3D打印中的晶格结构

魔猴君  科技前沿   184天前

在汽车零件、医疗植入物、跑鞋或徒步背包中，我们看到越来越多带有格子或蜂窝图案的3D打印零件。您可能会认为这些晶格结构（或英文称为晶格结构）是3D打印和增材制造设计(DfAM)的最新创新。事实上，我们不断地被自然的晶格结构所包围。想想蜂窝、雪花、栅栏、海绵，甚至埃菲尔铁塔。

晶格或点阵结构由以模式（称为单元）连接的节点网络组成，这些节点不断重复或变化，从而在零件性能或生产方面提供好处。在传统制造中，晶格很少见，因为这些工艺无法产生如此复杂的设计。这就是增材制造的优势所在，使晶格和3D打印成为完美的组合。

3D打印晶格（图片来源：Sculpteo）

在讨论3D打印晶格结构之前，我们首先了解一下可用的晶格类型。原则上，格子是通过使用线段连接节点而形成的。根据线段和节点的排列，可以出现规则或不规则的图案。通过修改分段的密度以及单元的几何形状和尺寸，人们可以调整零件的弹性或刚度等属性。格架的类型多种多样，并且正在进行研究以开发更加多样化和高效的格架。然而，最常见的格子可以分为几类：

<!--[if !supportLists]-->1、<!--[endif]-->平面晶格：这些晶格基于形成三维部分的平面二维结构。由于各层是单独打印的，因此可能需要随后将它们组装起来。这种类型的晶格包括四面体图案、Voronoi晶格以及菱形和六边形晶格（例如蜂窝）。

<!--[if !supportLists]-->2、<!--[endif]-->支柱晶格：这些晶格由连接的段组成，这些段通过连接单元的节点、角或边缘形成网络。打印层重叠并贴合在一起。格子可能需要用支撑材料加固。

<!--[if !supportLists]-->3、<!--[endif]-->TPMS（三周期最小表面）晶格：这些晶格基于确定单元的三角方程。格子的基本形状可能会有所不同。

有多种3D打印晶格结构可供选择。（图片来源：深圳JR科技）

格子也可以分为周期性格子和随机格子。周期性晶格在整个结构中保持均匀的图案，而随机晶格则具有细胞形状、大小和排列的变化，以在某些方向上强化结构。

晶格的选择取决于其最终目标。设计考虑了合适的几何形状和尺寸以及所需的刚性。还分析了屈曲行为，即结构在压力下如何屈服以及向哪个方向屈服。此外，人们经常质疑网格在变形时能否吸收能量。

晶格的设计和3D打印

要设计3D打印的晶格，需要专门的设计工具。尽管一些建模软件提供了晶格的基本功能，但特定于拓扑优化或生成设计的软件更可靠。生成设计根据零件所需的属性和所选的打印方法计算最佳设计。如果设计包含晶格，则还计算它们的单元、密度和排列。

许多工具可用于优化3D模型和创建晶格结构，包括Autodesk Within、nTopology的nTop、Meshify、Core Technologie的4D_Additive、Netfabb或Hyperganic的HyDesign。设计的选择取决于应用、材料和打印技术。

借助Hyperganic的HyDesign，您可以设计晶格结构。（图片：Hyperganic）

使用3D打印生产晶格结构要容易得多，因为它们通常非常复杂和精致。此外，打印晶格比打印实体结构更快。理论上，可以使用多种材料和打印技术，但每种工艺都有其特殊性：

<!--[if !supportLists]-->1、<!--[endif]-->在FDM和SLA打印中，大型晶格结构需要支撑结构。

<!--[if !supportLists]-->2、<!--[endif]-->对于SLS或MJF等粉末工艺，必须提供足够的接入点以实现高效除粉。

<!--[if !supportLists]-->3、<!--[endif]-->在DMLS中，必须考虑额外的支撑以避免无支撑桥的2mm限制。

通常从设计阶段就考虑到这些特殊性。

零件的所需特性及其应用被集成到桁架结构的设计中。（图片来源：nTopology）

棚架的挑战和好处

主要挑战包括单元方向、光束之间的距离以及相对于打印平台的角度。网格必须既满足最终作品的目标又可行。此外，点阵设计的数字文件可能非常大（超过1 GB），需要大量的计算能力进行模拟。

然而，它的优点有很多：

<!--[if !supportLists]-->1、<!--[endif]-->节省材料：晶格可以生产更轻的零件，降低成本并提高性能，特别是在轻质结构领域。

<!--[if !supportLists]-->2、<!--[endif]-->提高质量：网状材料可改善减震、增加灵活性，或者相反，增强产品的刚性，使其更耐用。

<!--[if !supportLists]-->3、<!--[endif]-->具体应用：晶格可增加热交换器中的热交换表面积，并刺激医疗植入物中的骨骼生长。

Toucan Beak，一种内部具有晶格结构的3D打印热交换器。（图片来源：Aidro）

3D打印晶格的应用

现在让我们继续讨论3D打印晶格展示其潜力的一些应用领域。在医疗领域，网格不仅用于前面提到的植入物，还用于假肢和矫形器，以优化重量、强度或舒适度。

桁架结构在需要高性能和轻量化的应用中特别有利，例如汽车、航空航天和航天工业。例如，使用nToplattice和Shell&Lattice，Aerojet Rocketdyne能够将四发动机缸体的重量减轻67%，并将生产成本降低66%。

使用晶格结构减轻重量的Aerojet Rocketdyne发动机缸体（图片来源：nTopology）

但格子在体育和消费品领域也变得越来越重要和受欢迎。我们看到越来越多的3D打印防护装备和网状衬垫。这些格子存在于自行车鞍座、头盔衬垫、防护服等以及鞋子的中底中。特别是对于跑鞋，我们希望能有更好的能量传输和更高的性能。

这个逻辑也适用于汽车座椅或背包。例如，户外装备专家Oechsler使用Materialise的Magics工具来提高其采用格子结构的创新背包的舒适度。家具也开始采用格子，尽管在这种情况下，美观似乎优先于亮度。

这些例子表明晶格已经存在于许多应用中。随着3D打印工业化的进展和设计可能性的不断发展，这种趋势不仅预计将持续下去，而且在未来还会加剧。

用于减震和提高舒适度的网格结构（图片来源：Oechsler）

编译整理：3dnatives