3D打印晶格結構–終極指南

魔猴君  知識堂   343天前

3D打印中的晶格結構是一種強大的設計工具。精心設計的晶格可以使零件更輕、更強，更有效地吸收沖擊力，并更好地根據(jù)其最終用途進行定制。了解如何使用和創(chuàng)建這些結構是原型和生產(chǎn)零件3D打印中產(chǎn)品工程和工業(yè)設計的重要組成部分。

雖然您可能對填充結構（格狀結構的一種特殊應用）并不陌生，但大多數(shù)非專業(yè)設計師對格狀結構的利用率并不高。但在這里，您將了解到，如果您熟悉我們下面介紹的基本要素，應用格狀結構并不難。此外，當今先進的增材制造設計軟件可以自動生成各種晶格，應用范圍從運動器材、火箭推進器到醫(yī)療植入物。

由于采用格子結構壁設計，這款單件式火箭推進發(fā)動機采用3D打印打火機（來源：SLM Solutions）

首先，我們將全面介紹使用網(wǎng)格結構設計零件的基本要素，包括立即開始使用這種方法所需的一切。然后，我們將介紹不同類型的網(wǎng)格結構、如何使用以及何時使用，并向您展示世界各地的設計師和工程師如何使用網(wǎng)格結構創(chuàng)造出性能極佳的創(chuàng)新產(chǎn)品，從阿迪達斯跑鞋和Specialized自行車座墊到工業(yè)散熱器和整形外科膝關節(jié)植入物，不一而足。最后，我們還介紹了在設計中應用網(wǎng)格結構所需的頂級軟件。

1. 為什么使用點陣結構

Aidro具有晶格內部結構的3D打印熱交換器被稱為Toucan Beak（來源：Aidro）

晶格具有一些獨特的特性，在設計零件或產(chǎn)品時非常有用，而這些特性用傳統(tǒng)制造方法幾乎無法復制。您可以在任何類型的3D打印和幾乎任何材料中使用網(wǎng)格結構。

減少材料使用

在設計中使用晶格可以去除非關鍵部位的大部分材料，從而大幅減少材料用量。如果您的零件是使用粉末或樹脂三維打印工藝制造的，這將大大節(jié)約成本。

盡管尺寸相同，右側的晶格結構的表面積比左側的圓柱體大4倍，重量卻輕4倍（來源：Printpool）

輕量化

減少材料用量還有另一個好處—減輕重量。在許多應用中，零件或組件的最終裝配質量是一個嚴格限制的目標，通常越輕越好。根據(jù)所選晶格類型的不同，減重效果可能非常顯著，這具有許多優(yōu)點，從減少汽車應用中的燃料使用到改善醫(yī)療案例中病人的康復時間。

能量吸收

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(qū)域的密度甚至細胞類型，可以設計出在不同方向有效吸收能量的產(chǎn)品。與各種產(chǎn)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并更好地分配能量，從而吸收沖擊力，同時還能利用現(xiàn)代快速成型制造樹脂的各種特性。

CCM Super Tacks X是世界上首款3D打印曲棍球頭盔內飾，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尺寸的固體元件大許多倍。這對于涉及熱交換或化學催化的應用非常有用，因為這些應用需要依靠高表面積來實現(xiàn)其功能。

美觀

格子除了具有許多技術優(yōu)勢外，其獨特的美學效果也不容忽視。越來越多的產(chǎn)品設計師選擇在消費品設計中加入格子元素，原因無非是為了美觀。

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）

一般來說，晶格類型是根據(jù)其特性劃分的。人們已經(jīng)撰寫了整整一篇研究論文來定義許多不同的子類型，但要了解一種晶格與另一種晶格的基本區(qū)別并不難。

所有晶格都基于一個單元格。這是一個在多個方向上重復復制的重復單元，從而構成一個整體結構。以下是按晶胞類型劃分的晶格類型。

TPMS網(wǎng)格

三周期極小面（TPMS）晶格是在使用三角方程生成單元格時產(chǎn)生的。例如，"陀螺"TPMS晶胞是由晶胞內的所有點組成的，對于這些點，下列方程成立：

sin(x)cos(y)+sin(y)cos(z)+sin(z)cos(x)=0

類似這樣不同但相似的等式產(chǎn)生了不同的TPMS晶格類型。

支柱網(wǎng)格

支桿網(wǎng)格（或梁網(wǎng)格）由相互連接的梁組成，按照單元格定義的各種模式連接。支柱可以通過立方晶胞的頂點、邊和面連接，這些連接點的不同組合產(chǎn)生了不同的類型。

