3D打印中的晶格結(jié)構(gòu)是一種強(qiáng)大的設(shè)計(jì)工具，它能夠使零件更輕、更堅(jiān)固，更有效地吸收沖擊力，并更好地按照區(qū)別用途進(jìn)行個(gè)性化定制。

日前，重點(diǎn)應(yīng)用在航空航天、醫(yī)療、工業(yè)、鞋類等區(qū)別行業(yè)，擁有廣闊的應(yīng)用前景。同期，3D打印制造的這種擁有繁雜內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)的零件，擁有其獨(dú)特的優(yōu)良，沒法經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)制造技術(shù)來(lái)制作。

在本文中，咱們首要將給大眾介紹什么是晶格結(jié)構(gòu)以及它的優(yōu)缺點(diǎn)；而后列舉日前已運(yùn)用這種結(jié)構(gòu)的典型應(yīng)用案例，從阿迪達(dá)斯跑鞋和專業(yè)自動(dòng)車鞍座到工業(yè)散熱器和骨科膝關(guān)節(jié)移植物等。最后，咱們將介紹區(qū)別類型的晶格類型及怎樣設(shè)計(jì)。

1、什么是晶格結(jié)構(gòu)及它的優(yōu)缺點(diǎn)

簡(jiǎn)單地說(shuō)，3D打印的晶格結(jié)構(gòu)是連接節(jié)點(diǎn)的重復(fù)或不重復(fù)的3維集合。在其最簡(jiǎn)單的形式中，多個(gè)晶格節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)梁相互連接。梁和節(jié)點(diǎn)的集合采用規(guī)則和重復(fù)的3維形狀，如立方體或四面體，這些形狀一般被叫作為單元格。而這些單元的形狀和密度將決定部件在施加載荷時(shí)的行徑方式。

晶格結(jié)構(gòu)的優(yōu)良

減少材料運(yùn)用

設(shè)計(jì)中運(yùn)用晶格能夠經(jīng)過(guò)去除非關(guān)鍵區(qū)域的大部分材料來(lái)大大減少材料的運(yùn)用量。例如在航空航天工業(yè)中，晶格結(jié)構(gòu)的引入將減少鈦或鉻鎳鐵合金材料的運(yùn)用，在不犧牲零件結(jié)構(gòu)完整性的狀況下，能夠節(jié)省海量成本。

輕量化

減少材料運(yùn)用還有另一個(gè)好處——減輕重量。  在許多應(yīng)用中，零件或組件的最后重量，一般越輕越好。這擁有許多優(yōu)良，從減少汽車應(yīng)用中的燃料運(yùn)用到改善醫(yī)療案例中的病人恢復(fù)時(shí)間，還有減輕飛機(jī)、航天器的重量。

能量吸收

晶格結(jié)構(gòu)擁有許多有利于吸收能量的特性，在消散沖擊和沖擊載荷方面非常有效。經(jīng)過(guò)改變區(qū)別區(qū)域的密度，乃至細(xì)胞類型，在壓縮過(guò)程中能夠有效地吸收區(qū)別方向的能量。

CCM Super Tacks X3D打印曲棍球頭盔內(nèi)部（源自：Carbon 3D）

繁雜的晶格類型能夠重新定向，同期按照材料的各樣特性，在多個(gè)方向上更好地分配能量以吸收沖擊力。

增多表面積

晶格結(jié)構(gòu)為零件供給了更加多的曲面，使得其表面積相比同尺寸的零件增多了非常多倍，卻又不會(huì)增多其總體占地面積。

盡管尺寸相同，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，重量卻輕了 4 倍（源自：Printpool）

這針對(duì)觸及熱交換或化學(xué)催化的應(yīng)用非常有用，這些應(yīng)用依賴于高表面積來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能，傳熱或化學(xué)反應(yīng)是其重點(diǎn)目的。

其他優(yōu)良還包含，醫(yī)用移植物中創(chuàng)建晶格結(jié)構(gòu)以促進(jìn)骨生長(zhǎng)，與病人自己的骨骼結(jié)構(gòu)形成更牢靠的結(jié)合。

晶格結(jié)構(gòu)的局限性

雖然晶格結(jié)構(gòu)有它很顯著的優(yōu)良，能夠讓零件更輕，材料更少，成本更低，效果更好，但確實(shí)亦有有些局限性。在制造繁雜非平面晶格結(jié)構(gòu)時(shí)，咱們應(yīng)仔細(xì)思慮3D打印特有的經(jīng)濟(jì)性、時(shí)間、打印尺寸和材料選取，與傳統(tǒng)加工方式做出對(duì)比選取，而不是強(qiáng)行運(yùn)用3D打印晶格設(shè)計(jì)。

