3D 打印晶格結構設計終極指南：部件輕量化、功能化的絕佳選擇
魔猴君 知識堂 489天前
3D 打印中的晶格結構是一種強大的設計工具。精心設計的晶格結構可以使零件更輕、更堅固，更有效地吸收沖擊力，并更好地根據(jù)最終用途進行定制。了解如何使用和創(chuàng)建這些結構是 3D 打印原型和生產部件的產品工程和工業(yè)設計的重要組成部分。
△設計成晶格結構的3D打印頭盔（來源： Carbon 3D）
晶格結構實際是3D打印填充模式的一種特殊應用，但大多數(shù)非專業(yè)設計師都沒有充分將其作用充分發(fā)揮出來。如今，先進的增材制造設計軟件在自動生成各種晶格結構方面有著巨大優(yōu)勢，這為晶格結構應用于運動設備、火箭推進器以及醫(yī)療植入物等領域奠定了良好的基礎。
△由于晶格結構壁設計，這種單件式火箭推進發(fā)動機的 3D 打印重量更輕（來源：SLM Solutions）
在本期文章中，南極熊對使用晶格結構設計零件的基本要點進行了逐一介紹，包括晶格結構的優(yōu)勢、不同類型的晶格、如何使用它們以及何時使用，并展示了世界各地的設計師和工程師如何使用晶格來創(chuàng)造性能極佳的創(chuàng)新產品：從 Adidas 跑鞋和 Specialized 自行車座墊到工業(yè)散熱器和矯形膝關節(jié)植入物。最后，介紹了將晶格結構應用到設計中所需的頂級軟件。
要點 1. 為什么要使用晶格結構
△Aidro3D 打印的具有晶格內部結構的熱交換器—— Toucan Beak（來源：Aidro）
晶格具有一些獨特的特性，在設計零件或產品時具有很大的優(yōu)勢，而傳統(tǒng)制造方法幾乎無法復制這些特性，例如：
減少材料使用
在您的設計中使用晶格可以通過移除非關鍵區(qū)域的大部分材料來顯著減少材料的使用量。如果目標零件是使用基于粉末或樹脂的 3D 打印工藝制造的，則可以節(jié)省大量成本。
△盡管大小相同，但右側的晶格結構的表面積比左側的圓柱體大 4 倍，重量輕 4 倍（來源：Printpool）
輕量化
減少材料使用還有另一個好處——減輕重量。在許多應用中，零件或組件的最終組裝質量是一個嚴格約束的目標，通常越輕越好。根據(jù)所選的晶格類型，重量減輕效果可能非常顯著，這具有許多優(yōu)勢，從減少汽車應用中的燃料使用到縮短醫(yī)療案例中的患者恢復時間。
吸收能量
晶格結構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，可以進行設計以有效地吸收不同方向的能量。與廣泛產品中使用的標準泡沫相比，復雜的晶格結構可以在多個方向重新定向和更好地分配能量以吸收沖擊力，同時利用現(xiàn)代增材制造樹脂的各種特性。
△CCM SuperTacks X 是世界上第一個 3D 打印曲棍球頭盔內飾，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大小的實體組件的表面積大許多倍。這對于涉及依賴高表面積實現(xiàn)其功能的熱交換或化學催化的應用非常有用。
美觀
除了晶格的許多技術優(yōu)勢外，很難忽視它們具有獨特而美麗的美感。越來越多的產品設計師選擇將晶格元素融入消費產品設計中，僅僅是為了外觀。
要點 2. 晶格結構類型
△Carbon的 Design Engine 晶格生成軟件中使用的晶格類型（來源：Carbon）
關于晶格類型的定義，Anton du Plessis等人對此做出了系統(tǒng)地論述，相關研究以題為“Properties and applications of additively manufactured metalliccellular materials: A review”的論文被發(fā)表在《Progress inMaterials Science》期刊上。
