3D打印晶格結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)是一種強大的設(shè)計工具。精心設(shè)計的晶格結(jié)構(gòu)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(jù)最終用途進行定制。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)計的重要組成部分。
△設(shè)計成晶格結(jié)構(gòu)的3D打印頭盔（來源： Carbon 3D）
晶格結(jié)構(gòu)實際是3D打印填充模式的一種特殊應用，但大多數(shù)非專業(yè)設(shè)計師都沒有充分將其作用充分發(fā)揮出來。如今，先進的增材制造設(shè)計軟件在自動生成各種晶格結(jié)構(gòu)方面有著巨大優(yōu)勢，這為晶格結(jié)構(gòu)應用于運動設(shè)備、火箭推進器以及醫(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，這種單件式火箭推進發(fā)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(jié)構(gòu)設(shè)計零件的基本要點進行了逐一介紹，包括晶格結(jié)構(gòu)的優(yōu)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(shè)計師和工程師如何使用晶格來創(chuàng)造性能極佳的創(chuàng)新產(chǎn)品：從
Adidas 跑鞋和 Specialized 自行車座墊到工業(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)應用到設(shè)計中所需的頂級軟件。
要點 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（來源：Aidro）
晶格具有一些獨特的特性，在設(shè)計零件或產(chǎn)品時具有很大的優(yōu)勢，而傳統(tǒng)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(shè)計中使用晶格可以通過移除非關(guān)鍵區(qū)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(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(zhì)量是一個嚴格約束的目標，通常越輕越好。根據(jù)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(yōu)勢，從減少汽車應用中的燃料使用到縮短醫(yī)療案例中的患者恢復時間。
吸收能量
晶格結(jié)構(gòu)具有許多有利于吸收能量的特性。通過改變不同區(qū)域的密度甚至細胞類型，可以進行設(shè)計以有效地吸收不同方向的能量。與廣泛產(chǎn)品中使用的標準泡沫相比，復雜的晶格結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(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(xiàn)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(shù)優(yōu)勢外，很難忽視它們具有獨特而美麗的美感。越來越多的產(chǎn)品設(shè)計師選擇將晶格元素融入消費產(chǎn)品設(shè)計中，僅僅是為了外觀。
要點 2. 晶格結(jié)構(gòu)類型
△Carbon的 Design Engine 晶格生成軟件中使用的晶格類型（來源：Carbon）
關(guān)于晶格類型的定義，Anton du
Plessis等人對此做出了系統(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
所有晶格類型都是基于同一個晶胞在多個方向上重復復制以使結(jié)構(gòu)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(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(chǎn)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(chuàng)建的。最常見的平面晶格類型是蜂窩結(jié)構(gòu)。
通過在不同方向隨機改變其參數(shù)，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(jié)構(gòu)相似的屬性（使其各向同性），這在某些應用中可能具有優(yōu)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(guī)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(jù)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(jié)構(gòu)
要點 3. 在實際產(chǎn)品中應用晶格結(jié)構(gòu)
許多不同的行業(yè)在設(shè)計新產(chǎn)品時都利用了晶格結(jié)構(gòu)的特性，近年來，以晶格結(jié)構(gòu)為關(guān)鍵特征的新應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
△DynamisPRC 電動賽車的 Puntozero 冷板（來源：nTop）
意大利產(chǎn)品開發(fā)機構(gòu) Puntozero 與 Formula SAE 團隊 Dynamis PRC
合作，為其高壓轉(zhuǎn)換器設(shè)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(jié)構(gòu)比以前的設(shè)計輕了 25%，表面積增加了
300%。使用nTop 軟件設(shè)計。
醫(yī)療
△NanoHiveMedical 骨科植入物使用促進骨骼生長的晶格結(jié)構(gòu)（來源：NanoHive Medical）
NanoHive Medical是一家美國公司，專門設(shè)計在手術(shù)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(shè)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(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(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械負荷，但傳統(tǒng)的固體植入物卻沒有。
△3D 打印植入物上的隨機晶格結(jié)構(gòu)可以使用 Genysis（左）和 nTop（右）等軟件進行設(shè)計。
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。我們通常用來創(chuàng)建這種骨骼結(jié)構(gòu)的塊狀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。專業(yè)的計算機輔助設(shè)計
(CAD) 軟件使植入工程師能夠?qū)⑦@種類型的表面結(jié)構(gòu)應用于金屬植入物。
體育器材
△可變晶格結(jié)構(gòu)使 3D
打印自行車座椅具有不同的支撐區(qū)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(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)。這一進步通過在不同區(qū)域
3D 打印不同的晶格形狀和尺寸來產(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(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)的另一個理想應用場景，通常被稱為“數(shù)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(jié)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(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(jié)構(gòu)方法的例證。雖然兩者的設(shè)計都是為了盡可能有效地吸收沖擊力和保護使用者，但區(qū)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(jié)構(gòu)，采用 SLS 打印技術(shù)生產(chǎn)，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(qū)域網(wǎng)格。該過程依靠 Riddell 的 Precision-fit
頭部掃描技術(shù)和 Carbon Lattice Engine 來設(shè)計適合每個球員頭部和位置的頭盔內(nèi)襯。
為了簡化材料、晶格形狀和應用的匹配研發(fā)過程，特別是用于頭盔，美國陸軍發(fā)展指揮部士兵中心責成初創(chuàng)軟件公司General
Lattice開發(fā)一個預測性建模工具集，以設(shè)計和生成基于真實世界數(shù)據(jù)的晶格材料。該工具集建立在1000多萬個物理數(shù)據(jù)點上，是一個可搜索的數(shù)據(jù)庫，允許用戶根據(jù)機械性能查詢晶格材料。GeneralLattice公司的聯(lián)合創(chuàng)始人Nick
Florek說："提供使用戶能夠預先了解晶格結(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(jīng)過驗證的機械性能數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)設(shè)計的散熱器（來源：GE Additive）
增材制造可實現(xiàn)任何其他制造類型無法實現(xiàn)的幾何形狀，從而使更小、更高效的熱交換器成為可能。上面這個復雜的熱交換器由GE設(shè)計，用于優(yōu)化
900°C 二氧化碳的流動，是復雜晶格結(jié)構(gòu)與金屬增材制造相結(jié)合時可以實現(xiàn)的卓越性能的一個很好的例子。GE
在他們的設(shè)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(yè)專門設(shè)計使用晶格的 3D 打印熱交換器。
消費產(chǎn)品
△阿迪達斯運動鞋采用 3D 打印沖擊吸收網(wǎng)格結(jié)構(gòu)（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(shù)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(jié)構(gòu)，旨在利用其定制的 FWD 單元推動跑步者前進。
(責任編輯：admin)
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