當(dāng)觸及大型晶格結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)力模擬，尤其是哪些運(yùn)用有限元辦法的應(yīng)力模擬，計(jì)算量可能非常大。一樣，當(dāng)擁有大晶格部分的零件設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為STL文件時(shí)，超過(guò)500MB乃至1GB的文件體積很平常。這一般寓意著除了最強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)之外，進(jìn)一步處理和切片可能是一個(gè)緩慢而困難的過(guò)程。

晶胞的類型是晶格結(jié)構(gòu)最重要的特征之一，日前供大都數(shù)工程師和設(shè)計(jì)師的選取有限。同期這亦是一項(xiàng)高度專業(yè)化和技術(shù)性的工作，在運(yùn)用上還有必定的技術(shù)門檻。

2、晶格結(jié)構(gòu)的典型應(yīng)用

許多區(qū)別的行業(yè)在設(shè)計(jì)新制品時(shí)都利用了晶格結(jié)構(gòu)的特性，近年來(lái)，利用晶格結(jié)構(gòu)做為關(guān)鍵特征的新制品、應(yīng)用和想法持續(xù)顯現(xiàn)。這兒列出了有些典型的應(yīng)用案例。

汽車

Dynamis PRC電動(dòng)賽車的Puntozero冷板（源自：nTopology）

意大利制品研發(fā)公司Puntozero與Formula SAE 團(tuán)隊(duì)Dynamis PRC合作，為她們的高壓轉(zhuǎn)換器冷板設(shè)計(jì)了基于陀螺單元的扭曲版本，該板比以前的設(shè)計(jì)輕 25%，表面積增多300%。

醫(yī)療

NanoHive Medical骨科移植物運(yùn)用了促進(jìn)骨骼生長(zhǎng)的晶格結(jié)構(gòu)（源自：NanoHive Medical）

NanoHive Medical是一家美國(guó)醫(yī)療機(jī)構(gòu)，專門設(shè)計(jì)獨(dú)特的脊柱移植物，在手術(shù)時(shí)期用于治療退行性脊柱疾病。在這種狀況下，晶格設(shè)計(jì)用于降低移植物的剛度，使力更加多地傳遞到脊柱本身，從而減少鈦移植物周邊的骨萎縮。

運(yùn)動(dòng)裝備

經(jīng)過(guò)Carbon晶格設(shè)計(jì)軟件Design Engine制作的自動(dòng)車座椅（源自：Carbon 3D）

Carbon 3D為Specialized自動(dòng)車設(shè)計(jì)的這款3D打印自動(dòng)車座椅可將坐骨壓力降低多達(dá)26%，其格子結(jié)構(gòu)包括約22,200 個(gè)支柱和10,700 個(gè)節(jié)點(diǎn)，所有這些都經(jīng)過(guò)單獨(dú)調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)支撐和舒適的正確結(jié)合。

電子

經(jīng)過(guò)DLP 3D打印的繁雜電極幾何體（源自：加州理工學(xué)院）

3D打印鋰離子電池電極的新辦法，加州理工學(xué)院的科研人員利用DLP 3D打印技術(shù)，制造出繁雜的聚合物結(jié)構(gòu)，而后經(jīng)過(guò)熱后處理轉(zhuǎn)化為有用的電極材料。最后的碳和鈷氧化鋰結(jié)構(gòu)分別被證明能夠做為陽(yáng)極和陰極運(yùn)用，并叫作擁有優(yōu)異的電池性能和穩(wěn)定性。

工業(yè)

GE Additive 采用晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的散熱器（源自：GE Additive）

以上這種繁雜的熱交換器由GE制作，可用于優(yōu)化900°C 二氧化碳的流動(dòng)，是繁雜晶格結(jié)構(gòu)與金屬3D打印相結(jié)合并實(shí)現(xiàn)卓越性能的一個(gè)很好案例。GE對(duì)其設(shè)計(jì)采用了仿生學(xué)辦法，反映了人類肺部的特性，以促進(jìn)有效的熱交換。