平面網(wǎng)格

平面晶格是最簡單的晶格類型，是將二維單元格擠壓到三維空間后形成的。最常見的平面晶格類型是蜂巢結構。

通過在不同方向上隨機改變其參數(shù)，這些類型的晶格都可以從周期晶格變成隨機晶格。這在某些應用中具有優(yōu)勢，可以使結構在每個方向上都具有相似的特性（使其具有各向同性）。

在使用晶格生成軟件時，您可能會遇到各種晶格類型：

二十面體：一種不規(guī)則晶格，其特點是空間點的排列。

四面體：一種基于四面體的網(wǎng)格，四面體有四個三角形面。每個頂點通過邊與三個相鄰頂點相連。

菱形：單位格是菱形（長度相等的四邊形狀），并在頂點或邊與相鄰單位格相連的網(wǎng)格。

Voronoi：根據(jù)與一組種子點的鄰近程度將空間劃分為單元格的網(wǎng)格。

Kagome：一種由三角形單元重復圖案組成的網(wǎng)格結構

3. 在實際產(chǎn)品中應用點陣結構

許多不同行業(yè)在設計新產(chǎn)品時都會利用晶格結構的特性，近年來，以晶格結構為主要特征的新應用和新創(chuàng)意層出不窮。下面介紹幾種最令人興奮的創(chuàng)新產(chǎn)品。

汽車

Dynamis PRC電動賽車的Puntozero冷板（來源：nTop）

意大利產(chǎn)品開發(fā)機構Puntozero與方程式SAE車隊Dynamis PRC合作，為他們的高壓轉換器設計了這款不同尋常的冷板（上圖）。與之前的設計相比，該冷板基于陀螺單元的扭曲版本，重量減輕了25%，表面積增大了300%。使用nTop軟件設計。

醫(yī)療的

NanoHive Medical骨科植入物采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，專門設計用于治療脊柱退行性病變手術的獨特脊柱植入物。在這種情況下，晶格設計用于降低植入物的硬度，使力量更多地傳遞到脊柱本身，從而減少鈦植入物周圍的骨萎縮。

膝關節(jié)和髖關節(jié)植入物中的晶格結構已被證明能增加植入物的骨生長，即骨整合。最近在《骨與關節(jié)研究》（Bone&Joint Research）雜志上發(fā)表的一項研究發(fā)現(xiàn)，3D打印的"鈦晶格植入物在[部分或全部膝關節(jié)置換術]后能保持脛骨近端自然的機械負荷，而傳統(tǒng)的實體植入物則不能"。

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。

就像海綿一樣，醫(yī)用植入物中的格子狀結構并不是完全均勻的。我們通常用來創(chuàng)建這種骨結構的塊狀結構類型稱為小梁晶格或隨機晶格。這些晶格模仿的骨類型稱為骨小梁，從根本上說是隨機泡沫。

專業(yè)的計算機輔助設計（CAD）軟件使植入物工程師能夠將這種表面結構應用于金屬植入物。

運動設備

可變的網(wǎng)格結構使3D打印的自行車座椅具有不同的支撐區(qū)域。前兩個來自Specialized和Fizik，均采用柔性樹脂在Carbon 3D打印機上打?。籔osedla的第三個是為個人騎手定制的，并在HP Multi Jet Fusion機器上用TPU進行3D打?。▉碓矗篠pecialized、Fizik、Posedla）

自2019年推出Specialized格狀自行車鞍座以來，這一概念已風靡全球。一些自行車裝備制造商推出了自己的鞍座版本，放棄了泡沫襯墊，轉而采用格子結構。這種先進技術通過在不同區(qū)域3D打印不同形狀和尺寸的格子，產(chǎn)生可變的支撐力。制造商們夸耀這些鞍座非常耐用，而且通風、易清洗。Posedia Joyseat（上圖右）是為每位騎手量身定做的，在他們提交照片和"微笑臀部套件"（一種專門開發(fā)的泡沫塊，你坐在上面就能對自己的坐骨寬度和體重分布產(chǎn)生定制的印象）后，就能為他們量身定做合適的坐墊。

頭盔是輕質抗沖擊格子結構（通常稱為"數(shù)字泡沫"）的另一個理想應用機會。它們已被應用于NFL橄欖球頭盔、NHL曲棍球頭盔、奧運會雪橇頭盔和自行車頭盔，并使用了各種方法和材料。事實上，美國國家橄欖球聯(lián)盟的2023年頭盔實驗室性能測試結果對市場上的一系列頭盔進行了排名和評級，其中采用3D打印格狀結構的兩款頭盔分列第一和第二位。

