3D打印晶格结构设计终极指南：部件轻量化、功能化的绝佳选择

时间：2023-06-21 09:36 来源：南极熊作者：admin 阅读：次

导读：3D 打印中的晶格结构是一种强大的设计工具。精心设计的晶格结构可以使零件更轻、更坚固，更有效地吸收冲击力，并更好地根据最终用途进行定制。了解如何使用和创建这些结构是 3D 打印原型和生产部件的产品工程和工业设计的重要组成部分。

△设计成晶格结构的3D打印头盔（来源： Carbon 3D）

晶格结构实际是3D打印填充模式的一种特殊应用，但大多数非专业设计师都没有充分将其作用充分发挥出来。如今，先进的增材制造设计软件在自动生成各种晶格结构方面有着巨大优势，这为晶格结构应用于运动设备、火箭推进器以及医疗植入物等领域奠定了良好的基础。

△由于晶格结构壁设计，这种单件式火箭推进发动机的 3D 打印重量更轻（来源：SLM Solutions）

在本期文章中，南极熊对使用晶格结构设计零件的基本要点进行了逐一介绍，包括晶格结构的优势、不同类型的晶格、如何使用它们以及何时使用，并展示了世界各地的设计师和工程师如何使用晶格来创造性能极佳的创新产品：从 Adidas 跑鞋和 Specialized 自行车座垫到工业散热器和矫形膝关节植入物。最后，介绍了将晶格结构应用到设计中所需的顶级软件。

要点 1. 为什么要使用晶格结构

△Aidro3D 打印的具有晶格内部结构的热交换器—— Toucan Beak（来源：Aidro）

晶格具有一些独特的特性，在设计零件或产品时具有很大的优势，而传统制造方法几乎无法复制这些特性，例如：

减少材料使用

在您的设计中使用晶格可以通过移除非关键区域的大部分材料来显著减少材料的使用量。如果目标零件是使用基于粉末或树脂的 3D 打印工艺制造的，则可以节省大量成本。

△尽管大小相同，但右侧的晶格结构的表面积比左侧的圆柱体大 4 倍，重量轻 4 倍（来源：Printpool）

轻量化

减少材料使用还有另一个好处——减轻重量。在许多应用中，零件或组件的最终组装质量是一个严格约束的目标，通常越轻越好。根据所选的晶格类型，重量减轻效果可能非常显著，这具有许多优势，从减少汽车应用中的燃料使用到缩短医疗案例中的患者恢复时间。

吸收能量

晶格结构具有许多有利于吸收能量的特性。通过改变不同区域的密度甚至细胞类型，可以进行设计以有效地吸收不同方向的能量。与广泛产品中使用的标准泡沫相比，复杂的晶格结构可以在多个方向重新定向和更好地分配能量以吸收冲击力，同时利用现代增材制造树脂的各种特性。

△CCM SuperTacks X 是世界上第一个 3D 打印曲棍球头盔内饰，用Carbon 3D 的 NEST Tech 晶格取代传统的通用泡沫衬垫以增强保护（来源：Carbon 3D）

增加表面积

晶格的表面积比相同大小的实体组件的表面积大许多倍。这对于涉及依赖高表面积实现其功能的热交换或化学催化的应用非常有用。

美观

除了晶格的许多技术优势外，很难忽视它们具有独特而美丽的美感。越来越多的产品设计师选择将晶格元素融入消费产品设计中，仅仅是为了外观。

要点 2. 晶格结构类型

△Carbon的 Design Engine 晶格生成软件中使用的晶格类型（来源：Carbon）

关于晶格类型的定义，Anton du Plessis等人对此做出了系统地论述，相关研究以题为“Properties and applications of additively manufactured metalliccellular materials: A review”的论文被发表在《Progress inMaterials Science》期刊上。

相关论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079642521001420

所有晶格类型都是基于同一个晶胞在多个方向上重复复制以使结构成为一个整体的重复单元，以下是按细胞类型划分的晶格类型：

TPMS晶格

当使用三角方程生成晶胞时，会创建三重周期最小曲面 ( TPMS ) 晶格。例如，“陀螺仪”TPMS 单元由单元内的所有点组成，并适用以下等式：

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

像这样不同但相似的方程产生不同的 TPMS 晶格类型。

支柱晶格

支柱晶格（或梁状晶格）由相互连接的梁组成，按照晶胞定义的各种模式连接。支柱可以通过立方体的顶点、边和面连接，这些连接点的不同组合产生不同的类型。

平面晶格

平面晶格是最简单的晶格类型，是在 3D 中挤压 2D 晶胞时创建的。最常见的平面晶格类型是蜂窝结构。

通过在不同方向随机改变其参数，这些类型的格中的每一种也可以从周期性格变成随机格。通过在每个方向上赋予结构相似的属性（使其各向同性），这在某些应用中可能具有优势。

当涉及到晶格生成软件时，可能会遇到以下晶格类型：

二十面体：以空间中点的排列为特征的不规则晶格。
四面体：基于具有四个三角形面的四面体的晶格。每个顶点都通过边连接到三个相邻的顶点。
菱形：晶格中的晶胞为菱形（等长的四边形），并且它们在其顶点或边缘处连接到相邻的晶胞。
Voronoi：一种晶格，其中根据与一组种子点的接近程度将空间划分为单元格。
Kagome：由三角形单元的重复模式组成的晶格结构

要点 3. 在实际产品中应用晶格结构

许多不同的行业在设计新产品时都利用了晶格结构的特性，近年来，以晶格结构为关键特征的新应用和新想法大量出现。下面列出了一些最令人兴奋和创新的产品。

汽车

△DynamisPRC 电动赛车的 Puntozero 冷板（来源：nTop）

意大利产品开发机构 Puntozero 与 Formula SAE 团队 Dynamis PRC 合作，为其高压转换器设计了这种不同寻常的冷板（见上图）。基于螺旋形单元电池的变形版本，该冷板结构比以前的设计轻了 25%，表面积增加了 300%。使用nTop 软件设计。

