作者

丁俊豪¹，曲硕¹，张胜标²，胡宗鑫¹，冯振勇³，高天宇⁴，傅铭旺^3,*，张磊⁵，Chinnapat Panwisawas⁶， 陈文^2,*，宋旭^1,*

机构

1.香港中文大学

2.美国马萨诸塞大学

3.香港理工大学

4.中南大学

5.上海交通大学

6.伦敦玛丽女王大学

Citation

Ding J H et al. 2026. Laser additive manufacturing of high-resolution microscale shell lattices by toolpath engineering. Int. J. Extrem. Manuf. 8 015002. 

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/ae01ff

撰稿 | 文章作者

文章导读

在高性能微结构制造中，几何精度、结构完整性与计算效率三者存在权衡难题。近日，香港中文大学宋旭团队联合南加州大学陈文教授、香港理工大学傅铭旺教授等，提出“STL-free混合路径”策略，突破传统LPBF工艺瓶颈，实现打印质量、结构强度与计算效率的多重提升。并在SCI期刊《极端制造（英文）》期刊上发表了题为“Laser additive manufacturing of high-resolution microscale shell lattices by toolpath engineering”的文章。

图文解析

1. 从函数到路径：高效、高分辨率和高保真度

团队首次提出“STL-free”混合路径生成方法，直接从隐式几何函数生成激光扫描路径，完全绕过STL网格处理流程（图1-2）。相比传统方法，内存占用与计算时间减少90%以上。同时，通过区分薄壁与连接区域，混合路径策略显著提升了打印精度与几何保真度。

图1 面向PBF增材制造技术的路径工程。

图2 函数到扫描路径生成步骤及梯度和多层级结构设计。

2. 高性能打印：力学性能全面提升

实验与模拟显示，该策略打印出的微尺度壳格结构在拉伸强度、延展性、疲劳寿命等方面均优于传统路径。以TPMS格结构为例，屈服强度提升66%，极限强度提升122%，且损伤积累更慢、疲劳寿命更长（图3）。

图3 薄壁微晶格结构的力学性能。

3.跨学科应用验证：轻质支架 & 高效冷却板

轻质支架：成功打印TPMS填充结构，强度提升52%，吸能能力提升5倍，打印效率提升近50%。 

高效冷却板：采用纯铜打印紧凑型冷却器，散热效率提升60%，同时保持低压降，展现出优异的热管理性能和工业应用潜力。

图4 案例验证: 轻质支架与高效冷却板。

总结与展望

本研究提出的“STL-free混合路径策略”有效整合设计与制造流程，在几何精度、力学性能与计算效率方面取得显著提升，为航空航天、生物医用、热管理等领域的微结构制造提供了新路径。未来，团队将进一步探索结构-性能协同优化与微观组织可控制造，推动增材制造向更高精度与智能化发展。

作者与团队简介

宋旭，香港中文大学

宋旭，香港中文大学机械与自动化工程系副教授。在罗尔斯·罗伊斯大学技术中心（RR-UTC）牛津分部从事两年博士后研究后，于2012年加入新加坡科技研究局（A*STAR）下属的制造技术研究院（SIMTech）担任研究科学家（2019年晋升为高级科学家），致力于多种微金属加工技术的研究，尤其是微成形和微选区激光熔化技术。在Nature Communication, Science Advances，Advanced Science等知名期刊上发表了100余篇关于材料变形与制造工艺的论文，并自2023年起入选斯坦福大学/爱思唯尔发布的“全球前2%顶尖科学家”榜单。他近期在高精度选区激光熔化和数字光处理领域的研究成果为其赢得了红点设计奖、日内瓦国际发明展金奖等多项设计与制造领域的行业奖项。目前，他担任学术期刊Materials and Design的主编。

陈文，南加州大学

陈文，美国南加州大学航空与机械工程系及材料系副教授，从事材料科学与先进制造的交叉领域研究，旨在通过增材制造在多尺度上调控材料，实现极致性能。在耶鲁大学获得材料科学及机械工程博士学位，2016-2018于美国劳伦斯利佛摩尔国家实验室从事博士后研究，2018-2024任职于美国麻省大学机械工程系，获得过诸多国际奖项，包括NSF CAREER奖，麻省大学杰出青年教授奖，SME杰出青年制造工程师奖。在Nature, Nature Materials, Nature Communications, Physical Review Letters, Science Advances, Advanced Materials, Acta Materialia等一流学术刊物发表论文100多篇 ，并获得美国专利5项。

傅铭旺，香港理工大学

傅铭旺，香港理工大学机械工程系先进制造讲座教授，同时担任香港理工大学先进制造研究院副院长。美国制造工程师学会（SME）会士及香港工程师学会（HKIE）会士，并获英国皇家学会 Wolfson 访问教授荣誉。从事先进材料加工、多尺度及基于变形的制造技术、材料的塑性/损伤/断裂/疲劳行为、有限元建模与仿真、尺寸效应与微观力学等领域研究。并已发表300余篇期刊论文、6部专著以及由顶级出版社出版的《材料百科全书：金属与合金》一卷。