弗朗齐斯卡·毛勒（Franziska Maurer）|阿娜贝尔·罗里格（Anabel Röhrig）|内杰茨·诺瓦克（Nejc Novak）|马泰·韦塞尼亚克（Matej Vesenjak）|迪克·巴赫雷（Dirk Bähre）|安妮·容格（Anne Jung）
萨尔兰大学，生产工程系，A4.2校区，66123 萨尔布吕肯，德国
**摘要**
增材制造的晶格结构能够实现轻质组件，并具有可定制的机械响应特性，但其性能往往受到支柱尺度制造效应的影响，而非名义几何形状的控制。本研究采用统计设计的实验方法，研究了通过激光粉末床熔融（LPBF）工艺制造的AlSi10Mg手性负泊松比晶格结构的压缩行为。通过全因子实验设计，量化了线能量密度、扫描策略、应力释放热处理和喷砂处理对刚度、强度、能量吸收和有效泊松比的单独及综合影响。压缩测试结合数字图像相关性分析显示，晶格结构的变形模式从脆性层状坍塌到延性弯曲行为不等。结果表明，线能量密度和热处理主要控制着强度-延性平衡，而扫描策略通过影响内部凝聚力和变形局部化显著影响刚度、能量吸收和负泊松比响应。相比之下，喷砂表面处理对性能的影响较小。这些发现突显了LPBF工艺参数、后处理与手性晶格结构机械响应之间的强烈耦合关系，并强调了在设计用于轻量化及能量吸收应用的负泊松比超材料时选择特定几何形状的必要性。
**1. 引言与现状**
蜂窝固体和晶格材料长期以来一直被研究作为轻质和能量吸收材料。早期的基础工作建立了结构与机械性能之间的关键关系，为泡沫和周期性晶格的分类与分析提供了基础[1]、[2]。后续综述强调了周期性晶格结构在机械效率和可重复性方面的优势[2]。随着增材制造技术的发展，激光粉末床熔融（LPBF）工艺使得制造具有复杂拓扑结构和可控特征尺寸的金属晶格成为可能，从而支持轻量化设计中的定制机械性能[3]、[4]、[5]。特别是AlSi10Mg晶格，其可制造性、几何精度和压缩响应已得到研究，表明单元格设计和加工过程对最终机械性能有显著影响[3]、[4]、[5]。
LPBF技术已被用于多种研究，以生产支柱厚度在亚毫米级的AlSi10Mg晶格结构[6]。尽管总体可制造性已得到验证，但越来越多的人认识到支柱尺度制造效应会主导LPBF晶格的性能。针对单条轨迹和晶格结构的工艺窗口研究为熔池稳定形成和可接受的质量提供了指导[3]、[7]。然而，从块材样品或孤立轨迹得出的稳健工艺窗口并不一定适用于支柱尺寸在亚毫米级的晶格结构，在这些结构中，局部扫描历史、温度梯度和扫描路径不连续性变得至关重要[6]。因此，能量输入和扫描策略控制着熔池动态、轨迹间结合以及热历史，从而影响支柱形态、残余应力和缺陷分布[3]、[7]。
在机械超材料这一更广泛的类别中，负泊松比晶格具有吸引力，因为压缩时的横向收缩可以增强抗压性、能量吸收和损伤容忍度[8]、[9]。增材制造加速了负泊松比结构的发展，并实现了以前难以制造的三维实现[10]。然而，报道的负泊松比性能和抗压稳定性差异很大，这种差异通常与制造过程中的几何形状和缺陷有关，而不仅仅是拓扑结构本身[8]、[11]。手性负泊松比晶格的负泊松比主要源于准刚性节点周围的韧带旋转，因此对韧带厚度、表面完整性和局部支柱质量特别敏感[12]、[13]、[14]、[15]。关于增材制造的手性及相关负泊松比结构的研究表明，设计几何形状与实际制造几何形状之间的偏差会导致泊松比和力-位移响应的显著变化[12]、[13]、[16]、[17]、[18]。对于AlSi10Mg，最近的研究指出，可制造性限制和缺陷分布控制着空心支柱概念的强度和失效[12]、[19]，而关于板状晶格结构的研究表明，表面和薄壁质量影响屈服后机制和能量吸收[16]、[20]。这些发现共同推动了基于工艺的机械设计方法，而不仅仅是基于几何形状的设计[4]、[5]、[21]、[22]。