所有晶格類型都是基于同一個晶胞在多個方向上重復復制以使結構成為一個整體的重復單元，以下是按細胞類型劃分的晶格類型：
TPMS晶格
當使用三角方程生成晶胞時，會創(chuàng)建三重周期最小曲面 ( TPMS ) 晶格。例如，“陀螺儀”TPMS 單元由單元內的所有點組成，并適用以下等式：
sin(x)cos(y) + sin(y)cos(z) +sin(z)cos(x)=0
像這樣不同但相似的方程產生不同的 TPMS 晶格類型。
支柱晶格
支柱晶格（或梁狀晶格）由相互連接的梁組成，按照晶胞定義的各種模式連接。支柱可以通過立方體的頂點、邊和面連接，這些連接點的不同組合產生不同的類型。
平面晶格
平面晶格是最簡單的晶格類型，是在 3D 中擠壓 2D 晶胞時創(chuàng)建的。最常見的平面晶格類型是蜂窩結構。
通過在不同方向隨機改變其參數(shù)，這些類型的格中的每一種也可以從周期性格變成隨機格。通過在每個方向上賦予結構相似的屬性（使其各向同性），這在某些應用中可能具有優(yōu)勢。
當涉及到晶格生成軟件時，可能會遇到以下晶格類型：
- 二十面體：以空間中點的排列為特征的不規(guī)則晶格。
- 四面體：基于具有四個三角形面的四面體的晶格。每個頂點都通過邊連接到三個相鄰的頂點。
- 菱形：晶格中的晶胞為菱形（等長的四邊形），并且它們在其頂點或邊緣處連接到相鄰的晶胞。
- Voronoi：一種晶格，其中根據(jù)與一組種子點的接近程度將空間劃分為單元格。
-
Kagome：由三角形單元的重復模式組成的晶格結構
要點 3. 在實際產品中應用晶格結構
許多不同的行業(yè)在設計新產品時都利用了晶格結構的特性，近年來，以晶格結構為關鍵特征的新應用和新想法大量出現(xiàn)。下面列出了一些最令人興奮和創(chuàng)新的產品。
汽車
△DynamisPRC 電動賽車的 Puntozero 冷板（來源：nTop）
意大利產品開發(fā)機構 Puntozero 與 Formula SAE 團隊 Dynamis PRC 合作，為其高壓轉換器設計了這種不同尋常的冷板（見上圖）。基于螺旋形單元電池的變形版本，該冷板結構比以前的設計輕了 25%，表面積增加了 300%。使用nTop 軟件設計。
醫(yī)療
△NanoHiveMedical 骨科植入物使用促進骨骼生長的晶格結構（來源：NanoHive Medical）
NanoHive Medical是一家美國公司，專門設計在手術中用于治療退行性脊柱疾病的獨特脊柱植入物。在這種情況下，晶格設計用于降低植入物的剛度，允許將更多的力傳遞到脊柱本身，從而減少鈦植入物周圍的骨萎縮。
膝關節(jié)和髖關節(jié)植入物中的晶格結構已被證明可以促進植入物中的骨組織生長，稱為骨整合。Bone& Joint Research 雜志最近的一項研究發(fā)現(xiàn)，3D 打印的“鈦晶格植入物在部分或全膝關節(jié)置換后保持了脛骨近端的自然機械負荷，但傳統(tǒng)的固體植入物卻沒有。
△3D 打印植入物上的隨機晶格結構可以使用 Genysis（左）和 nTop（右）等軟件進行設計。
醫(yī)療植入物中的格狀結構并不完全均勻，而是像海綿一樣。我們通常用來創(chuàng)建這種骨骼結構的塊狀結構類型稱為小梁晶格或隨機晶格。這些晶格稱為仿生小梁骨類型，并且在基本水平上基本上是隨機泡沫孔結構。專業(yè)的計算機輔助設計 (CAD) 軟件使植入工程師能夠將這種類型的表面結構應用于金屬植入物。
體育器材
△可變晶格結構使 3D 打印自行車座椅具有不同的支撐區(qū)域。前兩個，來自 Specialized 和 Fizik，都是用柔性樹脂在 Carbon 3D 打印機上打印的；Posedia 的第三個是為個人騎手定制的，并在 HP Multi-Jet Fusion機器上用 TPU 3D 打?。▉碓矗篠pecialized、Fizik、Posedia）
