3D打印晶格結構設計終極指南：部件輕量化、功能化的絕佳選擇
時間：2023-06-21 09:36 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
導讀：3D 打印中的晶格結構是一種強大的設計工具。精心設計的晶格結構可以使零件更輕、更堅固，更有效地吸收沖擊力，并更好地根據最終用途進行定制。了解如何使用和創建這些結構是 3D 打印原型和生產部件的產品工程和工業設計的重要組成部分。
△設計成晶格結構的3D打印頭盔（來源： Carbon 3D）
晶格結構實際是3D打印填充模式的一種特殊應用，但大多數非專業設計師都沒有充分將其作用充分發揮出來。如今，先進的增材制造設計軟件在自動生成各種晶格結構方面有著巨大優勢，這為晶格結構應用于運動設備、火箭推進器以及醫療植入物等領域奠定了良好的基礎。
△由于晶格結構壁設計，這種單件式火箭推進發動機的 3D 打印重量更輕（來源：SLM Solutions）
在本期文章中，南極熊對使用晶格結構設計零件的基本要點進行了逐一介紹，包括晶格結構的優勢、不同類型的晶格、如何使用它們以及何時使用，并展示了世界各地的設計師和工程師如何使用晶格來創造性能極佳的創新產品：從
Adidas 跑鞋和 Specialized 自行車座墊到工業散熱器和矯形膝關節植入物。最后，介紹了將晶格結構應用到設計中所需的頂級軟件。
要點 1. 為什么要使用晶格結構
△Aidro3D 打印的具有晶格內部結構的熱交換器—— Toucan Beak（來源：Aidro）
晶格具有一些獨特的特性，在設計零件或產品時具有很大的優勢，而傳統制造方法幾乎無法復制這些特性，例如：
減少材料使用
在您的設計中使用晶格可以通過移除非關鍵區域的大部分材料來顯著減少材料的使用量。如果目標零件是使用基于粉末或樹脂的 3D 打印工藝制造的，則可以節省大量成本。
△盡管大小相同，但右側的晶格結構的表面積比左側的圓柱體大 4 倍，重量輕 4 倍（來源：Printpool）
輕量化
減少材料使用還有另一個好處——減輕重量。在許多應用中，零件或組件的最終組裝質量是一個嚴格約束的目標，通常越輕越好。根據所選的晶格類型，重量減輕效果可能非常顯著，這具有許多優勢，從減少汽車應用中的燃料使用到縮短醫療案例中的患者恢復時間。
吸收能量
晶格結構具有許多有利于吸收能量的特性。通過改變不同區域的密度甚至細胞類型，可以進行設計以有效地吸收不同方向的能量。與廣泛產品中使用的標準泡沫相比，復雜的晶格結構可以在多個方向重新定向和更好地分配能量以吸收沖擊力，同時利用現代增材制造樹脂的各種特性。
△CCM SuperTacks X 是世界上第一個 3D 打印曲棍球頭盔內飾，用Carbon 3D 的 NEST Tech 晶格取代傳統的通用泡沫襯墊以增強保護（來源：Carbon 3D）
增加表面積
晶格的表面積比相同大小的實體組件的表面積大許多倍。這對于涉及依賴高表面積實現其功能的熱交換或化學催化的應用非常有用。
美觀
除了晶格的許多技術優勢外，很難忽視它們具有獨特而美麗的美感。越來越多的產品設計師選擇將晶格元素融入消費產品設計中，僅僅是為了外觀。
要點 2. 晶格結構類型
△Carbon的 Design Engine 晶格生成軟件中使用的晶格類型（來源：Carbon）
關于晶格類型的定義，Anton du
Plessis等人對此做出了系統地論述，相關研究以題為“Properties and applications of additively
manufactured metalliccellular materials: A review”的論文被發表在《Progress
inMaterials Science》期刊上。
