终极指南：3D打印晶格结构的优缺点、案例及制作办法

 

3D打印中的晶格结构是一种强大的设计工具，它能够使零件更轻、更坚固，更有效地吸收冲击力，并更好地按照区别用途进行个性化定制。

日前，重点应用在航空航天、医疗、工业、鞋类等区别行业，拥有广阔的应用前景。同期，3D打印制造的这种拥有繁杂内部晶格结构的零件，拥有其独特的优良，没法经过传统制造技术来制作。

在本文中，咱们首要将给大众介绍什么是晶格结构以及它的优缺点；而后列举日前已运用这种结构的典型应用案例，从阿迪达斯跑鞋和专业自动车鞍座到工业散热器和骨科膝关节移植物等。最后，咱们将介绍区别类型的晶格类型及怎样设计。

1、什么是晶格结构及它的优缺点

简单地说，3D打印的晶格结构是连接节点的重复或不重复的3维集合。在其最简单的形式中，多个晶格节点经过梁相互连接。梁和节点的集合采用规则和重复的3维形状，如立方体或四面体，这些形状一般被叫作为单元格。而这些单元的形状和密度将决定部件在施加载荷时的行径方式。

晶格结构的优良

减少材料运用

设计中运用晶格能够经过去除非关键区域的大部分材料来大大减少材料的运用量。例如在航空航天工业中，晶格结构的引入将减少钛或铬镍铁合金材料的运用，在不牺牲零件结构完整性的状况下，能够节省海量成本。

轻量化

减少材料运用还有另一个好处——减轻重量。  在许多应用中，零件或组件的最后重量，一般越轻越好。这拥有许多优良，从减少汽车应用中的燃料运用到改善医疗案例中的病人恢复时间，还有减轻飞机、航天器的重量。

能量吸收

晶格结构拥有许多有利于吸收能量的特性，在消散冲击和冲击载荷方面非常有效。经过改变区别区域的密度，乃至细胞类型，在压缩过程中能够有效地吸收区别方向的能量。

CCM Super Tacks X3D打印曲棍球头盔内部（源自：Carbon 3D）

繁杂的晶格类型能够重新定向，同期按照材料的各样特性，在多个方向上更好地分配能量以吸收冲击力。

增多表面积

晶格结构为零件供给了更加多的曲面，使得其表面积相比同尺寸的零件增多了非常多倍，却又不会增多其总体占地面积。

尽管尺寸相同，右侧的晶格结构的表面积比左侧的圆柱体大 4 倍，重量却轻了 4 倍（源自：Printpool）

这针对触及热交换或化学催化的应用非常有用，这些应用依赖于高表面积来实现其功能，传热或化学反应是其重点目的。

其他优良还包含，医用移植物中创建晶格结构以促进骨生长，与病人自己的骨骼结构形成更牢靠的结合。

晶格结构的局限性

虽然晶格结构有它很显著的优良，能够让零件更轻，材料更少，成本更低，效果更好，但确实亦有有些局限性。在制造繁杂非平面晶格结构时，咱们应仔细思虑3D打印特有的经济性、时间、打印尺寸和材料选取，与传统加工方式做出对比选取，而不是强行运用3D打印晶格设计。

当触及大型晶格结构时，应力模拟，尤其是哪些运用有限元办法的应力模拟，计算量可能非常大。一样，当拥有大晶格部分的零件设计转换为STL文件时，超过500MB乃至1GB的文件体积很平常。这一般寓意着除了最强大的计算机之外，进一步处理和切片可能是一个缓慢而困难的过程。