医疗

△NanoHiveMedical 骨科植入物使用促进骨骼生长的晶格结构（来源：NanoHive Medical）

NanoHive Medical是一家美国公司，专门设计在手术中用于治疗退行性脊柱疾病的独特脊柱植入物。在这种情况下，晶格设计用于降低植入物的刚度，允许将更多的力传递到脊柱本身，从而减少钛植入物周围的骨萎缩。

膝关节和髋关节植入物中的晶格结构已被证明可以促进植入物中的骨组织生长，称为骨整合。Bone& Joint Research 杂志最近的一项研究发现，3D 打印的“钛晶格植入物在部分或全膝关节置换后保持了胫骨近端的自然机械负荷，但传统的固体植入物却没有。

△3D 打印植入物上的随机晶格结构可以使用 Genysis（左）和 nTop（右）等软件进行设计。

医疗植入物中的格状结构并不完全均匀，而是像海绵一样。我们通常用来创建这种骨骼结构的块状结构类型称为小梁晶格或随机晶格。这些晶格称为仿生小梁骨类型，并且在基本水平上基本上是随机泡沫孔结构。专业的计算机辅助设计 (CAD) 软件使植入工程师能够将这种类型的表面结构应用于金属植入物。

体育器材

△可变晶格结构使 3D 打印自行车座椅具有不同的支撑区域。前两个，来自 Specialized 和 Fizik，都是用柔性树脂在 Carbon 3D 打印机上打印的；Posedia 的第三个是为个人骑手定制的，并在 HP Multi-Jet Fusion机器上用 TPU 3D 打印（来源：Specialized、Fizik、Posedia）

自 2019 年推出Specialized lattice 自行车座垫以来，3D 打印自行车坐垫这一概念开始流行起来。一些自行车设备制造商已经推出了他们自己的鞍座版本，这些鞍座抛弃了泡沫填充物并选择了晶格结构。这一进步通过在不同区域 3D 打印不同的晶格形状和尺寸来产生可变支撑。制造商吹嘘这些鞍座的耐用性，以及提供通风和易于清洁。Posedia Joyseat（上图右）是为每位骑手定制和定制的，这是一种专门开发的泡沫块，骑行者坐在上面根据其坐姿创造定制的骨骼宽度和重量分布。

头盔是轻型和减震晶格结构的另一个理想应用场景，通常被称为“数字泡沫”。它们已通过各种方法和材料应用于NFL 橄榄球头盔、 NHL曲棍球头盔、奥林匹克雪橇头盔和自行车头盔。事实上，NFL 的 2023头盔实验室测试性能结果对市场上的一系列头盔进行了排名和评级，并将具有 3D 打印晶格结构的两款头盔排在第一和第二位。

△3D 打印晶格结构是头盔中泡沫的理想替代品，具有出色的抗冲击性（来源：Farsoon、Carbon、EOS）

Riddell 的橄榄球头盔和Hexr的自行车头盔是头盔中两种不同晶格结构方法的例证。虽然两者的设计都是为了尽可能有效地吸收冲击力和保护使用者，但区别在于制造方法和晶格类型，以及运动方式。Hexr 头盔主要采用平面六边形晶格结构，采用 SLS 打印技术生产，并使用坚硬的尼龙 6 材料制成。另一方面，Carbon Riddell 头盔使用高阻尼 DLP 弹性体和由 140,000 多个独立支柱制成的复杂多区域网格。该过程依靠 Riddell 的 Precision-fit 头部扫描技术和 Carbon Lattice Engine 来设计适合每个球员头部和位置的头盔内衬。

为了简化材料、晶格形状和应用的匹配研发过程，特别是用于头盔，美国陆军发展指挥部士兵中心责成初创软件公司General Lattice开发一个预测性建模工具集，以设计和生成基于真实世界数据的晶格材料。该工具集建立在1000多万个物理数据点上，是一个可搜索的数据库，允许用户根据机械性能查询晶格材料。GeneralLattice公司的联合创始人Nick Florek说："提供使用户能够预先了解晶格结构的影响潜力的工具，可以降低误用的风险，并建立人们对 3D 打印能够像宣传的那样交付的信心。"

尽管陆军仍在坚持使用其工具集，但 General Lattice 有一个名为Frontier的公共版本，它提供了一个免费搜索的经过验证的机械性能数据库，以支持用户选择最佳的晶格、材料和硬件组合。

换热器

△GEAdditive 的晶格结构设计的散热器（来源：GE Additive）

增材制造可实现任何其他制造类型无法实现的几何形状，从而使更小、更高效的热交换器成为可能。上面这个复杂的热交换器由GE设计，用于优化 900°C 二氧化碳的流动，是复杂晶格结构与金属增材制造相结合时可以实现的卓越性能的一个很好的例子。GE 在他们的设计中采用了仿生学方法，模仿人类肺部的特性以促进有效的热交换。Conflux等公司专门为各种行业专门设计使用晶格的 3D 打印热交换器。

消费产品

△阿迪达斯运动鞋采用 3D 打印冲击吸收网格结构（来源：Carbon）

Adidas Athletic Footwear 与 Carbon 3D 合作，于 2017 年推出了4DFWD鞋——这是采用 DLP 树脂技术制造的一系列运动鞋中的最新款。这双鞋的中底采用晶格结构，旨在利用其定制的 FWD 单元推动跑步者前进。

(责任编辑：admin)

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