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(2)
時間：2023-06-21 09:36 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
要點 4. 晶格結構的局限性
△AntaresVersus Evo 00 Adaptive 座墊采用 Carbon 3D 打印機打印，具有經過調整的晶格結構區域，可提供最佳機械響應（來源：Carbon）
盡管是一個強大且未得到充分利用的功能，但晶格結構確實有一些局限性，認真對待在實際產品中使用它們的工程師和設計師需要考慮這些局限性。
制造方法的經濟性
盡管制造復雜非平面晶格結構的傳統方法確實存在，但總的來說，它們不如增材制造方法有效。因此，在將晶格納入設計時，應仔細考慮增材制造特有的經濟性、時間尺度和材料選擇，尤其是在其他區域設計時考慮了注射成型等技術的情況下。
模擬過程復雜
當涉及大型晶格結構時，應力模擬，尤其是那些使用有限元方法的模擬，可能需要大量計算。大多數方法（包括上面提到的幾個軟件包使用的方法）都涉及在整個結構中推斷晶胞的屬性，但如果晶胞類型和大小差異很大，那么物理測試可能是準確評估晶胞性能的唯一方法非常大和復雜的晶格設計的性能。
文件內存大
同樣，當將具有大晶格部分的零件設計轉換為
STL（無論好壞，它仍然是增材制造中最常用的文件類型）時，文件大小超過 500MB 甚至 1GB
是常見的。這通常意味著進一步的處理和切片對于除了最強大的計算機之外的所有計算機來說都是一個緩慢而困難的過程。減小網格的大小當然是可能的，但這會大大簡化單元，如果不小心操作，最終零件上會出現一些三角形單元。
晶胞類型有限
晶胞的類型是晶格結構最重要的特征之一，并且決定了整個結構將擁有的大部分不同特性，但大多數工程師和設計師可以輕松選擇的選項有限. 一些軟件包允許設計和創建新類型，但即使可以訪問這些程序，這也是一項高度專業化和技術性的任務。
要素 5. 生成晶格結構的最佳軟件
在CAD 軟件中的晶格生成軟件和晶格特征是創建晶格結構是一種常見的手段。與通�？捎糜� FDM 打印的各種切片程序相比，這些軟件程序可用于創建用于多種用途的晶格，而不僅僅是作為材料填充，并且通常不用于直接生成 G 代碼。
軟件選項中有廣泛的復雜性和功能，所以一定要有選擇性，下面列出了一些典型的軟件工具：
nTop
△nTop中新的場驅動設計使工程師能夠使用仿真結果作為設計參數來控制您的設計。在這種晶格結構換熱器中，模擬工具表明，收緊晶格可以改善傳導，而在對流更重要的區域，晶格結構會松散（來源：nTop）
nTop 提供多種晶格選項和功能，使其比許多 CAD 程序更快。由于該軟件基于隱式建模，其中 3D 幾何被定義為數學函數，而不是外表面和邊緣，因此工程師可以快速生成復雜的結構（如晶格），同時為自動化設計循環提供所需的可靠性。
nTop 包含的點陣功能非常強大，幾乎可以完全控制點陣結構的各個方面，包括定制晶胞的能力�；诂F場的設計對于成熟的 CAD 用戶來說是一個需要熟悉的棘手概念，但是一旦克服了學習曲線，使用該套件進行設計的可能性將是無窮無盡的。
nTop 具有該公司所謂的 GPU 加速功能，可以快速實現晶格結構的實時可視化。該軟件使用戶能夠預覽設計更改并在幾秒鐘內重建高度復雜的網格。用戶還可以調整空間中每個點的晶格周長，并將您的首選項保存在可重復使用的工作流程中。
Altair Sulis
去年，CAD 軟件巨頭 Altair 收購了一家英國小公司，該公司開發了一種名為 Sulis
的強大點陣工具。它現在是Altair公司的三個點陣產品之一，但卻是該公司最出色的點陣工具。Sulis