关于LPBF晶格制造挑战、缺陷形成以及与AlSi10Mg晶格结构相关的后处理效应的更多背景信息，请参见[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]。除了实验表征外，最近的研究还涉及负泊松比和手性超材料的结构优化、多功能设计以及先进建模策略，包括混合和数据驱动方法，这些方法有助于高效探索广泛的设计空间[14]、[15]、[34]、[35]、[36]。尽管取得了这些进展，仍缺乏统计上稳健的多因素研究来量化LPBF参数选择和扫描策略如何与后处理方法相互作用，以控制负泊松比手性晶格的压缩响应[8]、[9]。这一点尤为重要，因为扫描策略和能量输入影响熔池动态、轨迹间结合以及热历史，从而影响支柱形态、残余应力和缺陷分布[8]。来自蜂窝结构的证据进一步表明，扫描模式的选择可以通过影响残余应力和变形局部化来显著改变机械响应，这促使人们将工艺、几何形状和后处理视为相互作用的因素[8]。
在本研究中，通过实验量化了（i）LPBF参数集（通过线能量密度表示）、（ii）扫描策略、（iii）应力释放热处理和（iv）喷砂对AlSi10Mg手性晶格结构压缩行为的影响，这些晶格的支柱尺寸在亚毫米范围内。采用复制的全因子实验设计（DoE）[24]、[37]来确定刚度、塑性坍塌应力、平台期/软化行为、吸收能量和有效泊松比的主要效应及交互效应，为增材制造中的性能驱动设计提供了统计支持的过程-结构-性能关系。为了系统地捕捉参数（i-iv）与机械性能之间的相互作用，使用雷达图表示结果，从而便于比较上述机械性能。通过将相关参数空间整合到直观的可视化框架中，该方法有助于识别特征性能曲线和各个指标之间的潜在权衡。因此，这项工作为定制亚毫米支柱直径的AlSi10Mg手性晶格结构的机械性能提供了系统基础，从而有助于更好地理解增材制造金属手性晶格中制造与性能之间的关系。
**2. 材料与方法**
2.1. 材料
本研究中使用的铝合金AlSi10Mg实际上是一种铸造合金，其化学成分符合EN 1706标准，见表1。
表1. SLM Solutions Group AG提供的AlSi10Mg粉末的化学成分
元素 | Al | Si | Mg | Mn | Ti | Zn | Cu | Ni | Pb | Sn | wt%
--- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | ---
| 100 | 55 | 0.45 | 0.45 | 0.15 | 0.10 | 0.05 | 0.05 | 0.05 | 0.05
由于其良好的焊接性、高导热性和低凝固范围，AlSi10Mg非常适合L-PBF工艺，目前是该技术中最常用的铝合金。其良好的刚度重量比使其在轻量化应用中得到广泛应用[38]、[39]。所使用的AlSi10Mg粉末（SLM Solutions Group AG，吕贝克，德国）主要由20–63 µm大小的球形颗粒组成，质量密度约为2.67 g/cm³[39]。本研究使用的粉末批次的具体特性见[40]。
本研究中研究的手性晶格结构（图1）基于我们之前工作中的手性负泊松比结构[14]、[15]。所研究的基单元格形状对应于规则立方单元格的第10个特征模式，该模式在[12]中首次提出，并在[13]、[36]中进行了详细研究。单元格几何形状基于弯曲支柱，支柱呈正弦波形状，其转折点位于节点处。
**2.2. 实验方法**
数字构建准备过程（包括零件定位、支撑和切片）在Materialise Magics23（Materialise nv，鲁汶，比利时）中实现，使用SLM Build Processor [41]。所有样品均在SLM®125机器（Nikon SLM Solutions AG，吕贝克，德国）上制造。该机器的构建范围为125 × 125 × 125 mm³，并配备400 W光纤激光器[42]。
L-PBF构建过程分为三个步骤，重复这三个步骤直到完成工件的所有层：
1. 将构建平台降低一层厚度。
2. 通过再涂层系统将预定量的金属粉末铺展到构建平台（第一层）或现有的粉末床上。
3. 用聚焦激光束选择性熔化粉末。
在实际L-PBF过程之前，构建腔室会被惰性气体（本例中为氩气）充满，以防止构建过程中的氧化。此外，平台会加热至150 °C以减少温度差异和待制造零件的残余应力。
进行了初步的适用性研究，包括表面质量和表层缺陷方面的评估。这里的“参数集”包括不同零件区域（体积、填充轮廓、边界、表层、下层）的激光功率P、扫描速度v和阴影距离d。“扫描策略”定义了激光路径模式（见图2）。本研究仅调查了“全填充”和“带条纹图案的阴影”两种扫描策略。