3D打印晶格結構是頭盔中泡沫的理想替代品，具有卓越的抗沖擊性（來源：Farsoon、Carbon、EOS）

Riddell公司的橄欖球頭盔和Hexr公司的自行車頭盔是頭盔中使用格子結構的兩種不同方法的典范。雖然兩者都是為了盡可能有效地吸收沖擊力和保護使用者，但不同之處在于制造方法和晶格類型，而不僅僅是運動項目。Hexr頭盔使用的主要是平面六邊形晶格結構，通過SLS印刷生產(chǎn)，并使用堅硬的尼龍6材料制成。而Carbon Riddell頭盔則使用了高阻尼DLP彈性體和由超過140,000個獨立支柱組成的復雜多區(qū)晶格。該工藝依靠Riddell的精確貼合頭部掃描技術和碳晶格引擎，設計出適合每位球員頭部和位置的頭盔襯墊。

為了簡化匹配材料、晶格形狀和應用（尤其是頭盔）的研發(fā)流程，美國陸軍發(fā)展司令部士兵中心委托新成立的軟件公司General Lattice開發(fā)一個預測建模工具集，用于根據(jù)真實世界的數(shù)據(jù)設計和生成晶格材料。該工具集建立在1000多萬個物理數(shù)據(jù)點的基礎上，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。"General Lattice的聯(lián)合創(chuàng)始人尼克-弗洛雷克（Nick Florek）說："提供能讓用戶提前了解晶格結構潛在影響的工具，可以降低采用的風險，并建立起對3D打印能像廣告宣傳的那樣實現(xiàn)目標的信心。

盡管陸軍仍在堅持使用其工具集，但General Lattice擁有一個名為Frontier的公共版本，該版本提供了一個可免費搜索的經(jīng)過驗證的機械屬性數(shù)據(jù)庫，可幫助用戶選擇最佳的晶格、材料和硬件組合。

熱交換器

GE Additive的晶格結構設計散熱器（來源：GE Additive）

快速成型技術可以制造出任何其他制造方式都無法實現(xiàn)的幾何形狀，從而使體積更小、效率更高的熱交換器成為可能。

上面這個復雜的熱交換器是通用電氣公司為優(yōu)化900°C二氧化碳的流動而設計的，它是復雜晶格結構與金屬增材制造相結合所能實現(xiàn)的非凡性能的絕佳范例。通用電氣公司在設計中采用了仿生學方法，反映了人體肺部的特性，以促進有效的熱交換。

Conflux等公司專門為各行各業(yè)設計使用晶格的3D打印熱交換器。

消費產(chǎn)品

阿迪達斯運動鞋采用3D打印沖擊吸收晶格結構（來源：Carbon）

阿迪達斯運動鞋公司與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產(chǎn)品。這款鞋的中底突出采用了晶格結構，旨在利用定制的FWD單元推動跑步者前進。

4. 格子結構的局限性

Antares Versus Evo 00 Adaptive車座采用Carbon 3D打印機打印，具有經(jīng)過調整的晶格結構區(qū)域，可提供最佳的機械響應（來源：Carbon）

盡管晶格結構功能強大，但利用率卻很低，認真將其應用于實際產(chǎn)品的工程師和設計師需要考慮到晶格結構的一些局限性。

制造

雖然確實存在制造復雜非平面晶格結構的傳統(tǒng)方法，但總的來說，這些方法不如快速成型方法有效。因此，在將晶格納入設計時，應仔細考慮增材制造所特有的經(jīng)濟性、時間尺度和材料選擇，尤其是在設計其他區(qū)域時已考慮到注塑成型等其他技術的情況下。

模擬

當涉及到大型晶格結構時，應力模擬，尤其是使用有限元方法進行的應力模擬，計算量非常大。大多數(shù)方法（包括上述幾種軟件包所使用的方法）都涉及在整個結構中推斷單元格的屬性，但如果單元格類型和尺寸變化很大，那么物理測試可能是準確評估大型復雜晶格設計性能的唯一方法。

文件大小

同樣，如果將具有大晶格部分的零件設計轉換為STL（無論好壞，STL仍是AM中最常用的文件類型），文件大小超過500MB甚至1GB的情況也很常見。這通常意味著，除了最強大的計算機外，進一步處理和切片都是一個緩慢而困難的過程。當然也可以減小網(wǎng)格的大小，但如果操作不慎，可能會大大簡化元素，以至于在最終部件上可以看到一些三角形元素。

有限的單元類型

單元格類型是晶格結構最重要的特征之一，它決定了結構整體所具有的大部分不同特性，但大多數(shù)工程師和設計師能輕易選擇的單元格類型非常有限。一些軟件包允許設計和創(chuàng)建新類型，但即使可以使用這些程序，這也是一項高度專業(yè)化和技術性的任務。

5. 生成晶格結構的最佳軟件

nTop

Altair Sulis

Autodesk Fusion 360&Netfabb

Carbon Design Engine

Ultrasim 3D Lattice Engine

Siemens NX

Materialize 3-Matic

Altair Optistruct&Inspire

General Lattice

編譯整理：ALL3DP