3D打印中的晶格結(jié)構(gòu)

魔猴君  科技前沿   1天前

在汽車零件、醫(yī)療植入物、跑鞋或徒步背包中，我們看到越來(lái)越多帶有格子或蜂窩圖案的3D打印零件。您可能會(huì)認(rèn)為這些晶格結(jié)構(gòu)（或英文稱為晶格結(jié)構(gòu)）是3D打印和增材制造設(shè)計(jì)(DfAM)的最新創(chuàng)新。事實(shí)上，我們不斷地被自然的晶格結(jié)構(gòu)所包圍。想想蜂窩、雪花、柵欄、海綿，甚至埃菲爾鐵塔。

晶格或點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)由以模式（稱為單元）連接的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)組成，這些節(jié)點(diǎn)不斷重復(fù)或變化，從而在零件性能或生產(chǎn)方面提供好處。在傳統(tǒng)制造中，晶格很少見，因?yàn)檫@些工藝無(wú)法產(chǎn)生如此復(fù)雜的設(shè)計(jì)。這就是增材制造的優(yōu)勢(shì)所在，使晶格和3D打印成為完美的組合。

3D打印晶格（圖片來(lái)源：Sculpteo）

在討論3D打印晶格結(jié)構(gòu)之前，我們首先了解一下可用的晶格類型。原則上，格子是通過使用線段連接節(jié)點(diǎn)而形成的。根據(jù)線段和節(jié)點(diǎn)的排列，可以出現(xiàn)規(guī)則或不規(guī)則的圖案。通過修改分段的密度以及單元的幾何形狀和尺寸，人們可以調(diào)整零件的彈性或剛度等屬性。格架的類型多種多樣，并且正在進(jìn)行研究以開發(fā)更加多樣化和高效的格架。然而，最常見的格子可以分為幾類：

<!--[if !supportLists]-->1、<!--[endif]-->平面晶格：這些晶格基于形成三維部分的平面二維結(jié)構(gòu)。由于各層是單獨(dú)打印的，因此可能需要隨后將它們組裝起來(lái)。這種類型的晶格包括四面體圖案、Voronoi晶格以及菱形和六邊形晶格（例如蜂窩）。

<!--[if !supportLists]-->2、<!--[endif]-->支柱晶格：這些晶格由連接的段組成，這些段通過連接單元的節(jié)點(diǎn)、角或邊緣形成網(wǎng)絡(luò)。打印層重疊并貼合在一起。格子可能需要用支撐材料加固。

<!--[if !supportLists]-->3、<!--[endif]-->TPMS（三周期最小表面）晶格：這些晶格基于確定單元的三角方程。格子的基本形狀可能會(huì)有所不同。

有多種3D打印晶格結(jié)構(gòu)可供選擇。（圖片來(lái)源：深圳JR科技）

格子也可以分為周期性格子和隨機(jī)格子。周期性晶格在整個(gè)結(jié)構(gòu)中保持均勻的圖案，而隨機(jī)晶格則具有細(xì)胞形狀、大小和排列的變化，以在某些方向上強(qiáng)化結(jié)構(gòu)。

晶格的選擇取決于其最終目標(biāo)。設(shè)計(jì)考慮了合適的幾何形狀和尺寸以及所需的剛性。還分析了屈曲行為，即結(jié)構(gòu)在壓力下如何屈服以及向哪個(gè)方向屈服。此外，人們經(jīng)常質(zhì)疑網(wǎng)格在變形時(shí)能否吸收能量。

晶格的設(shè)計(jì)和3D打印

要設(shè)計(jì)3D打印的晶格，需要專門的設(shè)計(jì)工具。盡管一些建模軟件提供了晶格的基本功能，但特定于拓?fù)鋬?yōu)化或生成設(shè)計(jì)的軟件更可靠。生成設(shè)計(jì)根據(jù)零件所需的屬性和所選的打印方法計(jì)算最佳設(shè)計(jì)。如果設(shè)計(jì)包含晶格，則還計(jì)算它們的單元、密度和排列。

許多工具可用于優(yōu)化3D模型和創(chuàng)建晶格結(jié)構(gòu)，包括Autodesk Within、nTopology的nTop、Meshify、Core Technologie的4D_Additive、Netfabb或Hyperganic的HyDesign。設(shè)計(jì)的選擇取決于應(yīng)用、材料和打印技術(shù)。