用于創建復雜的晶格結構和流體流動通道，用于航空航天、汽車、醫療和工業機械等一系列行業。它是一種 3D
打印設計軟件工具，具有專門為晶格化定制的隱式建模內核和一鍵式晶格創建功能，Sulis使用戶能夠向模型添加輕量級結構并微調它們的屬性，可以創建任何比例的復雜幾何體。
Altair公司表示：“由于Sulis 是專門為增材制造創建的 CAD 工具，工程師可以設計真正利用增材制造自由度的零件，釋放隱式幾何的力量并降低代價高昂的 3D 打印失敗的風險�！�
Sulis工具主要特征：
- 一鍵創建晶格
- 定制晶格結構的屬性
- 晶胞類型范圍
- 流動路徑的實時視覺反饋
- 簡單的共形幾何
-
自支撐流體通道
Autodesk Fusion 360 & Netfabb
如果您已經是 Autodesk 用戶，那么自 2022 年 1 月以來，Fusion360
中已經提供了一些晶格結構選項，但為后期擴展預留了更廣泛的晶格生成模式。自 2022 年 9 月以來，Autodesk
將該晶格設計功能添加為所謂的“設計擴展”當中，每年收費 595 美元，是 Fusion 360 年度訂閱價格的兩倍多。
盡管如此，標準 Fusion 360
中的網格化工具仍然非常有用。該工具可以沿一個方向逐漸改變晶格單元，并且與大多數涉及挖空零件并添加晶格的程序不同，Fusion360
允許其用戶單獨設計一個零件。用戶可以先創建一個晶格，然后在其上形成一個蒙皮，讓晶格單元結構在靠近蒙皮時收縮，從而產生一個能夠有效將局部應力從表面分布到內部晶格的單元結構。這就是最自然的生成路徑，以股骨頭的一部分為例：
△零件內部晶格結構示例（來源：Autodesk）
對于 Autodesk Netfabb 用戶來講（Netfabb 通過兩種產品捆綁到您的 Fusion
360
固定期限的使用許可中），可能已經非常熟悉該軟降強大的晶格生成功能。就像這里提到的老軟件一樣，Netfabb的圖形用戶界面也很笨拙，但它仍然不失為一個功能強大的程序，可以生成非常復雜的點陣設計。它還具有非常方便的穿孔功能，可以在零件上打孔，從而輕松去除未使用的粉末或樹脂。要獲得更高級的
Netfabb 晶格化，需要訂閱 Fusion 360 with NetfabbPremium（包括挖空和晶格化），或 Fusion 360
with Netfabb Ultimate（包括更高級的優化晶格工具）。
Carbon設計軟件
△3D 打印晶格結構圖像：Carbon Design Engine
本文中的許多圖像都是來自 Carbon 3D 的真實晶格產品。這家硬件、材料和軟件公司的晶格化需求如此之大，并開始讓他們的晶格設計程序對外開源，這樣你幾乎可以在任何打印機上使用它。
這種基于云的晶格設計軟件可在一系列細胞類型中創建穩健的共形晶格，但真正有用的設計功能類型僅適用于更昂貴的“Pro”版本，該版本在晶格類型之間引入了過渡和梯度設計。
這款設計軟件可讓精確控制產品中多個區域的性能特征，從而實現單一材料的大規�？烧{性。此功能利用不同的晶格單元類型、單元大小或支柱直徑來創建不同的性能區域。Design
Engine 使用正在申請專利的技術來無縫混合區域，生成有吸引力的功能性網格，可隨時用于實際應用。
Ultrasim 3D 晶格軟件
△BASFForward AM 的新型 Ultrasim 3D Lattice Engine 旨在為特定應用在幾分鐘內生成經過驗證的晶格（來源：BASF Forward AM）
巴斯夫 Forward AM 將推出由Hyperganic 提供支持的 Ultrasim 3D
Lattice
