3D打印中的陀螺儀晶格–終極指南

魔猴君  知識堂   342天前

在3D打印技術(shù)中，有一種自然結(jié)構(gòu)被越來越多地應(yīng)用于減輕產(chǎn)品重量，并使輕量級產(chǎn)品更加堅固，這種結(jié)構(gòu)就是陀螺晶格。這種復(fù)雜的形狀曾經(jīng)幾乎無法制造，但現(xiàn)在對3D打印機來說已不再是難題，它為產(chǎn)品設(shè)計開辟了一片新天地。 

Protolabs使用金屬激光粉末床融合技術(shù)構(gòu)建的鈦合金陀螺晶格（來源：Protolabs）

陀螺形狀可以用多種3D打印技術(shù)制作出來，它是一種全新的、令人興奮的填充圖案，具有多種明顯的工程優(yōu)勢。從上圖中的直排輪滑鞋到外科植入物、航空航天部件和熱交換器，您會發(fā)現(xiàn)它被廣泛應(yīng)用于各種3D打印產(chǎn)品中。

陀螺結(jié)構(gòu)是一種復(fù)雜的三維幾何圖案，其特點是由錯綜復(fù)雜的重復(fù)表面網(wǎng)絡(luò)組成，在跨越給定邊界的同時最大限度地減少了表面積。從技術(shù)上講，它們是一種三重周期性最小表面（TPMS）結(jié)構(gòu)，我們將在下文對此進行深入探討。

Proto3000的工程師使用陀螺儀晶格填充物將螺旋錐齒輪的重量減輕了51%（來源：Proto3000）

一、什么是陀螺儀？

Desktop Metal的這款陀螺儀結(jié)構(gòu)3D打印扳手與實體工具一樣堅固，但質(zhì)量和重量減輕了30%

（來源：Desktop Metal）

讓我們進一步分解陀螺。三周期極小曲面意味著你可以在三個方向上創(chuàng)建陀螺儀圖案。在下圖中，陀螺單元的單個晶胞（灰色）可以在x、y和z軸上復(fù)制，以構(gòu)建更大的晶格，例如填充這個熱交換器模型的晶格。

極小表面是指跨越邊界點而不會產(chǎn)生超出絕對需要的表面積的表面。雖然試圖理解這個想法可能會讓你的泡泡破滅，但不用擔心，因為肥皂膜在創(chuàng)造最小表面方面非常出色。想想泡泡棒環(huán)上的肥皂膜吧。

肥皂接觸到邊界（泡泡棒的邊緣）時，不會產(chǎn)生任何額外的表面區(qū)域，如凸起或凹陷。肥皂膜會非常平整。對于形狀不規(guī)則的物體也是如此。雖然這是一個二維類比，但您可以理解為一個由相連表面組成的網(wǎng)絡(luò)，在這個網(wǎng)絡(luò)中，肥皂膜形成了一個連續(xù)的、相互連接的表面，橫跨魔棒的邊框。

作用中的晶格力學(xué)：左圖，3D邊界上的肥皂膜；右圖，二維邊界上的肥皂膜（來源：Protolabs）

二、為什么在3D打印零件中使用陀螺儀晶格？

3D打印及其創(chuàng)建陀螺晶格的能力為現(xiàn)有材料的新變化、輕量化、生物力學(xué)、熱傳遞等帶來了無數(shù)可能性。

奧克蘭大學(xué)創(chuàng)意設(shè)計和增材制造實驗室發(fā)現(xiàn)，鞋墊可以采用螺旋晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計，根據(jù)足部壓力圖自動生成較硬和較軟的區(qū)域，以在需要的地方緩解壓力（來源：奧克蘭大學(xué)創(chuàng)意設(shè)計和增材制造實驗室）增材制造實驗室）

1、輕量化

瑞士應(yīng)用科學(xué)大學(xué)機械工程與材料技術(shù)學(xué)院的研究人員了解到，蝴蝶翅膀上的陀螺格子有助于保持翅膀的硬度，但重量卻很輕。

他們將陀螺儀晶格與碳纖維增強塑料肋條相結(jié)合，就像蝴蝶翅膀上的肋條一樣。格子是用立體光刻技術(shù)（SLA）用管子制成的，他們將碳纖維增強肋條安裝在管子中。通過測試，他們能夠在不增加密度的情況下制造出更堅硬的晶格。他們還研究了棒材厚度和陀螺孔隙率等變量對最終材料的影響。這只是研究輕量化應(yīng)用中陀螺格子的眾多研究之一。