相關論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079642521001420
所有晶格類型都是基于同一個晶胞在多個方向上重復復制以使結構成為一個整體的重復單元，以下是按細胞類型劃分的晶格類型：
TPMS晶格
當使用三角方程生成晶胞時，會創建三重周期最小曲面 ( TPMS ) 晶格。例如，“陀螺儀”TPMS 單元由單元內的所有點組成，并適用以下等式：
sin(x)cos(y) + sin(y)cos(z) +sin(z)cos(x)=0
像這樣不同但相似的方程產生不同的 TPMS 晶格類型。
支柱晶格
支柱晶格（或梁狀晶格）由相互連接的梁組成，按照晶胞定義的各種模式連接。支柱可以通過立方體的頂點、邊和面連接，這些連接點的不同組合產生不同的類型。
平面晶格
平面晶格是最簡單的晶格類型，是在 3D 中擠壓 2D 晶胞時創建的。最常見的平面晶格類型是蜂窩結構。
通過在不同方向隨機改變其參數，這些類型的格中的每一種也可以從周期性格變成隨機格。通過在每個方向上賦予結構相似的屬性（使其各向同性），這在某些應用中可能具有優勢。
當涉及到晶格生成軟件時，可能會遇到以下晶格類型：
- 二十面體：以空間中點的排列為特征的不規則晶格。
- 四面體：基于具有四個三角形面的四面體的晶格。每個頂點都通過邊連接到三個相鄰的頂點。
- 菱形：晶格中的晶胞為菱形（等長的四邊形），并且它們在其頂點或邊緣處連接到相鄰的晶胞。
- Voronoi：一種晶格，其中根據與一組種子點的接近程度將空間劃分為單元格。
-
Kagome：由三角形單元的重復模式組成的晶格結構
要點 3. 在實際產品中應用晶格結構
許多不同的行業在設計新產品時都利用了晶格結構的特性，近年來，以晶格結構為關鍵特征的新應用和新想法大量出現。下面列出了一些最令人興奮和創新的產品。
汽車
△DynamisPRC 電動賽車的 Puntozero 冷板（來源：nTop）
意大利產品開發機構 Puntozero 與 Formula SAE 團隊 Dynamis PRC
合作，為其高壓轉換器設計了這種不同尋常的冷板（見上圖）。基于螺旋形單元電池的變形版本，該冷板結構比以前的設計輕了 25%，表面積增加了
300%。使用nTop 軟件設計。
醫療
△NanoHiveMedical 骨科植入物使用促進骨骼生長的晶格結構（來源：NanoHive Medical）
NanoHive Medical是一家美國公司，專門設計在手術中用于治療退行性脊柱疾病的獨特脊柱植入物。在這種情況下，晶格設計用于降低植入物的剛度，允許將更多的力傳遞到脊柱本身，從而減少鈦植入物周圍的骨萎縮。
膝關節和髖關節植入物中的晶格結構已被證明可以促進植入物中的骨組織生長，稱為骨整合。Bone&
Joint Research 雜志最近的一項研究發現，3D
打印的“鈦晶格植入物在部分或全膝關節置換后保持了脛骨近端的自然機械負荷，但傳統的固體植入物卻沒有。
△3D 打印植入物上的隨機晶格結構可以使用 Genysis（左）和 nTop（右）等軟件進行設計。
醫療植入物中的格狀結構并不完全均勻，而是像海綿一樣。我們通常用來創建這種骨骼結構的塊狀結構類型稱為小梁晶格或隨機晶格。這些晶格稱為仿生小梁骨類型，并且在基本水平上基本上是隨機泡沫孔結構。專業的計算機輔助設計
(CAD) 軟件使植入工程師能夠將這種類型的表面結構應用于金屬植入物。
體育器材
△可變晶格結構使 3D
打印自行車座椅具有不同的支撐區域。前兩個，來自 Specialized 和 Fizik，都是用柔性樹脂在 Carbon 3D
打印機上打印的；Posedia 的第三個是為個人騎手定制的，并在 HP Multi-Jet Fusion機器上用 TPU 3D