Engine，這是一種用于迭代具有晶格圖案的設計的軟件解決方案——一種具有許多潛在應用的工具。這款最新的軟件解決方案旨在從晶格中提取數學知識，讓探索不同的晶格幾何形狀變得更容易，并通過點擊應用的方法更快地將它們實施到產品設計周期中。由總部位于慕尼黑的算法工程軟件公司
Hyperganic 提供支持的 Ultrasim 3D Lattice
Engine為用戶提供了多種晶格圖案，每種圖案都針對不同的應用組進行了測試和驗證。
無論是設計新的鞋類產品還是防護運動設備，都有一種晶格幾何形狀可以滿足每種應用的獨特要求。用戶可以訪問物理測試墊形式的大量晶格庫和機械特性的數字概覽。通過輸入所需的應用領域，可以找到針對類似用例進行驗證的點陣設計。從那里，該軟件使用隱式建模自動生成適合的設計參數的晶格部件，并為晶格生成一個
.stl 或 3mf 文件，最后可以打印和進一步驗證。
Hyperganic
構建軟件旨在設計出像自然界一樣復雜、實用、優雅和可持續的對象。該公司表示：“我們的算法通過數字進化過程生成零件、結構和整臺機器。我們的技術支持在先進的工業
3D 打印機上進行輸出。自 2015 年以來，我們一直與世界各地的領先公司、工程師、設計師和科學家合作�！�
Siemens NX
在西門子發布的 2022 版 NX 中，可以使用Simcenter 3D模擬對NX中的晶格結構進行優化，以在單一環境中推導出最佳晶格結構，這消除了傳統上所需的多個設計分析步驟。
NX 是一款龐大而復雜的工程軟件，購買它不僅可以獲得點陣設計功能，還可以看到西門子為該應用程序設計的擴展點陣選項。
Materialise 3-Matic
Materialise 憑借其強大的增材構建Magics
準備軟件包占據了強大的市場地位，而用于增材設計和數據優化的 3-Matic自 2004
年以來一直存在。雖然一些大公司也經常使用這款軟件并且其功能非常豐富，但它的晶格化功能很難使用，部分原因是它的 GUI
非常過時。如果晶格結構的生成是所需的主要特征，則有更好、更便宜的選擇。
Altair Optistruct 和Inspire
盡管Optistruct的主要是結構FEA
求解器、工程分析和優化工具，但它仍然值得一提，因為它能夠使用其設計優化功能集生成一系列不同的晶格類型。Altair的晶格結構構建方法與眾不同，因為它與拓撲優化過程有著內在的聯系。在設計晶格后準確模擬晶格的能力非常有用，但只有在其他目的也需要
Optistruct 求解器時才值得考慮該工具包。
Altair 的另一款名為Inspire 的軟件在 2020 年推出了晶胞晶格生成功能。AltairInspire 能夠為 3D 打印生成輕量級的晶胞晶格結構，可以輕松編輯，評估不同設計變體的結構性能時刻。
2022 年，Altair 收購了一家專注于專門用于晶格生成的工具的軟件公司，并提供了名為 Sulis 的解決方案，這一點在上文中對此進行了介紹。
General Lattice
△GeneralLattice 的 Frontier 軟件提供了一個可搜索的經過驗證的晶格機械性能數據庫（來源：General Lattice）
General Lattice 的Frontier
軟件（目前仍處于測試階段）提供了一個可搜索的經過驗證的機械性能數據庫，以支持用戶選擇最佳晶格、材料和硬件組合以滿足特定應用。用戶可以搜索、分析和訂購實物樣品以進行實際評估，從而消除成本高昂的猜測和檢查工作流程。Frontier
表示它在晶格化設計功能相當于提供了一個萬能搜索鍵，避免了用戶大海撈針，大大節省了時間、金錢和資源。
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