3D打印晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)終極指南：部件輕量化、功能化的絕佳選擇
時(shí)間：2023-06-21 09:36 來(lái)源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
導(dǎo)讀：3D 打印中的晶格結(jié)構(gòu)是一種強(qiáng)大的設(shè)計(jì)工具。精心設(shè)計(jì)的晶格結(jié)構(gòu)可以使零件更輕、更堅(jiān)固，更有效地吸收沖擊力，并更好地根據(jù)最終用途進(jìn)行定制。了解如何使用和創(chuàng)建這些結(jié)構(gòu)是 3D 打印原型和生產(chǎn)部件的產(chǎn)品工程和工業(yè)設(shè)計(jì)的重要組成部分。
△設(shè)計(jì)成晶格結(jié)構(gòu)的3D打印頭盔（來(lái)源： Carbon 3D）
晶格結(jié)構(gòu)實(shí)際是3D打印填充模式的一種特殊應(yīng)用，但大多數(shù)非專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)師都沒(méi)有充分將其作用充分發(fā)揮出來(lái)。如今，先進(jìn)的增材制造設(shè)計(jì)軟件在自動(dòng)生成各種晶格結(jié)構(gòu)方面有著巨大優(yōu)勢(shì)，這為晶格結(jié)構(gòu)應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)設(shè)備、火箭推進(jìn)器以及醫(yī)療植入物等領(lǐng)域奠定了良好的基礎(chǔ)。
△由于晶格結(jié)構(gòu)壁設(shè)計(jì)，這種單件式火箭推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的 3D 打印重量更輕（來(lái)源：SLM Solutions）
在本期文章中，南極熊對(duì)使用晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)零件的基本要點(diǎn)進(jìn)行了逐一介紹，包括晶格結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)、不同類(lèi)型的晶格、如何使用它們以及何時(shí)使用，并展示了世界各地的設(shè)計(jì)師和工程師如何使用晶格來(lái)創(chuàng)造性能極佳的創(chuàng)新產(chǎn)品：從
Adidas 跑鞋和 Specialized 自行車(chē)座墊到工業(yè)散熱器和矯形膝關(guān)節(jié)植入物。最后，介紹了將晶格結(jié)構(gòu)應(yīng)用到設(shè)計(jì)中所需的頂級(jí)軟件。
要點(diǎn) 1. 為什么要使用晶格結(jié)構(gòu)
△Aidro3D 打印的具有晶格內(nèi)部結(jié)構(gòu)的熱交換器—— Toucan Beak（來(lái)源：Aidro）
晶格具有一些獨(dú)特的特性，在設(shè)計(jì)零件或產(chǎn)品時(shí)具有很大的優(yōu)勢(shì)，而傳統(tǒng)制造方法幾乎無(wú)法復(fù)制這些特性，例如：
減少材料使用
在您的設(shè)計(jì)中使用晶格可以通過(guò)移除非關(guān)鍵區(qū)域的大部分材料來(lái)顯著減少材料的使用量。如果目標(biāo)零件是使用基于粉末或樹(shù)脂的 3D 打印工藝制造的，則可以節(jié)省大量成本。
△盡管大小相同，但右側(cè)的晶格結(jié)構(gòu)的表面積比左側(cè)的圓柱體大 4 倍，重量輕 4 倍（來(lái)源：Printpool）
輕量化
減少材料使用還有另一個(gè)好處——減輕重量。在許多應(yīng)用中，零件或組件的最終組裝質(zhì)量是一個(gè)嚴(yán)格約束的目標(biāo)，通常越輕越好。根據(jù)所選的晶格類(lèi)型，重量減輕效果可能非常顯著，這具有許多優(yōu)勢(shì)，從減少汽車(chē)應(yīng)用中的燃料使用到縮短醫(yī)療案例中的患者恢復(fù)時(shí)間。
吸收能量
晶格結(jié)構(gòu)具有許多有利于吸收能量的特性。通過(guò)改變不同區(qū)域的密度甚至細(xì)胞類(lèi)型，可以進(jìn)行設(shè)計(jì)以有效地吸收不同方向的能量。與廣泛產(chǎn)品中使用的標(biāo)準(zhǔn)泡沫相比，復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)可以在多個(gè)方向重新定向和更好地分配能量以吸收沖擊力，同時(shí)利用現(xiàn)代增材制造樹(shù)脂的各種特性。