打印（來源：Specialized、Fizik、Posedia）
自 2019 年推出Specialized lattice 自行車座墊以來，3D
打印自行車坐墊這一概念開始流行起來。一些自行車設備制造商已經推出了他們自己的鞍座版本，這些鞍座拋棄了泡沫填充物并選擇了晶格結構。這一進步通過在不同區域
3D 打印不同的晶格形狀和尺寸來產生可變支撐。制造商吹噓這些鞍座的耐用性，以及提供通風和易于清潔。Posedia
Joyseat（上圖右）是為每位騎手定制和定制的，這是一種專門開發的泡沫塊，騎行者坐在上面根據其坐姿創造定制的骨骼寬度和重量分布。
頭盔是輕型和減震晶格結構的另一個理想應用場景，通常被稱為“數字泡沫”。它們已通過各種方法和材料應用于NFL
橄欖球頭盔、 NHL曲棍球頭盔、奧林匹克雪橇頭盔和自行車頭盔。事實上，NFL 的
2023頭盔實驗室測試性能結果對市場上的一系列頭盔進行了排名和評級，并將具有 3D 打印晶格結構的兩款頭盔排在第一和第二位。
△3D 打印晶格結構是頭盔中泡沫的理想替代品，具有出色的抗沖擊性（來源：Farsoon、Carbon、EOS）
Riddell
的橄欖球頭盔和Hexr的自行車頭盔是頭盔中兩種不同晶格結構方法的例證。雖然兩者的設計都是為了盡可能有效地吸收沖擊力和保護使用者，但區別在于制造方法和晶格類型，以及運動方式。Hexr
頭盔主要采用平面六邊形晶格結構，采用 SLS 打印技術生產，并使用堅硬的尼龍 6 材料制成。另一方面，Carbon Riddell
頭盔使用高阻尼 DLP 彈性體和由 140,000 多個獨立支柱制成的復雜多區域網格。該過程依靠 Riddell 的 Precision-fit
頭部掃描技術和 Carbon Lattice Engine 來設計適合每個球員頭部和位置的頭盔內襯。
為了簡化材料、晶格形狀和應用的匹配研發過程，特別是用于頭盔，美國陸軍發展指揮部士兵中心責成初創軟件公司General
Lattice開發一個預測性建模工具集，以設計和生成基于真實世界數據的晶格材料。該工具集建立在1000多萬個物理數據點上，是一個可搜索的數據庫，允許用戶根據機械性能查詢晶格材料。GeneralLattice公司的聯合創始人Nick
Florek說："提供使用戶能夠預先了解晶格結構的影響潛力的工具，可以降低誤用的風險，并建立人們對 3D 打印能夠像宣傳的那樣交付的信心。"
盡管陸軍仍在堅持使用其工具集，但 General Lattice 有一個名為Frontier的公共版本，它提供了一個免費搜索的經過驗證的機械性能數據庫，以支持用戶選擇最佳的晶格、材料和硬件組合。
換熱器
△GEAdditive 的晶格結構設計的散熱器（來源：GE Additive）
增材制造可實現任何其他制造類型無法實現的幾何形狀，從而使更小、更高效的熱交換器成為可能。上面這個復雜的熱交換器由GE設計，用于優化
900°C 二氧化碳的流動，是復雜晶格結構與金屬增材制造相結合時可以實現的卓越性能的一個很好的例子。GE
在他們的設計中采用了仿生學方法，模仿人類肺部的特性以促進有效的熱交換。Conflux等公司專門為各種行業專門設計使用晶格的 3D 打印熱交換器。
消費產品
△阿迪達斯運動鞋采用 3D 打印沖擊吸收網格結構（來源：Carbon）
Adidas Athletic Footwear 與 Carbon 3D 合作，于 2017 年推出了4DFWD鞋——這是采用 DLP 樹脂技術制造的一系列運動鞋中的最新款。這雙鞋的中底采用晶格結構，旨在利用其定制的 FWD 單元推動跑步者前進。
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