3D打印晶格結(jié)構(gòu)–終極指南

魔猴君  知識堂   350天前

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(jié)構(gòu)是原型和生產(chǎn)零件3D打印中產(chǎn)品工程和工業(yè)設(shè)計的重要組成部分。

雖然您可能對填充結(jié)構(gòu)（格狀結(jié)構(gòu)的一種特殊應(yīng)用）并不陌生，但大多數(shù)非專業(yè)設(shè)計師對格狀結(jié)構(gòu)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(yīng)用格狀結(jié)構(gòu)并不難。此外，當今先進的增材制造設(shè)計軟件可以自動生成各種晶格，應(yīng)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(jié)構(gòu)壁設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)、如何使用以及何時使用，并向您展示世界各地的設(shè)計師和工程師如何使用網(wǎng)格結(jié)構(gòu)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(guān)節(jié)植入物，不一而足。最后，我們還介紹了在設(shè)計中應(yīng)用網(wǎng)格結(jié)構(gòu)所需的頂級軟件。

1. 為什么使用點陣結(jié)構(gòu)

Aidro具有晶格內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(shè)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(fù)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(jié)構(gòu)。

減少材料使用

在設(shè)計中使用晶格可以去除非關(guān)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(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(yīng)用中，零件或組件的最終裝配質(zhì)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(yīng)用中的燃料使用到改善醫(yī)療案例中病人的康復(fù)時間。

能量吸收

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，可以設(shè)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(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)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(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(yīng)用非常有用，因為這些應(yīng)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(shù)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(shè)計師選擇在消費品設(shè)計中加入格子元素，原因無非是為了美觀。

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）

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(fù)復(fù)制的重復(fù)單元，從而構(gòu)成一個整體結(jié)構(gòu)。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(nèi)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(jié)構(gòu)。

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(yīng)用中具有優(yōu)勢，可以使結(jié)構(gòu)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(fù)圖案組成的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

3. 在實際產(chǎn)品中應(yīng)用點陣結(jié)構(gòu)

許多不同行業(yè)在設(shè)計新產(chǎn)品時都會利用晶格結(jié)構(gòu)的特性，近年來，以晶格結(jié)構(gòu)為主要特征的新應(yīng)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(gòu)Puntozero與方程式SAE車隊Dynamis PRC合作，為他們的高壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計了這款不同尋常的冷板（上圖）。與之前的設(shè)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(shè)計。

醫(yī)療的

NanoHive Medical骨科植入物采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)計用于治療脊柱退行性病變手術(shù)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(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)植入物中的晶格結(jié)構(gòu)已被證明能增加植入物的骨生長，即骨整合。最近在《骨與關(guān)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(guān)節(jié)置換術(shù)]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(jié)構(gòu)可以使用Genysis（左）和nTop（右）等軟件進行設(shè)計。

就像海綿一樣，醫(yī)用植入物中的格子狀結(jié)構(gòu)并不是完全均勻的。我們通常用來創(chuàng)建這種骨結(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(shè)計（CAD）軟件使植入物工程師能夠?qū)⑦@種表面結(jié)構(gòu)應(yīng)用于金屬植入物。

運動設(shè)備

可變的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)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??；Posedla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打印（來源：Specialized、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(zhuǎn)而采用格子結(jié)構(gòu)。這種先進技術(shù)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(zhì)抗沖擊格子結(jié)構(gòu)（通常稱為"數(shù)字泡沫"）的另一個理想應(yīng)用機會。它們已被應(yīng)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(jié)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(jié)構(gòu)的兩款頭盔分列第一和第二位。

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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(fù)雜多區(qū)晶格。該工藝依靠Riddell的精確貼合頭部掃描技術(shù)和碳晶格引擎，設(shè)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(yīng)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(yù)測建模工具集，用于根據(jù)真實世界的數(shù)據(jù)設(shè)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(chǔ)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計散熱器（來源：GE Additive）

快速成型技術(shù)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(fù)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(shè)計的，它是復(fù)雜晶格結(jié)構(gòu)與金屬增材制造相結(jié)合所能實現(xiàn)的非凡性能的絕佳范例。通用電氣公司在設(shè)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(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打印沖擊吸收晶格結(jié)構(gòu)（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(shù)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(jié)構(gòu)，旨在利用定制的FWD單元推動跑步者前進。

4. 格子結(jié)構(gòu)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(diào)整的晶格結(jié)構(gòu)區(qū)域，可提供最佳的機械響應(yīng)（來源：Carbon）

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

制造

雖然確實存在制造復(fù)雜非平面晶格結(jié)構(gòu)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(shè)計時，應(yīng)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(shè)計其他區(qū)域時已考慮到注塑成型等其他技術(shù)的情況下。

模擬

當涉及到大型晶格結(jié)構(gòu)時，應(yīng)力模擬，尤其是使用有限元方法進行的應(yīng)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(jié)構(gòu)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(fù)雜晶格設(shè)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(shè)計轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)最重要的特征之一，它決定了結(jié)構(gòu)整體所具有的大部分不同特性，但大多數(shù)工程師和設(shè)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(shè)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(shù)性的任務(wù)。

5. 生成晶格結(jié)構(gòu)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