文献描述了扫描策略对孔隙率和残余应力形成的影响，这取决于扫描向量的长度和交叉[8]、[9]。在AlSi10Mg中，准静态强度随孔隙率的增加而急剧且非线性下降，这意味着不同扫描区域之间的连接方式以及扫描向量在多层粉末中的堆叠方式会降低强度[43]。
基于Großmann等人的工作[7]，本研究将使用两组参数集。这两组参数集分别称为“高Elin”和“低Elin”。为了便于比较，采用文献中提到的Elin作为能量密度的单位[7]。Großmann等人[7]还指出，熔池宽度b与线能量密度有关：
(1) b ∝ Elin
因此，所有扫描向量之间的距离参数di（如阴影距离d）都通过保持相同的di/b比率来确定——即相同的di/√Elin比率。
定义线能量密度Elin为：
(2) Elin = Pv
两组参数集的主要差异源于激光功率P和扫描速度v的不同。两组参数的关键参数列在表2中：
表2. 使用的L-PBF参数集的关键参数（以“阴影体积”区域为例）
| 参数 | “低Elin” | “高Elin” |
|--------------|---------|---------|
| P [W] | 200 | 250 |
| v [mm/s] | 330 | 200 |
| d [mm] | 0.079 | 0.114 |
| Elin [J/mm] | 0.06 | 0.125 |
即使扫描策略对样品没有明显影响，两种扫描策略仍被保留用于后续研究，因为不同的内部凝聚力可能导致不同的机械性能。此外，不同的扫描路径可能在制造过程中引起支柱内部不同的热条件，从而影响机械性能。
样品的制造流程如图3所示：除了上述的数字构建准备过程和实际的L-PBF构建过程外，还展示了后续的后处理步骤。L-PBF过程完成后，清除粉末并将构建平台从机器上取下。如果适用，平台将在Nabertherm LH60/12炉（Nabertherm，Lilienthal，德国）中进行热处理，处理温度为300 °C，持续时间2小时，这一处理在文献中有广泛研究[20]、[29]，同时也列在机器制造商的材料数据表中[39]。之后从平台上取下样品，并使用小型侧切刀去除支撑结构。接下来进行10分钟的超声波清洗以去除粘附的粉末颗粒。最后，在适用的情况下进行喷砂处理。因此，使用了PEENMATIC®620微喷砂舱（iepco，Leuggern，瑞士）。在3巴的压力下，晶格结构的每个面都进行了3次处理：正面处理以及分别倾斜45°和-45°。下载：下载高分辨率图像（199KB）下载：下载全尺寸图像图3. 样品制造的工作流程；只有在适用于相应因素组合的情况下才进行热处理和喷砂。2.3. 实验设计（DoE）将研究一个全因子设计，包括四个因素参数集、扫描策略、热处理和喷砂及其各自的水平。这组合起来共有nf = 4个因素，每个因素有nl = 2个水平（见表3），共产生16种因素水平组合。表3. 全因子设计的因素和水平。因素水平-水平+参数集（PS）低Elin高Elin扫描策略（SS）阴影总填充热处理（HT）无有喷砂（SB）无有为了防止干扰掩盖可能的效应，制造了三个重复实验，分为三个组。由于一个制造平台上可以制造四个样品，每个组包含四个制造平台，即制造作业。因素水平组合通过以下程序分配给这些制造作业：1. 每组中的两个制造作业被随机选择进行热处理。2. 八种带有热处理的因素水平组合被随机分配到这两个制造作业中的2×4个样品位置。其余八种没有热处理的因素水平组合也以类似方式处理，并分配给其他两个制造作业。这个程序对每个组分别应用，从而确保每个因素水平组合在制造平台上的位置不同。这样可以消除制造平台位置的影响。将需要热处理的平台分开，使得热处理的次数最少，从而减少时间和能源消耗。整个研究中的置信水平设定为0.05，相当于效应仅由偶然性引起而非所研究因素导致的概率为5%。2.4. 压缩测试对手性晶格结构进行了压缩测试以进行机械表征。这些测试是在ElectroPuls E10000万能试验机（Instron® GmbH，Darmstadt，德国）上进行的。使用的最重要的测试参数列在表4中。表4. 压缩测试的测试参数。测试参数值应变率 [1/s]0.003相机触发步长 [mm]0.2最大载荷 [kN]9.5最大位移 [mm]40为了了解变形行为，对两个相互垂直的样品表面应用了数字图像相关性（DIC）技术。