•    發佈時間：2023/09/07
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【概要描述】 Kirill Volcheck

蜂窩、蜘蛛網、樹幹、珊瑚，甚至你自己的骨骼有什麼共同點？它們都是自然界裏面的晶格結構。

這些強大的結構通常由規則的、重複的互鎖“單元格”圖案組成，從簡單的盒子到複雜的連續曲面。其他晶格涉及更多有機的、不規則的結構。在這兩種情況下，晶格結構由於其強度、柔韌性和表面積的獨特組合而提供了獨特的功能。

重要的是，在 3D 列印（也稱為增材製造 (AM)）出現之前，晶格結構不可能小規模製造。由於增材製造技術逐層添加材料，而不是從塊材中去除或“減去”材料，因此它們可以使用從塑膠到金屬再到樹脂的各種材料複製複雜的晶格結構。

晶格現已成為 3D 列印的標誌，增材製造解決方案附帶的工具使設計師和工程師能夠在各種產品類型中使用它們。

但晶格不僅僅是一種不尋常的設計元素。正如我們將看到的，它們正在徹底改變從航空航太到運動鞋等許多行業的產品性能。

使用點陣結構的優點

晶格結構具有獨特的屬性，對產品設計師和工程師極具吸引力，因為它們提供了令人驚訝的強度和剛度，同時使用的材料比傳統製造的零件更少。雖然這似乎是一個簡單的概念，但它帶來了廣泛的優勢：

減少材料
晶格比實體結構使用更少的材料。基本上，這些結構不會在對保持強度和剛度不重要的任何地方添加材料。這樣做的經濟影響可能是巨大的，使製造商能夠以更少的材料投資和更短的列印時間生產相同數量的產品。重量更輕的產品也對提高燃油效率有很大幫助。晶格可以節省後端成本，因為 3D 列印比加工實心鈦坯等材料消耗更少的材料。

表面積
晶格的獨特結構使其總表面積比相同尺寸的固體部件大幾個數量級。這對於使用表面積實現有效的流體、熱或化學相互作用的應用（例如熱交換器）特別有用。

強度重量比
為了提高零件的強度重量比，設計人員通常會去除非關鍵區域的材料。晶格結構提供了優化該過程的有效方法。由於其幾何設計，晶格可以幫助實現顯著的強度和剛度，同時最大限度地減少所用材料的數量。結果當然是比傳統製造的零件更好的強度重量比。

設計靈活性
也許 3D 列印晶格提供的最重要的優勢是設計師能夠擺脫傳統製造的規則和限制。在一套新的規則和可能性的控制下，晶格允許設計師追求創新、複雜和有機的設計，這些設計的性能與更傳統的設計一樣好甚至更好。

晶格結構有哪些不同類型？

晶格有幾十種亞型，但這些結構往往屬於幾種大類之一。這些類別是根據晶格晶胞的幾何形狀建立的。

平面晶格
平面晶格是最簡單的晶格類型。它採用二維（或平面）排列的單元（最常見的是蜂窩狀），並在三個維度上拉伸它。平面晶格的其他示例包括 voronoi（多邊形的混合）和 kagome（三角形）。

3D均勻/週期性晶格
這種類型的晶格，就像晶體一樣，可以由棋盤格體積的 3D 單元構建。此類單元的示例是二十面體（不規則）、四面體（四個三角形面）、菱形（四邊形）、十二面體、截角八面體或它們的組合。 3D Voronoi 是生成此類結構的另一種流行方法。

杆狀晶格
杆狀晶格（也稱為單元杆狀晶格）由一系列具有各種配置的互連杆（或梁）構成。支柱可以在頂點、邊緣或面以及多個點處連接。使用 3D 統一圖案或通過隨機演算法組合這些連接會產生各種晶格。



TPMS/隱式建模晶格
三週期極小曲面 (TPMS) 依賴於無法通過以下方式生成的複雜方程（例如 sin(x)cos(y) + sin(y)cos(z) + sin(z)cos(x) = 0）傳統的 CAD 工具。其中最著名的是螺旋體，它天然存在於蝴蝶翅膀中，具有特殊的熱機械性能。





（在 3DXpert 中重新設計了傳統的 FCOC 熱交換器，並用陀螺儀取代了原來的管道。）

晶格結構的設計應用

晶格結構創造了各種有趣且強大的設計機會，有助於解決製造中一些最持久的挑戰。晶格結構的流行應用包括：

輕量化
由於晶格使用的材料較少，因此重量也較輕。這種晶格結構可用於“輕量化”，這是一種旨在以盡可能輕的結構實現特定性能規格的設計過程。
此過程通常需要增材製造設計 (DfAM) 工具的幫助，使設計人員能夠創建使用傳統 CAD 軟體無法創建的形狀和幾何形狀。
輕量化零件對汽車和航空航太製造的燃油效率具有重大影響，每節省一克就能大幅降低燃油成本。

熱交換器
熱交換器是一種促進兩種不同溫度的流體之間進行熱交換過程的裝置。您可以在許多工程應用中找到它們，例如製冷、供暖和空調系統、發電廠、化學加工系統、食品加工系統、汽車散熱器和廢熱回收裝置。
晶格為熱交換器優化帶來了新的機會，因為它們具有非常高的表面積與體積比，可以實現極其高效的傳熱。
最近，代頓大學研究所與 Oqton 合作，通過用螺旋結構取代原來的管子，重新設計了燃油冷卻式油冷卻器（FCOC）。陀螺儀用於增強傳熱，自動密封相對的流體域，優化流動路徑，同時允許不同尺寸的流體域以適應燃料和油的不同粘度。