△CCM SuperTacks X 是世界上第一個(gè) 3D 打印曲棍球頭盔內(nèi)飾，用Carbon 3D 的 NEST Tech 晶格取代傳統(tǒng)的通用泡沫襯墊以增強(qiáng)保護(hù)（來(lái)源：Carbon 3D）
增加表面積
晶格的表面積比相同大小的實(shí)體組件的表面積大許多倍。這對(duì)于涉及依賴(lài)高表面積實(shí)現(xiàn)其功能的熱交換或化學(xué)催化的應(yīng)用非常有用。
美觀(guān)
除了晶格的許多技術(shù)優(yōu)勢(shì)外，很難忽視它們具有獨(dú)特而美麗的美感。越來(lái)越多的產(chǎn)品設(shè)計(jì)師選擇將晶格元素融入消費(fèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，僅僅是為了外觀(guān)。
要點(diǎn) 2. 晶格結(jié)構(gòu)類(lèi)型
△Carbon的 Design Engine 晶格生成軟件中使用的晶格類(lèi)型（來(lái)源：Carbon）
關(guān)于晶格類(lèi)型的定義，Anton du
Plessis等人對(duì)此做出了系統(tǒng)地論述，相關(guān)研究以題為“Properties and applications of additively
manufactured metalliccellular materials: A review”的論文被發(fā)表在《Progress
inMaterials Science》期刊上。
相關(guān)論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079642521001420
所有晶格類(lèi)型都是基于同一個(gè)晶胞在多個(gè)方向上重復(fù)復(fù)制以使結(jié)構(gòu)成為一個(gè)整體的重復(fù)單元，以下是按細(xì)胞類(lèi)型劃分的晶格類(lèi)型：
TPMS晶格
當(dāng)使用三角方程生成晶胞時(shí)，會(huì)創(chuàng)建三重周期最小曲面 ( TPMS ) 晶格。例如，“陀螺儀”TPMS 單元由單元內(nèi)的所有點(diǎn)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(chǎn)生不同的 TPMS 晶格類(lèi)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(guò)立方體的頂點(diǎn)、邊和面連接，這些連接點(diǎn)的不同組合產(chǎn)生不同的類(lèi)型。
平面晶格
平面晶格是最簡(jiǎn)單的晶格類(lèi)型，是在 3D 中擠壓 2D 晶胞時(shí)創(chuàng)建的。最常見(jiàn)的平面晶格類(lèi)型是蜂窩結(jié)構(gòu)。
通過(guò)在不同方向隨機(jī)改變其參數(shù)，這些類(lèi)型的格中的每一種也可以從周期性格變成隨機(jī)格。通過(guò)在每個(gè)方向上賦予結(jié)構(gòu)相似的屬性（使其各向同性），這在某些應(yīng)用中可能具有優(yōu)勢(shì)。
當(dāng)涉及到晶格生成軟件時(shí)，可能會(huì)遇到以下晶格類(lèi)型：
- 二十面體：以空間中點(diǎn)的排列為特征的不規(guī)則晶格。
- 四面體：基于具有四個(gè)三角形面的四面體的晶格。每個(gè)頂點(diǎn)都通過(guò)邊連接到三個(gè)相鄰的頂點(diǎn)。
- 菱形：晶格中的晶胞為菱形（等長(zhǎng)的四邊形），并且它們?cè)谄漤旤c(diǎn)或邊緣處連接到相鄰的晶胞。
- Voronoi：一種晶格，其中根據(jù)與一組種子點(diǎn)的接近程度將空間劃分為單元格。
-
Kagome：由三角形單元的重復(fù)模式組成的晶格結(jié)構(gòu)
要點(diǎn) 3. 在實(shí)際產(chǎn)品中應(yīng)用晶格結(jié)構(gòu)
許多不同的行業(yè)在設(shè)計(jì)新產(chǎn)品時(shí)都利用了晶格結(jié)構(gòu)的特性，近年來(lái)，以晶格結(jié)構(gòu)為關(guān)鍵特征的新應(yīng)用和新想法大量出現(xiàn)。下面列出了一些最令人興奮和創(chuàng)新的產(chǎn)品。
汽車(chē)
△DynamisPRC 電動(dòng)賽車(chē)的 Puntozero 冷板（來(lái)源：nTop）