为此，在样品上施加了不规则的斑点图案。使用两台Manta G-917B 9MP相机（Allied Visions Technologies GmbH，Stadtroda，德国）拍摄了这两个表面的图像。分析使用Istra4D软件（Dantec Dynamics，Skovlunde，丹麦）进行。Poisson比是通过Kose等人[36]描述的方法使用DIC确定的。数据分析是在一个自定义的MATLAB脚本中进行的。应力和应变是根据原始表面积（690.37 mm²）和长度（45.2 mm）的边界框值从力和位移数据计算得出的。应力值通过样品密度（样品质量除以边界框体积）进行了归一化，以便在不同支柱直径的因素组合之间进行比较。所有其他值均按表5所示确定。致密化区域定义为细胞结构发生显著塌陷的区域，在此区域内，相对的细胞支柱开始接触，导致应力随着应变的增加而增加。在这个区域，材料逐渐从蜂窝结构转变为致密的准固态，机械响应接近完全致密的母材料的响应，并且应力急剧增加。表5. 压缩行为的特征值确定。参数确定刚性线性拟合到线性弹性区域塑性塌陷应力 σPCS首次最大软化应力 σsoftσPCS后的最小值平台应力 σplε = 0.2–0.5时的平均应力值吸收的能量 W0.3σ的数值积分，直到ε = 0.3吸收的能量 W0.6σ的数值积分，直到ε = 0.6基于DIC图像中ε0和εPC的长度比较的Poisson比选择用于评估平台应力和吸收能量的应变区间是基于本研究中观察到的蜂窝材料的特征变形区域。用于确定平台应力和吸收能量的应变区间ε = 0.2–0.5的范围对应于初始塑性塌陷应力（σPCS）之后的稳定塌陷区域和致密化开始之前的区域，如应力-应变曲线所示（参见图7，图8）。在较低的应变（ε < 0.2）下，响应仍受初始峰值应力和瞬态软化的影响，而在较高的应变（ε > 0.5）下，致密化导致应力显著增加。下载：下载高分辨率图像（81KB）下载：下载全尺寸图像图4. 喷砂对表面形态的影响：a) 在样品表面，b) 在样品中心。下载：下载高分辨率图像（131KB）下载：下载全尺寸图像图5. a) 支柱直径的尺寸测量方法 b) 根据所使用的因素组合的支柱直径散点图（橙线表示设计值0.84 mm；仅评估未经热处理的样品）。下载：下载高分辨率图像（352KB）下载：下载全尺寸图像图6. 例如，高Elin/总填充/HT/无SB因素组合的应力-应变曲线及其相应的变形状态。下载：下载高分辨率图像（317KB）下载：下载全尺寸图像图7. 根据所应用的因素组合的压缩测试应力-应变曲线。蓝色曲线对应未经热处理的样品，红色曲线对应经过热处理的样品，SB表示喷砂。下载：下载高分辨率图像（188KB）下载：下载全尺寸图像图8. 所有高Elin组合的压缩测试应力-应变曲线，取决于扫描策略和热处理。蓝色曲线对应未经热处理的样品，红色曲线对应经过热处理的样品。选择的W₀.₃和W₀.₆能量值分别代表中等和较大变形水平下的能量吸收。ε = 0.3捕捉到显著致密化之前的塌陷主导阶段，而ε = 0.6包括向致密化的过渡，因此反映了在大压缩应变下的整体能量吸收能力。这种方法与蜂窝材料的常见表征实践一致，其中机械性能是在由塌陷和致密化行为定义的变形区域内评估的。2.5. 表面质量和尺寸精度通过使用Keyence VHX7000数字光学显微镜（Keyence，Neu-Isenburg，德国）和VH-Z100R镜头，对所有未经热处理的因素组合的表面质量和尺寸精度进行了研究。未经喷砂样品的显微照片是在完成相应工作流程（见图3）和超声波清洗后拍摄的。关于表面，松散颗粒的去除使得表面粗糙度明显降低。此外，由于颗粒撞击导致的塑性变形形成了凹凸不平的表面。比较样品表面和样品中心的支柱形态，没有发现差异，如图4所示。为了评估尺寸精度，根据图5a)测量了支柱直径d。此外，还测量了几何参数单元格尺寸L以及振幅A的投影Aproj。由于显微照片是沿着单元格坐标系的平面记录的，因此无法直接测量正弦振幅A。然而，振幅A本身是在相对于该坐标系倾斜45°的平面上定义的（见图1）。这些特征几何值是在显微镜软件中测量的。每个样品在两个单元格上进行了测量，一个在朝上的面上，另一个在朝下的面上。每个样品得到了16个支柱直径值和8个单元格尺寸和正弦振幅值。