自 2019 年推出Specialized lattice 自行車座墊以來，3D 打印自行車坐墊這一概念開始流行起來。一些自行車設備制造商已經推出了他們自己的鞍座版本，這些鞍座拋棄了泡沫填充物并選擇了晶格結構。這一進步通過在不同區(qū)域 3D 打印不同的晶格形狀和尺寸來產生可變支撐。制造商吹噓這些鞍座的耐用性，以及提供通風和易于清潔。Posedia Joyseat（上圖右）是為每位騎手定制和定制的，這是一種專門開發(fā)的泡沫塊，騎行者坐在上面根據(jù)其坐姿創(chuàng)造定制的骨骼寬度和重量分布。
頭盔是輕型和減震晶格結構的另一個理想應用場景，通常被稱為“數(shù)字泡沫”。它們已通過各種方法和材料應用于NFL 橄欖球頭盔、 NHL曲棍球頭盔、奧林匹克雪橇頭盔和自行車頭盔。事實上，NFL 的 2023頭盔實驗室測試性能結果對市場上的一系列頭盔進行了排名和評級，并將具有 3D 打印晶格結構的兩款頭盔排在第一和第二位。
△3D 打印晶格結構是頭盔中泡沫的理想替代品，具有出色的抗沖擊性（來源：Farsoon、Carbon、EOS）
Riddell 的橄欖球頭盔和Hexr的自行車頭盔是頭盔中兩種不同晶格結構方法的例證。雖然兩者的設計都是為了盡可能有效地吸收沖擊力和保護使用者，但區(qū)別在于制造方法和晶格類型，以及運動方式。Hexr 頭盔主要采用平面六邊形晶格結構，采用 SLS 打印技術生產，并使用堅硬的尼龍 6 材料制成。另一方面，Carbon Riddell 頭盔使用高阻尼 DLP 彈性體和由 140,000 多個獨立支柱制成的復雜多區(qū)域網格。該過程依靠 Riddell 的 Precision-fit 頭部掃描技術和 Carbon Lattice Engine 來設計適合每個球員頭部和位置的頭盔內襯。
為了簡化材料、晶格形狀和應用的匹配研發(fā)過程，特別是用于頭盔，美國陸軍發(fā)展指揮部士兵中心責成初創(chuàng)軟件公司General Lattice開發(fā)一個預測性建模工具集，以設計和生成基于真實世界數(shù)據(jù)的晶格材料。該工具集建立在1000多萬個物理數(shù)據(jù)點上，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。GeneralLattice公司的聯(lián)合創(chuàng)始人Nick Florek說："提供使用戶能夠預先了解晶格結構的影響潛力的工具，可以降低誤用的風險，并建立人們對 3D 打印能夠像宣傳的那樣交付的信心。"
盡管陸軍仍在堅持使用其工具集，但 General Lattice 有一個名為Frontier的公共版本，它提供了一個免費搜索的經過驗證的機械性能數(shù)據(jù)庫，以支持用戶選擇最佳的晶格、材料和硬件組合。
換熱器
△GEAdditive 的晶格結構設計的散熱器（來源：GE Additive）
增材制造可實現(xiàn)任何其他制造類型無法實現(xiàn)的幾何形狀，從而使更小、更高效的熱交換器成為可能。上面這個復雜的熱交換器由GE設計，用于優(yōu)化 900°C 二氧化碳的流動，是復雜晶格結構與金屬增材制造相結合時可以實現(xiàn)的卓越性能的一個很好的例子。GE 在他們的設計中采用了仿生學方法，模仿人類肺部的特性以促進有效的熱交換。Conflux等公司專門為各種行業(yè)專門設計使用晶格的 3D 打印熱交換器。
消費產品
△阿迪達斯運動鞋采用 3D 打印沖擊吸收網格結構（來源：Carbon）
Adidas Athletic Footwear 與 Carbon 3D 合作，于 2017 年推出了4DFWD鞋——這是采用 DLP 樹脂技術制造的一系列運動鞋中的最新款。這雙鞋的中底采用晶格結構，旨在利用其定制的 FWD 單元推動跑步者前進。