意大利產(chǎn)品開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu) Puntozero 與 Formula SAE 團(tuán)隊(duì) Dynamis PRC
合作，為其高壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)了這種不同尋常的冷板（見(jiàn)上圖）。基于螺旋形單元電池的變形版本，該冷板結(jié)構(gòu)比以前的設(shè)計(jì)輕了 25%，表面積增加了
300%。使用nTop 軟件設(shè)計(jì)。
醫(yī)療
△NanoHiveMedical 骨科植入物使用促進(jìn)骨骼生長(zhǎng)的晶格結(jié)構(gòu)（來(lái)源：NanoHive Medical）
NanoHive Medical是一家美國(guó)公司，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)在手術(shù)中用于治療退行性脊柱疾病的獨(dú)特脊柱植入物。在這種情況下，晶格設(shè)計(jì)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?chē)墓俏s。
膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)植入物中的晶格結(jié)構(gòu)已被證明可以促進(jìn)植入物中的骨組織生長(zhǎng)，稱(chēng)為骨整合。Bone&
Joint Research 雜志最近的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，3D
打印的“鈦晶格植入物在部分或全膝關(guān)節(jié)置換后保持了脛骨近端的自然機(jī)械負(fù)荷，但傳統(tǒng)的固體植入物卻沒(méi)有。
△3D 打印植入物上的隨機(jī)晶格結(jié)構(gòu)可以使用 Genysis（左）和 nTop（右）等軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。
醫(yī)療植入物中的格狀結(jié)構(gòu)并不完全均勻，而是像海綿一樣。我們通常用來(lái)創(chuàng)建這種骨骼結(jié)構(gòu)的塊狀結(jié)構(gòu)類(lèi)型稱(chēng)為小梁晶格或隨機(jī)晶格。這些晶格稱(chēng)為仿生小梁骨類(lèi)型，并且在基本水平上基本上是隨機(jī)泡沫孔結(jié)構(gòu)。專(zhuān)業(yè)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)
(CAD) 軟件使植入工程師能夠?qū)⑦@種類(lèi)型的表面結(jié)構(gòu)應(yīng)用于金屬植入物。
體育器材
△可變晶格結(jié)構(gòu)使 3D
打印自行車(chē)座椅具有不同的支撐區(qū)域。前兩個(gè)，來(lái)自 Specialized 和 Fizik，都是用柔性樹(shù)脂在 Carbon 3D
打印機(jī)上打印的；Posedia 的第三個(gè)是為個(gè)人騎手定制的，并在 HP Multi-Jet Fusion機(jī)器上用 TPU 3D
打印（來(lái)源：Specialized、Fizik、Posedia）
自 2019 年推出Specialized lattice 自行車(chē)座墊以來(lái)，3D
打印自行車(chē)坐墊這一概念開(kāi)始流行起來(lái)。一些自行車(chē)設(shè)備制造商已經(jīng)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(jié)構(gòu)。這一進(jìn)步通過(guò)在不同區(qū)域
3D 打印不同的晶格形狀和尺寸來(lái)產(chǎn)生可變支撐。制造商吹噓這些鞍座的耐用性，以及提供通風(fēng)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(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的泡沫塊，騎行者坐在上面根據(jù)其坐姿創(chuàng)造定制的骨骼寬度和重量分布。
頭盔是輕型和減震晶格結(jié)構(gòu)的另一個(gè)理想應(yīng)用場(chǎng)景，通常被稱(chēng)為“數(shù)字泡沫”。它們已通過(guò)各種方法和材料應(yīng)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(chē)頭盔。事實(shí)上，NFL 的