从中计算了平均值、标准差和DoE参数作为效应及其相应的显著性。所有不同因素组合的测量中的误差条宽度相似，表明所研究的参数没有引起特别高或低的变异水平。这表明后来确定的应力值是可比的，因为支柱直径的较大变化会改变晶格的蜂窝性，从而影响其强度。由于支柱直径对后续的机械表征特别重要，因此图6中仅显示了相关的测量方法和测量值。3. 结果和讨论3.1. 一般变形行为应力-应变曲线呈现出蜂窝材料典型的形状，包括（伪）弹性区、平台区和致密化区。在图6中，示例性地展示了高Elin/总填充/HT/无SB样品的行为，以及通过DIC确定的相应变形状态。在达到塑性塌陷应力（σ_PCS）之前，变形发生在大部分支柱保持完整的情况下。超过这一点后，变形局部化并通过逐步的层状塌陷进行。可以看出，在达到塑性塌陷应力之前，晶格结构变形时支柱保持完整（应变从0.00到0.06）。超过塑性塌陷应力后，变形局部化，孔层随后塌陷（应变 > 0.06）。3.2. 工艺参数对应力-应变响应的影响所有因素组合的应力-应变曲线（图7）显示出平台行为、软化响应和致密化开始的系统差异。这些特征可以直接与实验确定的参数（σPCS、σsoft、σpl、能量吸收）联系起来。为了更详细的描述，图8还直接展示了所有高Elin组合，概述了热处理和未热处理的效果（图8，上图）以及阴影和总填充扫描策略的效果（图8，下图）。未经热处理的组合的应力-应变曲线比经过热处理的组合的曲线更加脆性，这可以从曲线中的明显应力波动看出，无论扫描策略如何。比较不同的扫描策略，差异不那么明显。阴影策略显示的应力-应变图比总填充策略略大。为了更好地理解潜在的微观力学变形机制，除了高Elin/总填充/HT/无SB组合的DIC图像（见图6）外，图9还展示了图8中其他组合的应力-应变曲线的DIC图像。在不同组合中，微观力学变形行为没有明显变化。下载：下载高分辨率图像（332KB）下载：下载全尺寸图像图9. 图8中不同因素组合的DIC分析和相应的变形状态（高Elin/总填充/HT/无SB组合的相应变形状态已在图6中显示）。总之，图7和图8中观察到的各种因素组合的应力-应变曲线差异可以直接与第2.4节中定义的实验确定特征参数联系起来。特别是，平台区域的形状与平台应力与塑性塌陷应力之比（σpl/σPCS）相关，软化行为与σsoft/σPCS之比相关。经过热处理的样品表现出相对恒定的平台应力 和更高的σsoft/σPCS比率，表明更延性的变形行为。这一观察结果得到了归一化效应分析（图10）的定量支持，其中热处理对延性相关结果的影响最大。下载：下载高分辨率图像（247KB）下载：下载全尺寸图像图10. 参数集、扫描策略、热处理和喷砂的归一化效应。相比之下，未经热处理的样品在σPCS之后显示出明显的应力下降，对应于较低的σsoft值，因此表现出脆性的层状塌陷。这种效应在包括喷砂和总填充扫描策略的组合中尤为明显，这些组合显示出最低的σsoft/σPCS比率，在某些情况下，应力降低接近零。这些趋势与喷砂对延性相关指标的统计显著负面影响一致。此外，致密化的开始可以与应力迅速增加的应变相关联，对于经过热处理的样品，这一应力增加发生在较低的应变值。这种行为归因于延性变形期间支柱纠缠的增加，并且在所有重复实验中都一致观察到。相应的趋势反映在评估的能量吸收值中，这些值显示在较低应变水平下，热处理条件下的贡献更大。总体而言，观察到的曲线形态差异不仅仅基于定性解释，还直接得到了实验测量的应力-应变数据和统计评估结果参数的支持。特征值和标准化效应的联合分析证实，平台行为、软化响应和致密化开始的变化是由所研究的工艺参数以一致且可重复的方式控制的。主要观察结果可以总结如下：
• 热处理的影响：
- 产生平滑稳定的平台区域
- 增加σsoft/σPCS比和σpl/σPCS比
- 表明具有延展性、以弯曲为主的变形
• 未热处理的影响：
- 在σ_PCS之后出现明显的应力下降
- σ_soft值低
- 具有典型的脆性、分层崩塌特性
• 喷砂处理的影响（特别是全填充时）：
- 崩塌后软化明显
- 在极端情况下，应力下降接近零
- 表明结构完整性和脆性响应降低
• 致密化行为：
- 在热处理样品中在较低应变下发生
- 归因于延展性变形过程中支柱的相互缠绕增加
- 由应力上升和能量吸收的提前增加所支持