消費(fèi)品

阿迪達(dá)斯Futurecraft 4D限量定制跑鞋采用3D打印晶格結(jié)構(gòu)（源自：Carbon 3D）

阿迪達(dá)斯與Carbon合作于2021年推出了4DFWD鞋，運(yùn)用的樹脂材料，跑鞋中底采用Carbon 3D打印的晶格結(jié)構(gòu)。鞋跟和前腳掌部位的晶格形狀和密度完全區(qū)別，況且全部中底的晶格結(jié)構(gòu)密度亦是連續(xù)變化的，從而為腳步供給充分的緩沖力。

3、晶格結(jié)構(gòu)的類型及設(shè)計(jì)

晶格結(jié)構(gòu)類型

TPMS 點(diǎn)陣、支柱點(diǎn)陣和平面點(diǎn)陣類型（源自：Gen3D）

晶格都基于一個(gè)晶胞，這是重復(fù)單元，在多個(gè)方向上重復(fù)復(fù)制，以形成一個(gè)整體。這兒給大眾講解有些常用的幾種晶格類型。

TPMS點(diǎn)陣

三重周期性最小表面，TPMS當(dāng)運(yùn)用三角方程生成晶胞時(shí)，會(huì)創(chuàng)建例如“gyroid”。TPMS單元由單元內(nèi)的所有點(diǎn)構(gòu)成，像這般的區(qū)別但類似的方程會(huì)產(chǎn)生區(qū)別的TPMS晶格類型。

支柱格子

支柱格子由相互連接的梁構(gòu)成，根據(jù)單元格定義的各樣模式連接起來(lái)。支柱能夠經(jīng)過(guò)立方體單元的頂點(diǎn)、邊和面連接起來(lái)，這些連接點(diǎn)的區(qū)別組合會(huì)產(chǎn)生區(qū)別的類型。

平面晶格

平面晶格是最簡(jiǎn)單的晶格類型，是在將2D晶胞擠壓成3D時(shí)創(chuàng)建的。最平常的平面晶格類型是蜂窩結(jié)構(gòu)。

經(jīng)過(guò)在區(qū)別方向上隨機(jī)改變其參數(shù)，這些類型的晶格中的每一種亦能夠從周期性晶格變?yōu)殡S機(jī)晶格。經(jīng)過(guò)在每一個(gè)方向上賦予結(jié)構(gòu)相似的特性（使其各向同性），使其在某些應(yīng)用中可能更具優(yōu)良。

晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

日前市面上已然有非常多能夠制作晶格設(shè)計(jì)的軟件，這兒資源庫(kù)為大眾整理平常的幾款，區(qū)別的軟件操作繁雜度不同樣，能夠進(jìn)行多個(gè)安裝對(duì)比測(cè)試，選取一款適合自己的。

nTopology

經(jīng)過(guò)運(yùn)用隱式建模而不是實(shí)體建模，nTopology產(chǎn)生了一個(gè)極其快速和強(qiáng)大的軟件包，可用于設(shè)計(jì)運(yùn)用傳統(tǒng)CAD沒法實(shí)現(xiàn)的零件。nTop包括的晶格功能非常強(qiáng)大，幾乎能夠完全掌控晶格結(jié)構(gòu)的各個(gè)方面，包含定義自己晶胞的能力。

nTop擁有許多其他功能，包含高級(jí)仿真和生成式設(shè)計(jì)選項(xiàng)，但網(wǎng)格化是nTop功能的核心部分。

Fusion 360和Netfabb

無(wú)論是運(yùn)用Fusion 360還是Netfabb此刻都能夠運(yùn)用新的晶格結(jié)構(gòu)選項(xiàng)。一起始僅有Netfabb有這個(gè)功能，2022年1月Autodesk已將其簡(jiǎn)化版本添加到了Fusion 360中，但做為可選項(xiàng)，需要單獨(dú)購(gòu)買（可免費(fèi)試用7天）。日前，這些還是基本功能，只能實(shí)時(shí)查看晶格的效果。

Autodesk Netfabb擁有強(qiáng)大的晶格生成能力，能夠產(chǎn)生非常繁雜的點(diǎn)陣設(shè)計(jì)。基于自帶的Simulation Utility 和Optimization Utility模塊，用戶可按照分析結(jié)果在優(yōu)化時(shí)直接修改設(shè)計(jì)，加強(qiáng)零件3D打印成功率，降低工藝試錯(cuò)成本，這個(gè)功能尤其在金屬打印中比較重要。