要點 4. 晶格結構的局限性
△AntaresVersus Evo 00 Adaptive 座墊采用 Carbon 3D 打印機打印，具有經過調整的晶格結構區(qū)域，可提供最佳機械響應（來源：Carbon）
盡管是一個強大且未得到充分利用的功能，但晶格結構確實有一些局限性，認真對待在實際產品中使用它們的工程師和設計師需要考慮這些局限性。
制造方法的經濟性
盡管制造復雜非平面晶格結構的傳統(tǒng)方法確實存在，但總的來說，它們不如增材制造方法有效。因此，在將晶格納入設計時，應仔細考慮增材制造特有的經濟性、時間尺度和材料選擇，尤其是在其他區(qū)域設計時考慮了注射成型等技術的情況下。
模擬過程復雜
當涉及大型晶格結構時，應力模擬，尤其是那些使用有限元方法的模擬，可能需要大量計算。大多數(shù)方法（包括上面提到的幾個軟件包使用的方法）都涉及在整個結構中推斷晶胞的屬性，但如果晶胞類型和大小差異很大，那么物理測試可能是準確評估晶胞性能的唯一方法非常大和復雜的晶格設計的性能。
文件內存大
同樣，當將具有大晶格部分的零件設計轉換為 STL（無論好壞，它仍然是增材制造中最常用的文件類型）時，文件大小超過 500MB 甚至 1GB 是常見的。這通常意味著進一步的處理和切片對于除了最強大的計算機之外的所有計算機來說都是一個緩慢而困難的過程。減小網格的大小當然是可能的，但這會大大簡化單元，如果不小心操作，最終零件上會出現(xiàn)一些三角形單元。
晶胞類型有限
晶胞的類型是晶格結構最重要的特征之一，并且決定了整個結構將擁有的大部分不同特性，但大多數(shù)工程師和設計師可以輕松選擇的選項有限. 一些軟件包允許設計和創(chuàng)建新類型，但即使可以訪問這些程序，這也是一項高度專業(yè)化和技術性的任務。
要素 5. 生成晶格結構的最佳軟件
在CAD 軟件中的晶格生成軟件和晶格特征是創(chuàng)建晶格結構是一種常見的手段。與通?？捎糜?FDM 打印的各種切片程序相比，這些軟件程序可用于創(chuàng)建用于多種用途的晶格，而不僅僅是作為材料填充，并且通常不用于直接生成 G 代碼。
軟件選項中有廣泛的復雜性和功能，所以一定要有選擇性，下面列出了一些典型的軟件工具：
nTop
△nTop中新的場驅動設計使工程師能夠使用仿真結果作為設計參數(shù)來控制您的設計。在這種晶格結構換熱器中，模擬工具表明，收緊晶格可以改善傳導，而在對流更重要的區(qū)域，晶格結構會松散（來源：nTop）
nTop 提供多種晶格選項和功能，使其比許多 CAD 程序更快。由于該軟件基于隱式建模，其中 3D 幾何被定義為數(shù)學函數(shù)，而不是外表面和邊緣，因此工程師可以快速生成復雜的結構（如晶格），同時為自動化設計循環(huán)提供所需的可靠性。
nTop 包含的點陣功能非常強大，幾乎可以完全控制點陣結構的各個方面，包括定制晶胞的能力?；诂F(xiàn)場的設計對于成熟的 CAD 用戶來說是一個需要熟悉的棘手概念，但是一旦克服了學習曲線，使用該套件進行設計的可能性將是無窮無盡的。
nTop 具有該公司所謂的 GPU 加速功能，可以快速實現(xiàn)晶格結構的實時可視化。該軟件使用戶能夠預覽設計更改并在幾秒鐘內重建高度復雜的網格。用戶還可以調整空間中每個點的晶格周長，并將您的首選項保存在可重復使用的工作流程中。
Altair Sulis
去年，CAD 軟件巨頭 Altair 收購了一家英國小公司，該公司開發(fā)了一種名為 Sulis 的強大點陣工具。它現(xiàn)在是Altair公司的三個點陣產品之一，但卻是該公司最出色的點陣工具。Sulis 用于創(chuàng)建復雜的晶格結構和流體流動通道，用于航空航天、汽車、醫(yī)療和工業(yè)機械等一系列行業(yè)。它是一種 3D 打印設計軟件工具，具有專門為晶格化定制的隱式建模內核和一鍵式晶格創(chuàng)建功能，Sulis使用戶能夠向模型添加輕量級結構并微調它們的屬性，可以創(chuàng)建任何比例的復雜幾何體。