Restor3d設(shè)計和制造個性化植入物，例如這些具有螺旋晶格結(jié)構(gòu)的頸椎融合器

通過具有最大表面積的完全互連結(jié)構(gòu)促進骨骼向內(nèi)生長（來源：Restor3d）

2、骨與組織工程

陀螺儀為骨骼和組織支架提供了新的機遇。在骨骼受傷的情況下，醫(yī)生會安裝帶有支架格子的人工骨骼植入物來替代受損部位。這些支架的機械性能非常重要，但多孔性也同樣重要。隨著時間的推移，新組織將長入支架。工程師們面臨的挑戰(zhàn)是，如何設(shè)計出具有足夠孔隙率的支架，使組織能夠生長和流體運動，同時又不影響機械性能。

如今，在3D打印人工骨植入物中，使用了各種晶格結(jié)構(gòu)來復(fù)制天然骨的多孔性。理想情況下，可以根據(jù)患者的病情、植入物的類型以及所需的機械和生物性能來選擇每種晶格，它們都有各自的設(shè)計考慮因素和優(yōu)點。

一項研究發(fā)現(xiàn)，陀螺狀支架的抗壓強度高于所研究的其他陀螺狀支架。澳大利亞維多利亞州皇家墨爾本理工大學(xué)和迪肯大學(xué)的研究人員對陀螺狀支架的性能進行了研究。他們的研究通過FDM使用聚乳酸制造陀螺。這項研究只關(guān)注材料測試，以及熔融沉積成型（FDM）陀螺是否是骨組織支架的良好選擇，研究結(jié)果很有希望。

蘇黎世大學(xué)更進一步，在培養(yǎng)皿中測試了陀螺儀在體外和兔子體內(nèi)的性能。這項研究將三種類型的TPMS與傳統(tǒng)的晶格進行了比較。如果您決定查看他們的研究論文，就會發(fā)現(xiàn)他們將我們一直在討論的陀螺形狀稱為菱形，但為了保持一致，我們在這里還是稱之為陀螺。在測試的各種形狀中，陀螺的剛度和抗壓強度最高，彈性模量與骨骼相當。與其他形狀的支架相比，陀螺形狀支架內(nèi)的組織量在統(tǒng)計學(xué)上有顯著增加。在為期4周的試驗中，與其他TPMS形狀或傳統(tǒng)的格子相比，陀螺支架有更多的骨質(zhì)生長，骨與植入物的接觸程度更高。研究得出結(jié)論，由于陀螺支架兼顧了機械性能、多孔性和低材料體積，因此在骨組織應(yīng)用方面大有可為。

Desktop Metal公司Aidro的3D打印熱交換器具有螺旋晶格內(nèi)部結(jié)構(gòu)，被稱為Toucan Beak（來源：Aidro） 

3、熱交換器

螺旋晶格的獨特形狀，除了材料體積小之外，使其成為熱交換器的理想選擇。

這就是陀螺儀的作用所在。格拉斯哥大學(xué)的研究人員利用計算機建模研究了兩種TPMS結(jié)構(gòu)與更傳統(tǒng)的印刷電路熱交換器（PCHE）的比較。測試的TPMS結(jié)構(gòu)之一是陀螺儀，另一種是Schwarz-D結(jié)構(gòu)。這兩種TPMS結(jié)構(gòu)的性能都優(yōu)于PCHE基線。這是因為這兩種TPMS結(jié)構(gòu)都有更大的表面積通過傳導(dǎo)進行熱量傳遞，更重要的是，這兩種結(jié)構(gòu)都能在通過熱交換器的氣流中產(chǎn)生更多的湍流，從而通過對流進行更多的熱量傳遞?？傮w而言，陀螺儀和Schwarz-D結(jié)構(gòu)的性能均優(yōu)于基準結(jié)構(gòu)15%-100%，具體取決于流動條件。

雖然這項研究完全是通過計算機模擬完成的，但它為其他研究打開了大門，在這些研究中，可以將使用增材制造技術(shù)制造的實際熱交換器與更傳統(tǒng)的熱交換器進行比較。