2023頭盔實(shí)驗(yàn)室測(cè)試性能結(jié)果對(duì)市場(chǎng)上的一系列頭盔進(jìn)行了排名和評(píng)級(jí)，并將具有 3D 打印晶格結(jié)構(gòu)的兩款頭盔排在第一和第二位。
△3D 打印晶格結(jié)構(gòu)是頭盔中泡沫的理想替代品，具有出色的抗沖擊性（來(lái)源：Farsoon、Carbon、EOS）
Riddell
的橄欖球頭盔和Hexr的自行車(chē)頭盔是頭盔中兩種不同晶格結(jié)構(gòu)方法的例證。雖然兩者的設(shè)計(jì)都是為了盡可能有效地吸收沖擊力和保護(hù)使用者，但區(qū)別在于制造方法和晶格類(lèi)型，以及運(yùn)動(dòng)方式。Hexr
頭盔主要采用平面六邊形晶格結(jié)構(gòu)，采用 SLS 打印技術(shù)生產(chǎn)，并使用堅(jiān)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(gè)獨(dú)立支柱制成的復(fù)雜多區(qū)域網(wǎng)格。該過(guò)程依靠 Riddell 的 Precision-fit
頭部掃描技術(shù)和 Carbon Lattice Engine 來(lái)設(shè)計(jì)適合每個(gè)球員頭部和位置的頭盔內(nèi)襯。
為了簡(jiǎn)化材料、晶格形狀和應(yīng)用的匹配研發(fā)過(guò)程，特別是用于頭盔，美國(guó)陸軍發(fā)展指揮部士兵中心責(zé)成初創(chuàng)軟件公司General
Lattice開(kāi)發(fā)一個(gè)預(yù)測(cè)性建模工具集，以設(shè)計(jì)和生成基于真實(shí)世界數(shù)據(jù)的晶格材料。該工具集建立在1000多萬(wàn)個(gè)物理數(shù)據(jù)點(diǎn)上，是一個(gè)可搜索的數(shù)據(jù)庫(kù)，允許用戶(hù)根據(jù)機(jī)械性能查詢(xún)晶格材料。GeneralLattice公司的聯(lián)合創(chuàng)始人Nick
Florek說(shuō)："提供使用戶(hù)能夠預(yù)先了解晶格結(jié)構(gòu)的影響潛力的工具，可以降低誤用的風(fēng)險(xiǎn)，并建立人們對(duì) 3D 打印能夠像宣傳的那樣交付的信心。"
盡管陸軍仍在堅(jiān)持使用其工具集，但 General Lattice 有一個(gè)名為Frontier的公共版本，它提供了一個(gè)免費(fèi)搜索的經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的機(jī)械性能數(shù)據(jù)庫(kù)，以支持用戶(hù)選擇最佳的晶格、材料和硬件組合。
換熱器
△GEAdditive 的晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的散熱器（來(lái)源：GE Additive）
增材制造可實(shí)現(xiàn)任何其他制造類(lèi)型無(wú)法實(shí)現(xiàn)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(gè)復(fù)雜的熱交換器由GE設(shè)計(jì)，用于優(yōu)化
900°C 二氧化碳的流動(dòng)，是復(fù)雜晶格結(jié)構(gòu)與金屬增材制造相結(jié)合時(shí)可以實(shí)現(xiàn)的卓越性能的一個(gè)很好的例子。GE
在他們的設(shè)計(jì)中采用了仿生學(xué)方法，模仿人類(lèi)肺部的特性以促進(jìn)有效的熱交換。Conflux等公司專(zhuān)門(mén)為各種行業(yè)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)使用晶格的 3D 打印熱交換器。
消費(fèi)產(chǎn)品
△阿迪達(dá)斯運(yùn)動(dòng)鞋采用 3D 打印沖擊吸收網(wǎng)格結(jié)構(gòu)（來(lái)源：Carbon）
Adidas Athletic Footwear 與 Carbon 3D 合作，于 2017 年推出了4DFWD鞋——這是采用 DLP 樹(shù)脂技術(shù)制造的一系列運(yùn)動(dòng)鞋中的最新款。這雙鞋的中底采用晶格結(jié)構(gòu)，旨在利用其定制的 FWD 單元推動(dòng)跑步者前進(jìn)。
(責(zé)任編輯：admin)
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