Altair公司表示：“由于Sulis 是專門為增材制造創(chuàng)建的 CAD 工具，工程師可以設計真正利用增材制造自由度的零件，釋放隱式幾何的力量并降低代價高昂的 3D 打印失敗的風險。”
Sulis工具主要特征：
- 一鍵創(chuàng)建晶格
- 定制晶格結構的屬性
- 晶胞類型范圍
- 流動路徑的實時視覺反饋
- 簡單的共形幾何
-
自支撐流體通道
Autodesk Fusion 360 & Netfabb
如果您已經是 Autodesk 用戶，那么自 2022 年 1 月以來，F(xiàn)usion360 中已經提供了一些晶格結構選項，但為后期擴展預留了更廣泛的晶格生成模式。自 2022 年 9 月以來，Autodesk 將該晶格設計功能添加為所謂的“設計擴展”當中，每年收費 595 美元，是 Fusion 360 年度訂閱價格的兩倍多。
盡管如此，標準 Fusion 360 中的網格化工具仍然非常有用。該工具可以沿一個方向逐漸改變晶格單元，并且與大多數(shù)涉及挖空零件并添加晶格的程序不同，F(xiàn)usion360 允許其用戶單獨設計一個零件。用戶可以先創(chuàng)建一個晶格，然后在其上形成一個蒙皮，讓晶格單元結構在靠近蒙皮時收縮，從而產生一個能夠有效將局部應力從表面分布到內部晶格的單元結構。這就是最自然的生成路徑，以股骨頭的一部分為例：
△零件內部晶格結構示例（來源：Autodesk）
對于 Autodesk Netfabb 用戶來講（Netfabb 通過兩種產品捆綁到您的 Fusion 360 固定期限的使用許可中），可能已經非常熟悉該軟降強大的晶格生成功能。就像這里提到的老軟件一樣，Netfabb的圖形用戶界面也很笨拙，但它仍然不失為一個功能強大的程序，可以生成非常復雜的點陣設計。它還具有非常方便的穿孔功能，可以在零件上打孔，從而輕松去除未使用的粉末或樹脂。要獲得更高級的 Netfabb 晶格化，需要訂閱 Fusion 360 with NetfabbPremium（包括挖空和晶格化），或 Fusion 360 with Netfabb Ultimate（包括更高級的優(yōu)化晶格工具）。
Carbon設計軟件
△3D 打印晶格結構圖像：Carbon Design Engine
本文中的許多圖像都是來自 Carbon 3D 的真實晶格產品。這家硬件、材料和軟件公司的晶格化需求如此之大，并開始讓他們的晶格設計程序對外開源，這樣你幾乎可以在任何打印機上使用它。
這種基于云的晶格設計軟件可在一系列細胞類型中創(chuàng)建穩(wěn)健的共形晶格，但真正有用的設計功能類型僅適用于更昂貴的“Pro”版本，該版本在晶格類型之間引入了過渡和梯度設計。
這款設計軟件可讓精確控制產品中多個區(qū)域的性能特征，從而實現(xiàn)單一材料的大規(guī)模可調性。此功能利用不同的晶格單元類型、單元大小或支柱直徑來創(chuàng)建不同的性能區(qū)域。Design Engine 使用正在申請專利的技術來無縫混合區(qū)域，生成有吸引力的功能性網格，可隨時用于實際應用。
Ultrasim 3D 晶格軟件
△BASFForward AM 的新型 Ultrasim 3D Lattice Engine 旨在為特定應用在幾分鐘內生成經過驗證的晶格（來源：BASF Forward AM）