設(shè)計公司Slicelab設(shè)計的直排輪輪轂采用螺旋晶格結(jié)構(gòu)，以減輕重量和材料使用（來源：Slicelab）

4、消費產(chǎn)品

在消費品中，不乏重量更輕、用料更少的產(chǎn)品。從體育用品、廚房用具到玩具，所有產(chǎn)品都可以用更少的材料制成，但功能卻一樣好，甚至更好。此外，陀螺格子在視覺上也很吸引人。

由于將陀螺格子結(jié)構(gòu)應(yīng)用到消費品上需要使用3D打印技術(shù)，因此目前市場上還沒有這方面的實例。但設(shè)計公司Slicelab展示了一個很好的例子，說明3D打印陀螺結(jié)構(gòu)可以為直排輪滑鞋等產(chǎn)品帶來什么。

Slicelab的一位創(chuàng)始人在重新開始滑冰之后，受到啟發(fā)，想要創(chuàng)造出與眾不同的、適合他所追求的滑冰類型的產(chǎn)品。他們使用nTop軟件，將標準的實心塑料輪殼換成了陀螺格子輪殼，以實現(xiàn)輕量化。在車輪之間需要較少結(jié)構(gòu)的區(qū)域，一個戰(zhàn)略性的陀螺儀系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)開口緊密結(jié)合。

這些部件采用尼龍PA-12材料在惠普全彩Jet Fusion 580粘合劑噴射機上進行3D打?。ㄔ撛O(shè)備已停產(chǎn)）。

三、設(shè)計陀螺儀晶格的軟件

使用nTop軟件設(shè)計換熱器的陀螺晶格結(jié)構(gòu)（來源：nTop）

巴斯夫推出的一款名為Ultrasim 3D Lattice Engine的新產(chǎn)品非常簡單。上傳您的零件STL，從庫中選擇一個晶格并嘗試一些設(shè)置以獲得您正在尋找的屬性，然后導(dǎo)出。

然而，如果您希望晶格設(shè)計更加復(fù)雜，更多CAD軟件包即將推出，以方便對陀螺晶格進行建模。例如，Siemens NX現(xiàn)在擁有一個隱式建模模塊，面向增材制造領(lǐng)域的工程師。Autodesk Fusion 360很快跟進，通過產(chǎn)品設(shè)計擴展提供了體積晶格工具。然而，用于增材制造的高度有機零件設(shè)計的首要軟件是nTop，這并不奇怪，因為它也是處理陀螺晶格的絕佳選擇。

生成晶格結(jié)構(gòu)的軟件：

nTop

Altair Sulis

Autodesk Fusion 360&Netfabb

Siemens NX

Materialize 3-Matic

Altair Optistruct&Inspire

PTC Creo

Carbon Design Engine

General Lattice

Metafold 3D

Ultrasim 3D Lattice Engine

在PTC Creo軟件中將陀螺儀結(jié)構(gòu)應(yīng)用到零件內(nèi)部（來源：PTC）

四、如何3D打印陀螺晶格

設(shè)計采用激光粉末床融合3D打印技術(shù)制成的螺旋晶格零件需要確保為未使用的粉末材料制定逃生計劃

（來源：Hyperganic）

快速成型技術(shù)為那些希望從陀螺格子中獲益的學(xué)術(shù)界和工業(yè)界人士帶來了福音。如果您想探索它們，請繼續(xù)閱讀將陀螺晶格融入設(shè)計的最佳實踐。

雖然每種3D打印技術(shù)都采用逐層打印的方法，但不同的技術(shù)對成功構(gòu)建陀螺格子有不同的要求。

在構(gòu)建陀螺格子時，有兩個主要問題需要考慮：原材料滯留和支撐結(jié)構(gòu)滯留。

您可以使用熔融沉積建模(FDM)技術(shù)制作虛構(gòu)的陀螺晶格，如BigRep的這些輕量且靈活的擠出機案例所示

（來源：BigRep）

1、填充與格子

對許多人來說，他們第一次接觸3D打印是使用聚合物絲作為材料的熔融沉積建模（FDM）。FDM的一大優(yōu)勢是填充。在準備打印零件時，切片軟件會為您提供填充選項。這樣，零件的中間部分就不會是一個實心零件，而是一個晶格，從而節(jié)省了重量、材料和制作時間。填充的好處在于，切片軟件會為您制作格子，您只需選擇密度或填充壁厚度等設(shè)置即可。

流行的切片軟件UltiMaker Cura和PrusaSlicer都有陀螺儀填充選項。這為您提供了一種在零件中獲得陀螺結(jié)構(gòu)優(yōu)勢的直接方法。