能量吸收
晶格結構是吸收衝擊的理想選擇。通過改變晶格的密度和細胞類型，設計師可以創造出比傳統泡沫更有效地吸收能量並重新定向能量的結構。

這種在多個方向上吸收和重新分配衝擊力的能力在需要堅固但靈活的消費品中具有廣泛的應用，例如跑鞋和自行車頭盔等。

骨整合
骨整合是將活骨組織連接到植入裝置表面的過程。晶格結構特別適合促進骨骼生長的醫療植入物，因為它們可以作為植入物的一部分進行 3D 列印，而不是應用於機加工零件的單獨塗層。
這些植入物中的晶格結構類似於多孔網格，其中孔徑、支柱尺寸和孔隙率水準可以根據特定人的植入物進行調整。這可以實現更有效的骨整合，從而使患者更加舒適、細胞生長更快以及種植體和骨骼之間的結合更牢固。

數字發泡
由聚合物製成的晶格結構的行為與泡沫類似，它們可以變形並恢復到原來的形狀。這些 3D 列印“泡沫”可用於增強自行車座椅、足球和曲棍球頭盔、其他運動器材以及假肢裝置的緩衝能力。

產品設計
借助 3D 列印晶格，產品設計和工程團隊獲得瞭解決一系列實際挑戰的強大方法。換句話說，產品團隊可以結合晶格的能力，以前所未有的方式減輕重量、增加強度、吸收能量和改進定制。此外，DfAM 工具使生成和應用這些晶格變得比以往更容易。



（晶格有時被用作眼鏡的設計特徵。使用 3DXpert 設計和製造。）

3D 列印晶格的工業用途

增材製造的晶格結構已經在廣泛的工業應用中產生了有意義的變化。其中一些包括：

汽車
保持必要強度的較輕部件在汽車領域非常有吸引力。例如，保時捷製造了一個 3D 列印的電動驅動外殼，其堅固的外部內部包含網格結構。網格結構使外殼重量減輕了 40%，電驅動器重量減輕了 10%。

在另一個例子中，一家名為 Puntozero 的義大利產品開發公司使用陀螺儀設計了一種用於高壓轉換器的冷板，與之前的設計相比，其重量減輕了 25%，表面積增加了 300%。

衛生保健
晶格結構已被納入脊柱植入物中，用於治療退行性脊柱疾病。這些網格結構降低了剛度，並允許將力傳遞到脊柱，這有助於減少植入物周圍的骨萎縮。
膝關節植入物中使用的鈦製成的晶格結構已被證明可以在膝關節置換手術後維持脛骨的自然機械負荷，這是傳統金屬植入物無法做到的。

航太
與汽車行業一樣，3D 列印晶格結構使航空航太製造商能夠大幅減少零件的品質，從而提高燃油效率並降低燃油成本。零件品質的任何減少也可以增加車輛的有效載荷，這直接影響盈利能力。
例如，起落架部件使用 3D 列印金屬來提高可靠性，同時減輕重量，而發電機外殼則採用了超過 1000 萬個元件的高密度晶格。晶格在航空航太中的其他流行應用包括前面討論的熱交換器以及吸收和重定向能量的結構，例如火箭主體中的振動吸收部件。

建築學
晶格結構在建築中很有吸引力，因為它們能夠捕獲非常大的表面積，同時最大限度地減少材料。例如，Branch Technology 使用碳纖維增強 ABS 塑膠創建了 3D 列印網格，用作輕質且耐用的模組化牆壁系統的核心。

晶格結構的材料選擇

晶格結構可以用多種材料製成，包括金屬、聚合物和複合材料。為特定應用選擇正確的材料非常重要，因為材料的選擇會影響晶格的尺寸和密度。

一般來說，更軟、更具彈性的材料需要更小、更密集的單元排列以及更厚的支柱和節點，以防止 3D 列印過程中下垂。金屬和更堅硬的材料允許您使用更大的單元電池和更薄的支柱。

利用 3D 列印晶格克服挑戰

雖然 3D 列印晶格結構為多個行業的產品設計師和工程師創造了重要的機會，但它們並不是靈丹妙藥。正如它們提供獨特的性能一樣，它們也帶來獨特的挑戰。

複雜的晶格可能難以列印，因為 3D 模型可能太大，電腦無法輕鬆地將其轉換為可列印的 STL 檔。這可能會導致速度變慢並增加數據丟失的風險。這就是 Oqton 的 3DXpert 軟體集成了設計和列印準備的原因，無需在列印前將晶格轉換為 STL 檔。

對於骨整合產品，孔隙的分佈是骨骼生長的關鍵成功因素，也是最難評估的設計方面之一。 3DXpert 包括專用的孔隙分佈直方圖，用於驗證醫療產品的這些晶格。同樣，該軟體還包括用於理解醫學應用中網格的開放側與人體之間相互作用的工具。這些工具有助於防止任何可能導致組織損傷的尖銳、突出的支柱。

3DXpert 還允許設計人員檢測和調整水準角度非常低的晶格支柱（這可能會影響可列印性），以及調整和定義專用切片參數以確保最佳的零件品質和更快的生產。

對於那些不太熟悉增材製造所有細節的人來說，創建具有複雜晶格結構的產品似乎也令人生畏。這就是 3DXpert 的熱交換器應用程式非常有用的地方。它包括旨在簡化晶格結構設計和增材製造工作流程的功能，因此團隊可以輕鬆創建晶格結構並快速迭代以找到最佳方法。

保持 3D 列印晶格的領先地位

值得注意的是這些晶格結構有多新。其中一些幾何形狀在五年前實際上是不可能製造的。可以理解的是，產品設計師仍在探索如何在產品設計和新的 3D 列印技術中最好地利用這些結構。

最令人興奮的是這些結構具有突破產品設計極限的潛力，從而帶來更輕、更便宜、更高效的產品，並且超出了性能預期。

 

源文摘自：Opton