)的剪切模量、耐壓痕性、斷裂韌性和沖擊能量吸收等。負(fù)泊松比超材料在單軸壓縮(拉伸)下會(huì)發(fā)生橫向收縮(膨脹)，因此引起了工程界的廣泛興趣。負(fù)泊松比超材料在抗剪切性、能量吸收能力和抗壓痕性方面具有特殊的力學(xué)性能。然而，在醫(yī)療設(shè)備、傳感器、防護(hù)設(shè)備和軟機(jī)器人領(lǐng)域，需要零泊松比細(xì)胞超材料的單向變形，即在單軸壓縮下不發(fā)生橫向收縮。

零泊松比超材料獨(dú)特的力學(xué)性質(zhì)來自于它們的基底、晶格結(jié)構(gòu)和積分方法。當(dāng)前，特殊泊松比(ZPR和NPR)結(jié)構(gòu)的研究多集中在二維的線性小應(yīng)變情況。然而特殊泊松比結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)變值很敏感，比較缺乏大應(yīng)變范圍內(nèi)ZPR結(jié)構(gòu)的研究。CABRAS和BRUN提出了3D棒狀的晶格結(jié)構(gòu)具有小應(yīng)變下的特殊泊松比特性，通過胞元內(nèi)部組件的剛度差異調(diào)控泊松比。大應(yīng)變范圍保持特殊泊松比特性的結(jié)構(gòu)中，具有代表性的是一種被稱為bucklicrystal的結(jié)構(gòu)，可以在較大應(yīng)變下保持NPR特性。HUANG等提出了一種零泊松比超材料，并建立了其等效彎曲模量的理論表達(dá)式。這種材料在不降低橫向剪切剛度和彎曲剛度的情況下提高了平面外彎曲柔度。GONG等提出了一種四尖星零泊松比的蜂窩超材料，實(shí)現(xiàn)了2個(gè)正交方向的變形，并且不引起非變形方向等效彈性模量的增加來抑制泊松效應(yīng)。CLAUSEN等創(chuàng)造了一種新的建筑超材料，其可編程泊松比在0～0.8之間，在高達(dá)20%或更大的變形下顯示出幾乎恒定的泊松比。DEL BROCCOLO等報(bào)道了一種混合零泊松比蜂窩超材料，具有交替的六邊形和凹六邊形蜂窩晶格，在不降低結(jié)構(gòu)變形能力的情況下，材料的承載能力顯著提高。XU等研究了金屬混合蜂窩超材料在面內(nèi)壓縮下的力學(xué)性能和吸能能力。隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展，三維特殊泊松比結(jié)構(gòu)已經(jīng)陸續(xù)被制造出來。REN等通過打印金屬材料，深入研究了屈曲效應(yīng)引致的NPR結(jié)構(gòu)。HUANG等用3D打印實(shí)驗(yàn)和數(shù)值方法研究了橡膠狀結(jié)構(gòu)的特殊泊松比特性。ANDREASSEN等設(shè)計(jì)了3D各向同性的特殊泊松比結(jié)構(gòu)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。然而，特殊泊松比結(jié)構(gòu)的研究多集中在NPR結(jié)構(gòu)，ZPR胞元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和力學(xué)性能測(cè)試十分欠缺。特別是在較大應(yīng)變下仍然保持ZPR特性的3D胞元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法很不完善，目前多采用拓?fù)鋬?yōu)化方法預(yù)測(cè)大范圍應(yīng)變情況下的ZPR胞元。因此越來越多的人展開了對(duì)具有零泊松比性能的機(jī)械超材料的設(shè)計(jì)與研究。