填充是FDM和其他擠壓型技術(shù)所特有的。關(guān)鍵因素是在制造時，零件周圍除了空氣外沒有其他任何東西。對于許多其他類型的添加劑技術(shù)來說，制造零件時周圍都是原材料，因此試圖用填充物制造零件意味著零件中充滿了樹脂或粉末。正因為如此，填充物在其他類型的3D打印中并不常用。

對于所有其他3D打印技術(shù)，必須由零件設(shè)計者在模型中構(gòu)建陀螺狀或其他形式的晶格。在本文的其余部分，我指的是內(nèi)置在模型中的晶格，而不是在切片過程中應(yīng)用的填充物。

2、原材料去除

設(shè)計帶有陀螺格子的零件的第一步是確保為原材料可以去除。您需要確保有通道來清理晶格。

對于SLA或數(shù)字光處理(DLP)等基于樹脂的技術(shù)，在制作完成后需要將樹脂從部件中清理出來，因此部件需要有排水孔。許多基于樹脂的工業(yè)打印機需要在構(gòu)建后進行后固化循環(huán)，以鎖定零件的最終機械性能。如果有剩余的樹脂，就會在這個周期內(nèi)固化，從而堵塞晶格。

一些基于粉末的技術(shù)，如用于聚合物的選擇性激光燒結(jié)（SLS）或多重噴射熔融（MJF），或用于金屬的電子束熔融（EBM），可以生產(chǎn)零件餅。從機器上取下的成型件是大塊的粉末，有助于在成型過程中支撐零件。這些粉末需要壓縮空氣或壓縮空氣與粉末原料的組合來清除。這些類型的技術(shù)在構(gòu)建內(nèi)腔時是一個挑戰(zhàn)，因為它們需要直接的視線，壓縮空氣才能完全清除晶格。雖然空氣會在零件內(nèi)部旋轉(zhuǎn)和渦流，但不足以使粉末完全脫落。對于SLS或MJF來說，這可能意味著最終零件內(nèi)部會有松散的粉末，如果晶格看到流體流動，這些粉末就會被打散。對于EBM零件（通常需要在制造后進行熱處理），任何剩余粉末都會凝固并堵塞晶格。

其他類型的粉末打印，如激光粉末床熔融（LPBF），也稱為選擇性激光熔融（SLM），其粉末流動松散，就像沙子一樣。晶格內(nèi)的殘留粉末問題要小得多。不過，根據(jù)晶格的復(fù)雜程度，可能需要進行大量的震動、搖晃和滾動才能確保所有粉末都消失。在Protolabs，我們有一臺特殊的粉末清除機，它可以幫我們完成所有這些工作，在清除復(fù)雜幾何體中的粉末方面，它比我們手工操作的效果要好得多。

3、自支撐陀螺

雖然格子外部的支撐結(jié)構(gòu)沒有問題，但任何深入格子內(nèi)部的支撐結(jié)構(gòu)都很難拆除，甚至無法拆除。理想情況下，您希望您的陀螺格子完全沒有支撐物。事實上，選擇陀螺儀通常是因為它們本身不需要支撐，但這也取決于您的應(yīng)用。

從一個角度看陀螺格子，它是一系列螺旋狀的管子。這意味著，您可以根據(jù)所采用的技術(shù)，使用最小的無支撐槽直徑。以下是關(guān)于在需要使用支撐結(jié)構(gòu)之前，陀螺格子上的"通道"直徑可以有多大的一般指導(dǎo)原則。當您超過這些建議的直徑時，您會發(fā)現(xiàn)朝下的表面會越來越粗糙，直到頂部無法長入。

4、設(shè)計陀螺以避免支撐

對于使用SLA和LPBF等支撐的技術(shù)，格子的起止方式很重要。當格柵以低角度的懸垂部分為終點時，可能需要支撐。但是，如果格子的終點是邊緣墻壁較為垂直的位置，則無需支撐即可成功建造。

理想情況下，花格應(yīng)該有墻，以達到最佳效果。如果花格的末端是墻，那么成功搭建的幾率就會高很多。對于獨立的陀螺花格來說，外面的支撐并不是最糟糕的，因為它們很容易接近和拆除。但是，如果花格的末端位于需要支撐的部分內(nèi)，那么支撐就很難拆除，甚至可能無法拆除。

編譯整理：ALL3DP