这些趋势在所有重复实验中都是一致的，并得到了图10.3.3中统计评估的支持。为了更好地比较特定因素对不同结果测量的影响，使用了Maurer等人[43]提出的标准化效应。因此，本工作中没有额外展示主要效应和交互效应的“常规”效应图。标准化效应是通过将因素x的效应（例如Ex,y）除以所研究结果测量的平均值y来确定的。然而，在平均值为负的情况下（如泊松比），这种做法不能保持效应的符号——正效应Ex,y > 0在负平均值y < 0的情况下会导致负标准化效应Ex,y < 0。因此，将使用平均值的绝对值，从而得到以下标准化效应的定义，该定义保留了效应的符号：
(3)̅̅Ex,y̅ = Ex,y / y̅
从图10中可以看出，参数集的高Elin对刚度和强度以及延展性都有益处。这个因素对刚度和塑性崩塌应力的标准化效应最高，分别为0.37和0.30。唯一受到高Elin不利影响的结果是平台应力/塑性崩塌应力比以及泊松比，这两者之前已经讨论过。扫描策略对能量吸收、平台应力和泊松比的效应绝对值与参数集相似，但符号相反。同时，其对刚度和塑性崩塌应力的效应分别只有参数集的一半和三分之二，保持了符号的反转。因此，就主要标准化效应而言，相对于全填充，更倾向于选择hatch策略。然而，参数集-高Elin和扫描策略-hatch都显示了良好的刚度和强度与良好延展性的非传统组合。一个可能的原因是层与层之间以及同一层内的扫描路径之间的内部凝聚力更好。实际上，来自支柱的断裂表面显示高Elin和hatch的孔隙率较低。正如Ferro等人[43]所展示的，较高的孔隙率会导致由于名义截面积减小以及应力集中效应而降低的极限抗拉强度。可能的是，较高的能量输入也可能导致后续层之间的更好结合，这从断裂表面无法观察到。此外，高Elin参数集还导致表面质量更好，从而减少了表面应力集中点的数量。所有这些可能的原因限制了裂纹起始点的数量，从而避免了过早的裂纹形成和失效，这可能导致延展性、强度和刚度降低。
观察到的机械响应差异，特别是在延展性、软化行为和强度方面，表明所研究的参数组合之间存在内部凝聚力和缺陷数量的变化。使用较高线性能量密度和hatch扫描策略处理的样品表现出更好的机械性能，这可以归因于增强的轨道间和层间结合以及减少的未熔合缺陷的存在。相反，较低的能量输入或不利的扫描策略可能会促进孔隙率的增加和内部凝聚力的减弱，导致过早的裂纹起始和脆性崩塌行为。
然而，应该注意的是，这些解释并不是基于本研究中直接的微观结构或μCT表征。相反，它们是从实验观察到的应力-应变行为推断出来的，并得到了实验设计的统计验证趋势以及文献中报道的LPBF制造的AlSi10Mg晶格结构的已知发现的支持。因此，所提出的机制应被视为合理的、与文献一致的解释，而不是直接验证的观察结果。因此，详细的微观结构和μCT研究被认为是未来工作的重要课题，以进一步证实这里确定的工艺-结构-性能关系。
热处理对延展性起着关键作用，并在所有因素和结果测量中提供了两个最大的标准化效应，即软化应力/塑性崩塌应力（0.86）和平台应力/塑性崩塌应力比（0.50）。它还增强了能量吸收和平台应力，同时降低了塑性崩塌应力。它对刚度没有显著影响，对泊松比有小的、期望的影响。这些发现与热处理引起的微观结构演变一致，因为构建后的非平衡状态、过饱和的共晶网络通过沉淀和球化发生了变化。AlSi10Mg的相图以及构建后和热处理状态的微观结构结果已在文献[44]中报道。热处理对延展性起着关键作用，并在所有因素和结果测量中提供了两个最大的标准化效应，即软化应力/塑性崩塌应力（0.86）和平台应力/塑性崩塌应力比（0.50）。它还增强了能量吸收和平台应力，同时降低了塑性崩塌应力。它对刚度没有显著影响，对泊松比有小的、期望的影响。这些发现与文献[20]、[29]、[30]中报道的LPBF制造的AlSi10Mg的微观结构演变机制一致。特别是，大约300°C的应力释放热处理已知可以减少残余应力，并促进硅网络的沉淀和部分球化，从而从构建后的非平衡蜂窝微观结构向更平衡的状态转变。这种转变通常与延展性的提高和强度的降低相关，这与本研究中观察到的延展性相关指标的增加和更平滑的平台行为直接一致。
应该注意的是，本研究中没有进行专门的微观结构表征（例如SEM或EBSD）。因此，微观结构效应的解释是基于与文献一致的机制，而不是直接实验观察。本研究关注宏观层面的统计稳健的工艺-结构-性能关系，而详细的微观结构分析是未来研究的重要课题。