晶胞的类型是晶格结构最重要的特征之一，日前供大都数工程师和设计师的选取有限。同期这亦是一项高度专业化和技术性的工作，在运用上还有必定的技术门槛。

2、晶格结构的典型应用

许多区别的行业在设计新制品时都利用了晶格结构的特性，近年来，利用晶格结构做为关键特征的新制品、应用和想法持续显现。这儿列出了有些典型的应用案例。

汽车

Dynamis PRC电动赛车的Puntozero冷板（源自：nTopology）

意大利制品研发公司Puntozero与Formula SAE 团队Dynamis PRC合作，为她们的高压转换器冷板设计了基于陀螺单元的扭曲版本，该板比以前的设计轻 25%，表面积增多300%。

医疗

NanoHive Medical骨科移植物运用了促进骨骼生长的晶格结构（源自：NanoHive Medical）

NanoHive Medical是一家美国医疗机构，专门设计独特的脊柱移植物，在手术时期用于治疗退行性脊柱疾病。在这种状况下，晶格设计用于降低移植物的刚度，使力更加多地传递到脊柱本身，从而减少钛移植物周边的骨萎缩。

运动装备

经过Carbon晶格设计软件Design Engine制作的自动车座椅（源自：Carbon 3D）

Carbon 3D为Specialized自动车设计的这款3D打印自动车座椅可将坐骨压力降低多达26%，其格子结构包括约22,200 个支柱和10,700 个节点，所有这些都经过单独调节，以实现支撑和舒适的正确结合。

电子

经过DLP 3D打印的繁杂电极几何体（源自：加州理工学院）

3D打印锂离子电池电极的新办法，加州理工学院的科研人员利用DLP 3D打印技术，制造出繁杂的聚合物结构，而后经过热后处理转化为有用的电极材料。最后的碳和钴氧化锂结构分别被证明能够做为阳极和阴极运用，并叫作拥有优异的电池性能和稳定性。

工业

GE Additive 采用晶格结构设计的散热器（源自：GE Additive）

以上这种繁杂的热交换器由GE制作，可用于优化900°C 二氧化碳的流动，是繁杂晶格结构与金属3D打印相结合并实现卓越性能的一个很好案例。GE对其设计采用了仿生学办法，反映了人类肺部的特性，以促进有效的热交换。

消费品

阿迪达斯Futurecraft 4D限量定制跑鞋采用3D打印晶格结构（源自：Carbon 3D）

阿迪达斯与Carbon合作于2021年推出了4DFWD鞋，运用的树脂材料，跑鞋中底采用Carbon 3D打印的晶格结构。鞋跟和前脚掌部位的晶格形状和密度完全区别，况且全部中底的晶格结构密度亦是连续变化的，从而为脚步供给充分的缓冲力。

3、晶格结构的类型及设计

晶格结构类型

TPMS 点阵、支柱点阵和平面点阵类型（源自：Gen3D）

晶格都基于一个晶胞，这是重复单元，在多个方向上重复复制，以形成一个整体。这儿给大众讲解有些常用的几种晶格类型。

TPMS点阵

三重周期性最小表面，TPMS当运用三角方程生成晶胞时，会创建例如“gyroid”。TPMS单元由单元内的所有点构成，像这般的区别但类似的方程会产生区别的TPMS晶格类型。

支柱格子

支柱格子由相互连接的梁构成，根据单元格定义的各样模式连接起来。支柱能够经过立方体单元的顶点、边和面连接起来，这些连接点的区别组合会产生区别的类型。

平面晶格

平面晶格是最简单的晶格类型，是在将2D晶胞挤压成3D时创建的。最平常的平面晶格类型是蜂窝结构。

经过在区别方向上随机改变其参数，这些类型的晶格中的每一种亦能够从周期性晶格变为随机晶格。经过在每一个方向上赋予结构相似的特性（使其各向同性），使其在某些应用中可能更具优良。