Carbon Design Engine

這是由于3D打印機(jī)構(gòu)Carbon推出的3D打印晶格設(shè)計(jì)軟件，日前Carbon經(jīng)過(guò)該軟件已設(shè)計(jì)生產(chǎn)了有些高性能，突破性的制品，例如運(yùn)動(dòng)鞋，自動(dòng)車鞍座，和頭盔。

日前這款軟件已于2022年初宣布對(duì)外營(yíng)銷，新版本供給標(biāo)準(zhǔn)版、專業(yè)版和企業(yè)版。但真正有用的設(shè)計(jì)功能類型僅適用于更昂貴的“Pro”專業(yè)版本，該版本引入了晶格類型之間的過(guò)渡和梯度。

Grasshopper

Grasshopper（簡(jiǎn)叫作GH）是一款可視化編程語(yǔ)言，它基于Rhino平臺(tái)運(yùn)行，內(nèi)部模塊能完美的和rhino集成在一塊，協(xié)同運(yùn)用操作更加有效快捷。

同期gh中含有近千種插件可供用戶自由搭配選取運(yùn)用，有編程基本的話乃至能夠自己研發(fā)插件，開放性和靈活性都非常高。

3-matic

3-matic是Materislise機(jī)構(gòu)出品的基于數(shù)字化CAD（stl）的正向工程軟件，所有操作都是基于三角面片進(jìn)行處理。

但3-matic的晶格的隨形設(shè)計(jì)和點(diǎn)陣的排布重點(diǎn)依靠UV-mapped的劃分，這亦引起點(diǎn)陣的分布不足靈活，尤其是遇到曲面隨形時(shí)，UV-mapped的劃分容易變形，從而導(dǎo)致點(diǎn)陣分布不均勻。

Hyperganic

Hyperganic機(jī)構(gòu)做為一個(gè)創(chuàng)業(yè)機(jī)構(gòu)，成立于2015年，該軟件專注于設(shè)計(jì)繁雜的3D打印結(jié)構(gòu)，其功能與nTopology類似。Hyperganic類似一組云端軟件接口，將設(shè)計(jì)、模擬、自動(dòng)擺放、切片等功能所有集成在該云平臺(tái)上。

輸入客戶的3D打印機(jī)參數(shù)，晶格參數(shù)等一系列掌控參數(shù)后，可輸出直接用于3D打印機(jī)的格式，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)流程。例如輸入一個(gè)鞋中底模型后，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)可變參數(shù)，可自動(dòng)生成cli切片格式的3D打印晶格鞋底。

3D-xpert

3D-xpert是3D打印機(jī)構(gòu)3D Systems開發(fā)的金屬3D打印一站式處理方法軟件。涵蓋了金屬增材制造的全部流程。

3D-xpert其中的三維建模模塊持有Cimatron的所有建模功能，而輕量化設(shè)計(jì)模塊中有隨形，均質(zhì)、徑向、隨機(jī)、最小曲面等參數(shù)晶格，并且可實(shí)時(shí)表示已選取的晶格的元素?cái)?shù)量，如方向、節(jié)點(diǎn)、體積，孔隙率等，幫忙用戶更快的設(shè)計(jì)出可3D打印的晶格結(jié)構(gòu)。

NX

西門子NX于2022年2月發(fā)布的新版本中，擴(kuò)展了該應(yīng)用程序的點(diǎn)陣選項(xiàng)。

同期，NX中的晶格結(jié)構(gòu)此刻還能夠運(yùn)用西門子的Simcenter 3D仿真進(jìn)行優(yōu)化，以在單一環(huán)境中得到最佳晶格結(jié)構(gòu)。這消除了傳統(tǒng)上所需的多個(gè)設(shè)計(jì)分析過(guò)程。

Optistruct

OptiStruct是一個(gè)卓越的有限元結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化軟件，內(nèi)含一個(gè)準(zhǔn)確快速的有限元求解器，用于進(jìn)行概念設(shè)計(jì)和細(xì)化設(shè)計(jì)。它能夠運(yùn)用其設(shè)計(jì)優(yōu)化功能集生成一系列區(qū)別的晶格類型。

OptiStruct的晶格結(jié)構(gòu)辦法區(qū)別尋常，由于它本質(zhì)上與拓?fù)鋬?yōu)化過(guò)程關(guān)聯(lián)聯(lián)。晶格設(shè)計(jì)后準(zhǔn)確模擬晶格的能力亦非常有用。

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