借助Hyperganic的HyDesign，您可以設(shè)計(jì)晶格結(jié)構(gòu)。（圖片：Hyperganic）

使用3D打印生產(chǎn)晶格結(jié)構(gòu)要容易得多，因?yàn)樗鼈兺ǔ７浅?fù)雜和精致。此外，打印晶格比打印實(shí)體結(jié)構(gòu)更快。理論上，可以使用多種材料和打印技術(shù)，但每種工藝都有其特殊性：

<!--[if !supportLists]-->1、<!--[endif]-->在FDM和SLA打印中，大型晶格結(jié)構(gòu)需要支撐結(jié)構(gòu)。

<!--[if !supportLists]-->2、<!--[endif]-->對(duì)于SLS或MJF等粉末工藝，必須提供足夠的接入點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)高效除粉。

<!--[if !supportLists]-->3、<!--[endif]-->在DMLS中，必須考慮額外的支撐以避免無(wú)支撐橋的2mm限制。

通常從設(shè)計(jì)階段就考慮到這些特殊性。

零件的所需特性及其應(yīng)用被集成到桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中。（圖片來(lái)源：nTopology）

棚架的挑戰(zhàn)和好處

主要挑戰(zhàn)包括單元方向、光束之間的距離以及相對(duì)于打印平臺(tái)的角度。網(wǎng)格必須既滿足最終作品的目標(biāo)又可行。此外，點(diǎn)陣設(shè)計(jì)的數(shù)字文件可能非常大（超過1 GB），需要大量的計(jì)算能力進(jìn)行模擬。

然而，它的優(yōu)點(diǎn)有很多：

<!--[if !supportLists]-->1、<!--[endif]-->節(jié)省材料：晶格可以生產(chǎn)更輕的零件，降低成本并提高性能，特別是在輕質(zhì)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。

<!--[if !supportLists]-->2、<!--[endif]-->提高質(zhì)量：網(wǎng)狀材料可改善減震、增加靈活性，或者相反，增強(qiáng)產(chǎn)品的剛性，使其更耐用。

<!--[if !supportLists]-->3、<!--[endif]-->具體應(yīng)用：晶格可增加熱交換器中的熱交換表面積，并刺激醫(yī)療植入物中的骨骼生長(zhǎng)。

Toucan Beak，一種內(nèi)部具有晶格結(jié)構(gòu)的3D打印熱交換器。（圖片來(lái)源：Aidro）

3D打印晶格的應(yīng)用

現(xiàn)在讓我們繼續(xù)討論3D打印晶格展示其潛力的一些應(yīng)用領(lǐng)域。在醫(yī)療領(lǐng)域，網(wǎng)格不僅用于前面提到的植入物，還用于假肢和矯形器，以優(yōu)化重量、強(qiáng)度或舒適度。

桁架結(jié)構(gòu)在需要高性能和輕量化的應(yīng)用中特別有利，例如汽車、航空航天和航天工業(yè)。例如，使用nToplattice和Shell&Lattice，Aerojet Rocketdyne能夠?qū)⑺陌l(fā)動(dòng)機(jī)缸體的重量減輕67%，并將生產(chǎn)成本降低66%。

使用晶格結(jié)構(gòu)減輕重量的Aerojet Rocketdyne發(fā)動(dòng)機(jī)缸體（圖片來(lái)源：nTopology）

但格子在體育和消費(fèi)品領(lǐng)域也變得越來(lái)越重要和受歡迎。我們看到越來(lái)越多的3D打印防護(hù)裝備和網(wǎng)狀襯墊。這些格子存在于自行車鞍座、頭盔襯墊、防護(hù)服等以及鞋子的中底中。特別是對(duì)于跑鞋，我們希望能有更好的能量傳輸和更高的性能。

這個(gè)邏輯也適用于汽車座椅或背包。例如，戶外裝備專家Oechsler使用Materialise的Magics工具來(lái)提高其采用格子結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新背包的舒適度。家具也開始采用格子，盡管在這種情況下，美觀似乎優(yōu)先于亮度。

這些例子表明晶格已經(jīng)存在于許多應(yīng)用中。隨著3D打印工業(yè)化的進(jìn)展和設(shè)計(jì)可能性的不斷發(fā)展，這種趨勢(shì)不僅預(yù)計(jì)將持續(xù)下去，而且在未來(lái)還會(huì)加劇。

用于減震和提高舒適度的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)（圖片來(lái)源：Oechsler）

編譯整理：3dnatives