3D打印中的晶格結構

魔猴君  科技前沿   86天前

在汽車零件、醫療植入物、跑鞋或徒步背包中，我們看到越來越多帶有格子或蜂窩圖案的3D打印零件。您可能會認為這些晶格結構（或英文稱為晶格結構）是3D打印和增材制造設計(DfAM)的最新創新。事實上，我們不斷地被自然的晶格結構所包圍。想想蜂窩、雪花、柵欄、海綿，甚至埃菲爾鐵塔。

晶格或點陣結構由以模式（稱為單元）連接的節點網絡組成，這些節點不斷重復或變化，從而在零件性能或生產方面提供好處。在傳統制造中，晶格很少見，因為這些工藝無法產生如此復雜的設計。這就是增材制造的優勢所在，使晶格和3D打印成為完美的組合。

3D打印晶格（圖片來源：Sculpteo）

在討論3D打印晶格結構之前，我們首先了解一下可用的晶格類型。原則上，格子是通過使用線段連接節點而形成的。根據線段和節點的排列，可以出現規則或不規則的圖案。通過修改分段的密度以及單元的幾何形狀和尺寸，人們可以調整零件的彈性或剛度等屬性。格架的類型多種多樣，并且正在進行研究以開發更加多樣化和高效的格架。然而，最常見的格子可以分為幾類：

<!--[if !supportLists]-->1、<!--[endif]-->平面晶格：這些晶格基于形成三維部分的平面二維結構。由于各層是單獨打印的，因此可能需要隨后將它們組裝起來。這種類型的晶格包括四面體圖案、Voronoi晶格以及菱形和六邊形晶格（例如蜂窩）。

<!--[if !supportLists]-->2、<!--[endif]-->支柱晶格：這些晶格由連接的段組成，這些段通過連接單元的節點、角或邊緣形成網絡。打印層重疊并貼合在一起。格子可能需要用支撐材料加固。

<!--[if !supportLists]-->3、<!--[endif]-->TPMS（三周期最小表面）晶格：這些晶格基于確定單元的三角方程。格子的基本形狀可能會有所不同。

有多種3D打印晶格結構可供選擇。（圖片來源：深圳JR科技）

格子也可以分為周期性格子和隨機格子。周期性晶格在整個結構中保持均勻的圖案，而隨機晶格則具有細胞形狀、大小和排列的變化，以在某些方向上強化結構。

晶格的選擇取決于其最終目標。設計考慮了合適的幾何形狀和尺寸以及所需的剛性。還分析了屈曲行為，即結構在壓力下如何屈服以及向哪個方向屈服。此外，人們經常質疑網格在變形時能否吸收能量。

晶格的設計和3D打印

要設計3D打印的晶格，需要專門的設計工具。盡管一些建模軟件提供了晶格的基本功能，但特定于拓撲優化或生成設計的軟件更可靠。生成設計根據零件所需的屬性和所選的打印方法計算最佳設計。如果設計包含晶格，則還計算它們的單元、密度和排列。

許多工具可用于優化3D模型和創建晶格結構，包括Autodesk Within、nTopology的nTop、Meshify、Core Technologie的4D_Additive、Netfabb或Hyperganic的HyDesign。設計的選擇取決于應用、材料和打印技術。

借助Hyperganic的HyDesign，您可以設計晶格結構。（圖片：Hyperganic）

使用3D打印生產晶格結構要容易得多，因為它們通常非常復雜和精致。此外，打印晶格比打印實體結構更快。理論上，可以使用多種材料和打印技術，但每種工藝都有其特殊性：

<!--[if !supportLists]-->1、<!--[endif]-->在FDM和SLA打印中，大型晶格結構需要支撐結構。

<!--[if !supportLists]-->2、<!--[endif]-->對于SLS或MJF等粉末工藝，必須提供足夠的接入點以實現高效除粉。

<!--[if !supportLists]-->3、<!--[endif]-->在DMLS中，必須考慮額外的支撐以避免無支撐橋的2mm限制。

通常從設計階段就考慮到這些特殊性。

零件的所需特性及其應用被集成到桁架結構的設計中。（圖片來源：nTopology）

棚架的挑戰和好處

主要挑戰包括單元方向、光束之間的距離以及相對于打印平臺的角度。網格必須既滿足最終作品的目標又可行。此外，點陣設計的數字文件可能非常大（超過1 GB），需要大量的計算能力進行模擬。

然而，它的優點有很多：

<!--[if !supportLists]-->1、<!--[endif]-->節省材料：晶格可以生產更輕的零件，降低成本并提高性能，特別是在輕質結構領域。

<!--[if !supportLists]-->2、<!--[endif]-->提高質量：網狀材料可改善減震、增加靈活性，或者相反，增強產品的剛性，使其更耐用。

<!--[if !supportLists]-->3、<!--[endif]-->具體應用：晶格可增加熱交換器中的熱交換表面積，并刺激醫療植入物中的骨骼生長。

Toucan Beak，一種內部具有晶格結構的3D打印熱交換器。（圖片來源：Aidro）

3D打印晶格的應用

現在讓我們繼續討論3D打印晶格展示其潛力的一些應用領域。在醫療領域，網格不僅用于前面提到的植入物，還用于假肢和矯形器，以優化重量、強度或舒適度。

桁架結構在需要高性能和輕量化的應用中特別有利，例如汽車、航空航天和航天工業。例如，使用nToplattice和Shell&Lattice，Aerojet Rocketdyne能夠將四發動機缸體的重量減輕67%，并將生產成本降低66%。

使用晶格結構減輕重量的Aerojet Rocketdyne發動機缸體（圖片來源：nTopology）

但格子在體育和消費品領域也變得越來越重要和受歡迎。我們看到越來越多的3D打印防護裝備和網狀襯墊。這些格子存在于自行車鞍座、頭盔襯墊、防護服等以及鞋子的中底中。特別是對于跑鞋，我們希望能有更好的能量傳輸和更高的性能。

這個邏輯也適用于汽車座椅或背包。例如，戶外裝備專家Oechsler使用Materialise的Magics工具來提高其采用格子結構的創新背包的舒適度。家具也開始采用格子，盡管在這種情況下，美觀似乎優先于亮度。

這些例子表明晶格已經存在于許多應用中。隨著3D打印工業化的進展和設計可能性的不斷發展，這種趨勢不僅預計將持續下去，而且在未來還會加劇。

用于減震和提高舒適度的網格結構（圖片來源：Oechsler）

編譯整理：3dnatives