2.2 超材料的應(yīng)用前景

對(duì)于超材料的研究充滿了機(jī)遇和挑戰(zhàn)，為許多的科學(xué)原理在不同領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用提供了可能，同時(shí)也為人們解決許多重大難題提供了一種全新的思路?，F(xiàn)在超材料多應(yīng)用于軍事國(guó)防等特殊領(lǐng)域中，但是未來超材料的應(yīng)用一定會(huì)更具多樣化。超材料的應(yīng)用和研究已經(jīng)開始向聲、熱、力等領(lǐng)域延伸，特別是力學(xué)領(lǐng)域的機(jī)械超材料。聲學(xué)超材料的新型隔聲技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)軍事裝備的聲學(xué)隱身，使其不被探測(cè)設(shè)備探測(cè)到；熱學(xué)超材料所具有的可控?zé)彷椛浜涂煽責(zé)醾鲗?dǎo)的特性，有望為作戰(zhàn)設(shè)備穿上熱隱身外衣，實(shí)現(xiàn)熱學(xué)隱身，躲避敵方偵測(cè)，同時(shí)還可以減少惡劣氣候帶來的傷害。在力學(xué)領(lǐng)域，機(jī)械超材料所具有的零、負(fù)泊松比特性，可用于制造耐拉伸材料、耐壓縮材料、具有良好吸能效果材料、輕質(zhì)高強(qiáng)度材料等，在航天航空、醫(yī)療等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。當(dāng)超材料的個(gè)性化獨(dú)特微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與增材制造技術(shù)形成完美契合之時(shí)，兩者之間相互整合協(xié)同創(chuàng)新，正開啟全面推進(jìn)超材料創(chuàng)新設(shè)計(jì)和制造的新格局。

3 結(jié)論與展望

增材制造技術(shù)的不斷發(fā)展為成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)提供了可能，而機(jī)械超材料本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成型困難，因此增材制造技術(shù)是一種適合于制造機(jī)械超材料的方法，同時(shí)對(duì)超材料的研究也可以促進(jìn)增材制造技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展和不斷創(chuàng)新的材料和工藝，許多不同類型的產(chǎn)物被設(shè)計(jì)、制造、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，甚至得到了性能更高的成型構(gòu)件。但是不同的增材制造技術(shù)有不同的特點(diǎn)，如成型材料、尺寸、分辨率和表面質(zhì)量都有顯著差異。在超材料制造方面，需要根據(jù)所需材料的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)選擇合適的技術(shù)，正如南京航天航空大學(xué)的顧冬冬團(tuán)隊(duì)提出的材料-結(jié)構(gòu)-性能一體化的選區(qū)激光成型技術(shù)，滿足了“在不同的位置選擇合適的材料”以及“通過特殊的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)特殊的功能”的需求。

但是，在對(duì)具有零泊松比特性的機(jī)械超材料進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，仍存在許多難題。當(dāng)前ZPR胞元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的問題主要有：(a)ZPR胞元結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)多從NPR胞元結(jié)構(gòu)演化而來，然而現(xiàn)有NPR胞元種類有限、變形機(jī)制單一；(b)包括ZPR結(jié)構(gòu)在內(nèi)的特殊泊松比胞元多是2D形式，由桿或者條狀組件構(gòu)成，所以承載能力較低；(c)特殊泊松比結(jié)構(gòu)的研究往往在小應(yīng)變條件下進(jìn)行，需要研究3D形式的在大應(yīng)變范圍內(nèi)仍保持ZPR特性的胞元結(jié)構(gòu)。針對(duì)上述問題，做出了如下展望：

(1)由于泊松比可以表示為=-/，實(shí)體材料受壓時(shí)壓應(yīng)變(-)往往造成法向材料膨脹產(chǎn)生。傳統(tǒng)胞元結(jié)構(gòu)由于內(nèi)部組件的相互作用，受壓時(shí)往往也具有相同現(xiàn)象。為了實(shí)現(xiàn)零泊松比特性，胞元結(jié)構(gòu)在受載過程中法向載荷的應(yīng)變值()應(yīng)盡量降低，即應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)出具有法向應(yīng)變解耦的結(jié)構(gòu)。

(2)和傳統(tǒng)的桿式胞元結(jié)構(gòu)相比，具有立方對(duì)稱關(guān)系的板殼胞元在同等質(zhì)量前提下具有更大的剛度，但板殼胞元在組合過程中容易出現(xiàn)封閉腔室，在SLM制造過程中粉末無法排除，因此需要考慮在板殼胞元上布置孔隙以提高SLM可打印性。