巴斯夫 Forward AM 將推出由Hyperganic 提供支持的 Ultrasim 3D Lattice Engine，這是一種用于迭代具有晶格圖案的設計的軟件解決方案——一種具有許多潛在應用的工具。這款最新的軟件解決方案旨在從晶格中提取數(shù)學知識，讓探索不同的晶格幾何形狀變得更容易，并通過點擊應用的方法更快地將它們實施到產品設計周期中。由總部位于慕尼黑的算法工程軟件公司 Hyperganic 提供支持的 Ultrasim 3D Lattice Engine為用戶提供了多種晶格圖案，每種圖案都針對不同的應用組進行了測試和驗證。
無論是設計新的鞋類產品還是防護運動設備，都有一種晶格幾何形狀可以滿足每種應用的獨特要求。用戶可以訪問物理測試墊形式的大量晶格庫和機械特性的數(shù)字概覽。通過輸入所需的應用領域，可以找到針對類似用例進行驗證的點陣設計。從那里，該軟件使用隱式建模自動生成適合的設計參數(shù)的晶格部件，并為晶格生成一個 .stl 或 3mf 文件，最后可以打印和進一步驗證。
Hyperganic 構建軟件旨在設計出像自然界一樣復雜、實用、優(yōu)雅和可持續(xù)的對象。該公司表示：“我們的算法通過數(shù)字進化過程生成零件、結構和整臺機器。我們的技術支持在先進的工業(yè) 3D 打印機上進行輸出。自 2015 年以來，我們一直與世界各地的領先公司、工程師、設計師和科學家合作?！?
Siemens NX
在西門子發(fā)布的 2022 版 NX 中，可以使用Simcenter 3D模擬對NX中的晶格結構進行優(yōu)化，以在單一環(huán)境中推導出最佳晶格結構，這消除了傳統(tǒng)上所需的多個設計分析步驟。
NX 是一款龐大而復雜的工程軟件，購買它不僅可以獲得點陣設計功能，還可以看到西門子為該應用程序設計的擴展點陣選項。
Materialise 3-Matic
Materialise 憑借其強大的增材構建Magics 準備軟件包占據(jù)了強大的市場地位，而用于增材設計和數(shù)據(jù)優(yōu)化的 3-Matic自 2004 年以來一直存在。雖然一些大公司也經常使用這款軟件并且其功能非常豐富，但它的晶格化功能很難使用，部分原因是它的 GUI 非常過時。如果晶格結構的生成是所需的主要特征，則有更好、更便宜的選擇。
Altair Optistruct 和Inspire
盡管Optistruct的主要是結構FEA 求解器、工程分析和優(yōu)化工具，但它仍然值得一提，因為它能夠使用其設計優(yōu)化功能集生成一系列不同的晶格類型。Altair的晶格結構構建方法與眾不同，因為它與拓撲優(yōu)化過程有著內在的聯(lián)系。在設計晶格后準確模擬晶格的能力非常有用，但只有在其他目的也需要 Optistruct 求解器時才值得考慮該工具包。
Altair 的另一款名為Inspire 的軟件在 2020 年推出了晶胞晶格生成功能。AltairInspire 能夠為 3D 打印生成輕量級的晶胞晶格結構，可以輕松編輯，評估不同設計變體的結構性能時刻。
2022 年，Altair 收購了一家專注于專門用于晶格生成的工具的軟件公司，并提供了名為 Sulis 的解決方案，這一點在上文中對此進行了介紹。
General Lattice
△GeneralLattice 的 Frontier 軟件提供了一個可搜索的經過驗證的晶格機械性能數(shù)據(jù)庫（來源：General Lattice）
General Lattice 的Frontier 軟件（目前仍處于測試階段）提供了一個可搜索的經過驗證的機械性能數(shù)據(jù)庫，以支持用戶選擇最佳晶格、材料和硬件組合以滿足特定應用。用戶可以搜索、分析和訂購實物樣品以進行實際評估，從而消除成本高昂的猜測和檢查工作流程。Frontier 表示它在晶格化設計功能相當于提供了一個萬能搜索鍵，避免了用戶大海撈針，大大節(jié)省了時間、金錢和資源。
