来自IMDEA材料研究所和马德里理工大学（UPM）的研究团队近期开发了一种创新的设计驱动方法论，旨在显著提升3D打印镍钛诺超材料的可变形性能。该方法将以设计为中心的方法与先进的激光粉末床熔融技术相结合，创造出有望变革机器人、航空航天和医疗保健应用的超弹性超材料。

镍钛诺因其卓越的超弹性和形状记忆效应，在生物医疗设备和高性能工程领域应用广泛。尽管激光粉末床熔融技术被视为其增材制造的“黄金标准”，但通过该工艺制造的零件，其可恢复应变传统上仅为常规制造产品的一半左右，且工艺加工的粉末常导致材料更脆。

为了克服这一性能限制，研究团队提出了一条创新路径：他们不再试图“修复”材料本身，而是转而通过算法驱动设计来优化其结构。团队构建了一个基于算法的设计框架，用于创造具有交织结构的超材料，包括网状、球形和环形构型。

该方法成功生成了管状点阵和圆柱形编织两大主要结构家族。通过这种参数化设计，研究人员能够在未改变粉末化学成分的情况下，实现对材料刚度、承载能力、能量吸收和韧性跨越数个数量级的调控。

该团队成功打印了完全自支撑的复杂编织结构，这得益于L-PBF工艺在制造过程中使用周围粉末来稳定部件，从而无需额外的支撑结构，使得后处理变得相对简单。

为确保打印的保真度，研究团队通过将3D打印样品的计算机断层扫描结果与切片软件的数字模型进行比对，逐微米地验证了结构的精度和可打印性。

这项成果标志着首次实现了基于设计的增材制造超弹性镍钛诺优化，表明当前增材制造工艺固有的力学缺陷可以通过创新的架构设计得到有效弥补。

增材制造镍钛合金的核心挑战在于功能一致性。虽然激光粉末床熔融技术能够实现复杂形态，但由于该合金的容限范围狭窄且热敏感性高，在加工过程中保持稳定的相变行为仍然困难。这导致了与传统生产材料相比的性能可变性。

IMDEA与马德里理工大学的研究采用了一种不同的方法，它不仅聚焦于材料优化，更利用了构筑几何结构来进行补偿，证明了可以通过设计来调整力学性能。

一个值得注意的案例是通过直接金属打印技术制造的可展开航空航天镍钛结构，其中打印的促动器实现了面积增加和重量减小的被动展开。

尽管有所改进，3D打印镍钛合金仍存在关键局限。其超弹性和形状记忆行为对镍含量、氧气暴露和热历史仍然高度敏感，导致与传统加工材料相比性能存在变异性。激光粉末床熔融技术可能引入微观结构各向异性和残余应力，这些问题无法单靠几何结构完全纠正。此外，编织或交织结构的复杂性给大规模或批量生产带来了实际挑战。

该项目成果发表在《虚拟与物理原型制作》期刊上，由Carlos Aguilar Vega、Andrés Díaz Lantada、Óscar Contreras、李慕子博士、Vanesa Martínez博士、Amalia San Román、Jon Molina教授和Rodrigo Zapata Martínez共同完成，并获得了由马德里自治区资助的iMPLANTS-CM计划的支持。通过设计能够通过互锁架构弯曲并恢复形状的材料，这项研究为医疗保健、航空航天和机器人等领域的应用开拓了新的机会。