晶格结构设计

日前市面上已然有非常多能够制作晶格设计的软件，这儿资源库为大众整理平常的几款，区别的软件操作繁杂度不同样，能够进行多个安装对比测试，选取一款适合自己的。

nTopology

经过运用隐式建模而不是实体建模，nTopology产生了一个极其快速和强大的软件包，可用于设计运用传统CAD没法实现的零件。nTop包括的晶格功能非常强大，几乎能够完全掌控晶格结构的各个方面，包含定义自己晶胞的能力。

nTop拥有许多其他功能，包含高级仿真和生成式设计选项，但网格化是nTop功能的核心部分。

Fusion 360和Netfabb

无论是运用Fusion 360还是Netfabb此刻都能够运用新的晶格结构选项。一起始仅有Netfabb有这个功能，2022年1月Autodesk已将其简化版本添加到了Fusion 360中，但做为可选项，需要单独购买（可免费试用7天）。日前，这些还是基本功能，只能实时查看晶格的效果。

Autodesk Netfabb拥有强大的晶格生成能力，能够产生非常繁杂的点阵设计。基于自带的Simulation Utility 和Optimization Utility模块，用户可按照分析结果在优化时直接修改设计，加强零件3D打印成功率，降低工艺试错成本，这个功能尤其在金属打印中比较重要。

Carbon Design Engine

这是由于3D打印机构Carbon推出的3D打印晶格设计软件，日前Carbon经过该软件已设计生产了有些高性能，突破性的制品，例如运动鞋，自动车鞍座，和头盔。

日前这款软件已于2022年初宣布对外营销，新版本供给标准版、专业版和企业版。但真正有用的设计功能类型仅适用于更昂贵的“Pro”专业版本，该版本引入了晶格类型之间的过渡和梯度。

Grasshopper

Grasshopper（简叫作GH）是一款可视化编程语言，它基于Rhino平台运行，内部模块能完美的和rhino集成在一块，协同运用操作更加有效快捷。

同期gh中含有近千种插件可供用户自由搭配选取运用，有编程基本的话乃至能够自己研发插件，开放性和灵活性都非常高。

3-matic

3-matic是Materislise机构出品的基于数字化CAD（stl）的正向工程软件，所有操作都是基于三角面片进行处理。

但3-matic的晶格的随形设计和点阵的排布重点依靠UV-mapped的划分，这亦引起点阵的分布不足灵活，尤其是遇到曲面随形时，UV-mapped的划分容易变形，从而导致点阵分布不均匀。

Hyperganic

Hyperganic机构做为一个创业机构，成立于2015年，该软件专注于设计繁杂的3D打印结构，其功能与nTopology类似。Hyperganic类似一组云端软件接口，将设计、模拟、自动摆放、切片等功能所有集成在该云平台上。

输入客户的3D打印机参数，晶格参数等一系列掌控参数后，可输出直接用于3D打印机的格式，实现全自动流程。例如输入一个鞋中底模型后，经过调节可变参数，可自动生成cli切片格式的3D打印晶格鞋底。

3D-xpert

3D-xpert是3D打印机构3D Systems开发的金属3D打印一站式处理方法软件。涵盖了金属增材制造的全部流程。

3D-xpert其中的三维建模模块持有Cimatron的所有建模功能，而轻量化设计模块中有随形，均质、径向、随机、最小曲面等参数晶格，并且可实时表示已选取的晶格的元素数量，如方向、节点、体积，孔隙率等，帮忙用户更快的设计出可3D打印的晶格结构。

NX

西门子NX于2022年2月发布的新版本中，扩展了该应用程序的点阵选项。

同期，NX中的晶格结构此刻还能够运用西门子的Simcenter 3D仿真进行优化，以在单一环境中得到最佳晶格结构。这消除了传统上所需的多个设计分析过程。

Optistruct

OptiStruct是一个卓越的有限元结构分析和优化软件，内含一个准确快速的有限元求解器，用于进行概念设计和细化设计。它能够运用其设计优化功能集生成一系列区别的晶格类型。

OptiStruct的晶格结构办法区别寻常，由于它本质上与拓扑优化过程关联联。晶格设计后准确模拟晶格的能力亦非常有用。

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