最后，与其他因素相比，喷砂处理的标准化效应很小，其最大效应的绝对值仅为0.20：它略微增强了刚度和塑性崩塌应力，但对所有与延展性相关的结果测量都有负面影响，特别是对软化应力与塑性崩塌应力比的影响。它还减少了负泊松效应。这些观察结果可以与喷砂过程中的塑性变形有关，导致表面出现凹痕和表面加工硬化。正如Bagherifard等人[45]所述，喷砂后硬度增加，直到100微米的深度（见小节2.2.4），41%到46%（高Elin、hatch和低Elin、全填充分别）的支柱截面会受到这种硬化的影响。这也解释了为什么在所有情况下都能观察到喷砂的影响：文献中报告了喷砂对机械（拉伸）性能的微小变化。然而，这些是在宏观样品上测量的，对于那个非常小的亚毫米尺寸范围的样品来说，100微米表面层的影响是不可检测的。
此外，从工业角度来看，喷砂在可重复性和过程控制方面存在挑战，特别是对于复杂的晶格结构。颗粒冲击的随机性，加上内部支柱的可访问性有限，可能导致表面修改不均匀和局部机械性能的变化。随着组件尺寸和几何复杂性的增加，这些效应预计会变得更加明显。考虑到本研究中观察到的相对较小且部分不利的机械效应，以及额外的加工努力，喷砂在工业规模生产性能关键晶格结构方面的适用性似乎有限，应该仔细评估与更可控的后处理方法相比。
尽管标准化效应提供了一个合适的手段来了解哪些因素最具影响力以及哪些水平最有前景，但它们的不便之处在于没有考虑它们之间的相互作用。可以绘制标准化的交互效应图。然而，交互效应的含义并不直观，只有结合相应的主效应才能理解。一种更简单的方式来了解“最佳”因素组合是什么——无论是为了最佳的整体性能还是为了最大化一个或多个结果测量，同时较少关注其他因素——是通过雷达图提供的。对于这种类型的图，几个轴——每个结果测量一个——从一个单独的点径向延伸出来。轴的刻度范围是从数据集中观察到的最小值到最大值，方向选择使得最有利的值离中心点最远。一个因素组合的所有测量都标在相应的轴上，并随后连接起来，形成一个多边形。这个多边形的面积和形状说明了该因素组合的有利程度，以及它是否只满足某些结果测量，或者它是否是一个更全面的组合。
从标准化效应得出的主要结论是：
• 线性能量密度（Elin）：
- 对刚度和σPCS有最强的正面影响
- 提高延展性和整体机械性能
- 因此，高Elin是首选的参数集
• 扫描策略：
- hatch策略提高了刚度、强度和能量吸收
- 全填充增强了负泊松效应
- 根据应用需求存在权衡
• 热处理：
- 对延展性相关性能起主导作用
- 总体上具有最高的标准化效应
- 增加了平台稳定性和能量吸收
- 略微降低了σPCS
• 喷砂：
- 整体影响较小
- 刚度和强度略有增加
- 对延展性和负泊松效应有负面影响
总体而言，结果表明线性能量密度和热处理是机械性能的主要驱动因素，而扫描策略能够实现特定应用的定制，喷砂只起次要作用，这突显了需要有针对性和基于过程的参数选择。
3.4. 整体性能评估
雷达图（图11）提供了所有结果测量的综合评估。从图11中的压缩测试数据的雷达图中可以看出，未经热处理的因素组合（蓝色和橙色）由于在延展性相关结果测量中的性能较弱，因此呈现最小的多边形面积。尽管如此，它们可以达到最高的塑性崩塌应力，在某些情况下，刚度也略好。然而，对于大多数应用来说，延展性的重大缺陷不会被更高的刚度和强度所抵消。正如标准化效应已经显示的，喷砂只有较小的影响。它对塑性崩塌应力有正面影响，并且结合低Elin或在没有热处理的情况下，也对刚度有正面影响，但对延展性有负面影响。此外，它减少了所有参数组合、扫描策略和热处理的负泊松效应。此外，喷砂是一个劳动密集型过程，可能缺乏可重复性。
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图11.不同因素水平组合的压缩测试数据的雷达图。尽管本研究证明了能够很好地穿透到内部试样位置，但还需要进一步研究这一点是否也适用于更大规模的工业结构。小效应的结合——有些是正面的，有些是负面的——以及关于加工方法的开放性问题，表明可以省略喷砂处理。关于参数集，最大的表面面积，即最佳的整体性能，出现在高Elin的情况下，除了最低的泊松比，该泊松比出现在低Elin/总填充量/高温/无喷砂的情况下（-0.29，相比之下高Elin/总填充量/高温/无喷砂的情况下为-0.28）。然而，这种相对较小的差异可能并不足以抵消大多数应用场景中的低强度和低刚度问题。因此，选择高Elin的参数集更为合适。考虑到表面质量和支柱直径的发现，可以假设低Elin的线性能量密度太小，无法实现粉末的充分熔化，从而降低了内部凝聚力，进而影响了机械性能。与引言中提到的工艺窗口相比，这些结果表明，Großmann等人[7]报告的以及本研究验证的无论是低Elin还是高Elin情况下的满意支柱形态，并不一定能带来满意的机械性能。与Kempen等人[6]提出的最高密度工艺窗口相比，高Elin参数集接近该工艺窗口的最低线性能量密度边界，而低Elin参数集则不接近这一边界。这进一步支持了后者参数集缺乏内部凝聚力和孔隙度的假设。然而，由于这个基于密度的工艺窗口是基于整体试样确定的，因此仍需验证其对于薄结构（如当前的手性晶格）的有效性。最后，对于扫描策略的选择更加困难，且取决于具体应用所需的性能：虽然平台应力与塑性崩塌应力的比值受扫描策略的影响较小，但hatch模式提供了更好的刚度、塑性崩塌应力和能量吸收能力。尽管后两者有所降低，但仍足以满足总填充量的要求。因此，从雷达图得出的主要结论是：
- 未经热处理的试样：
- 可以实现高强度
- 延展性较差 → 适用性有限
- 经过热处理的试样：
- 机械性能平衡
- 能量吸收能力更强
- 喷砂处理：
- 好处有限
- 对延展性有负面影响
- 工业适用性存疑
综上所述，最佳的全面因素组合是高Elin/总填充量/高温/无喷砂（图11，右下角，黄色）。然而，如果可以接受较低的辅助效应，可以用hatch模式替代总填充量，以获得更好的刚度、塑性崩塌应力和能量吸收能力（图11，左下角，黄色）。在特殊应用情况下，其他因素组合也可能适用。雷达图为这些选择提供了清晰且直观的展示方式。
4. 结论
本研究通过对LPBF制造的AlSi10Mg手性晶格结构的压缩和辅助效应响应进行了统计上稳健的调查，通过重复的全因子实验设计系统地量化了工艺-结构-性能之间的关系。结果明确指出，线性能量密度和热处理是控制机械性能的主要工艺参数。线性能量密度决定了支柱的完整性和内部凝聚力，从而影响刚度、塑性崩塌应力以及强度-延展性平衡。热处理是影响延展性的关键因素，显著稳定了平台区域并提高了能量吸收能力，尽管崩塌应力略有下降。相比之下，扫描策略可以有针对性地调整机械响应，hatch模式提高了刚度、强度和能量吸收能力，而总填充量则增强了辅助效应。表面喷砂处理仅产生轻微且部分不利的效应，因此对性能优化作用有限。数字图像相关性分析表明，工艺引起的应变局部化和崩塌机制的变化是影响能量吸收和辅助效应的主要因素。这些发现表明，手性晶格结构的机械性能不能仅从名义几何形状推断出来，而是受到工艺依赖的支柱质量和变形模式转变的强烈控制。
从工程角度来看，研究结果强调了基于性能的LPBF晶格结构设计需要综合考虑工艺参数和几何形状，而不能仅依赖几何形状设计。所提出的框架支持基于统计数据的参数选择，并为根据特定应用需求调整晶格行为提供了基础，例如最大化能量吸收或辅助效应。需要注意的是，对内部凝聚力和缺陷相关机制的解释基于机械响应和文献中的论据，因为没有进行直接的微观结构或μCT表征。未来的工作将致力于将统计识别的趋势与定量微观结构描述符联系起来，以进一步阐明工艺-结构之间的关系。总体而言，本研究加深了对LPBF制造辅助效应晶格中工艺-结构相互作用的理解，并为轻质和吸能超材料的设计策略的发展做出了贡献。
未引用的参考文献：
[46], [47]
CRediT作者贡献声明：
Franziska Maurer：撰写——原始草稿、监督、方法论、研究、形式分析、数据管理、概念化。
Nejc Novak：监督、研究、概念化。
Anabel Röhrig：可视化、验证、方法论、研究、形式分析、数据管理、概念化。
Anne Jung：撰写——审稿与编辑、撰写——原始草稿、监督、资源管理、项目行政、方法论、资金获取、形式分析、概念化。
Dirk Bähre：监督、资源管理、项目行政、资金获取。
Matej Vesenjak：监督、研究、概念化。
