干貨——3D打印晶格激發(fā)產(chǎn)品重塑

增材制造技術(shù)的一大特點對復(fù)雜細節(jié)的制造能力，晶格結(jié)構(gòu)就是最典型一種復(fù)雜結(jié)構(gòu)。不僅僅起到輕量化的作用，還可以使結(jié)構(gòu)獲得材料最低填充量的同時滿足結(jié)構(gòu)剛性的需求，并且還可以吸收沖擊能量以減緩振動或者達到噪聲絕緣的目的。南極熊覺得，當3d打印的部件經(jīng)過輕量化和拓撲優(yōu)化后才可以體現(xiàn)3d打印的優(yōu)勢。

晶格結(jié)構(gòu)的超輕型結(jié)構(gòu)適合用在抗沖擊/爆炸系統(tǒng)、或者充當散熱介質(zhì)、聲振、微波吸收結(jié)構(gòu)和驅(qū)動系統(tǒng)，所以說晶格可以是非常有用的，南極熊通過雷尼紹等幾家公司的一些研究來探討金屬3D打印過程中晶格的應(yīng)用，從而感受設(shè)計和制造晶格的挑戰(zhàn)。

圖片來源：雷尼紹，晶格的微妙畫風

輕量化
晶格是輕量化的一大貢獻，通過消除不必要的材料，同時為剛性要求高的部分提供更堅實的晶格結(jié)構(gòu)，減少材料浪費。在設(shè)計輕量化結(jié)構(gòu)零件時，需要結(jié)合整個零件的功能實現(xiàn)，綜合考慮空隙精度、空隙率、空隙形狀、空隙大小、孔分布以及相互之間連通性等因素。

圖片來源：HiETA Technologies

上圖是直升機排氣噴嘴冷卻結(jié)構(gòu)的原型， 是HiETA Technologies設(shè)計和制造的，材料為Inconel 625合金。 晶格用在該結(jié)構(gòu)中提供結(jié)構(gòu)剛度和熱傳遞作用。輕量化的設(shè)計不僅僅通過減少材料的浪費來降低構(gòu)件的成本，由于較短的構(gòu)建時間，使得加工成本也降低了（考慮到增材制造設(shè)備的使用壽命與折舊因素）。

減重效果，圖片來源：雷尼紹

功能晶格
除了減重，晶格結(jié)構(gòu)也可以帶有功能性的作用，包括能量吸收、熱絕緣、熱交換、生物相容這樣的功能。

能量吸收
一個有前途的應(yīng)用領(lǐng)域是能量的吸收，晶格的兩種動態(tài)屬性，其中一種是壓縮屬性，另一種是晶格結(jié)構(gòu)的彈性屬性。在加載了沖擊之后，彈性和壓縮行為表現(xiàn)出了快速的集體反應(yīng)。通過對晶格材料的定制化設(shè)計，特別是針對應(yīng)用的具體需要，精確設(shè)計制造特殊的晶格材料。

晶格結(jié)構(gòu)的變形特性取決于其幾何特征（拉伸或彎曲為主） 和構(gòu)成材料（特別是其延展性）。 在這個領(lǐng)域，英國的謝菲爾德大學(xué)做過詳細的研究：《Energy absorption in lattice structures in dynamics: Experiments》(《動力學(xué)中的晶格結(jié)構(gòu)的能量吸收》)。

熱絕緣
通過一個晶格結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品的重量占無晶格結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品的重量比就可以知道其余的部分是充滿空氣的�？紫堵蕦ο拗茻醾鲗�(dǎo)是有用的。 熱量通常通過金屬部分快速傳導(dǎo)出來，而無疑那些有著更加復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)的設(shè)計使得熱量的傳導(dǎo)變得蜿蜒曲折。

而通過空氣傳導(dǎo)的熱量則比金屬低得多，因為一個一個的小格中對流得不到建立， 氣體被困在格與格的支柱之間， 相對較少的熱量會通過氣體傳導(dǎo)出來，但氣體的傳導(dǎo)系數(shù)比金屬低得多。

熱交換
晶格使得冷卻器具有很高的比表面積，可以用來將熱氣流的熱量轉(zhuǎn)移到周圍的空氣中。 另外一個思路，如果金屬中充滿了熱量，通過充滿冷空氣，也可以快速帶走金屬的熱量。

圖：Swansea大學(xué)學(xué)生設(shè)計的方程式賽車散熱器

除了賽車的散熱器，另外，在上面輕量化的直升機排氣噴管的例子中，晶格結(jié)構(gòu)用于傳熱，熱廢氣流動起來通過中央通道，而較冷的氣體從轉(zhuǎn)子下沉氣流穿過周圍晶格，從而降低直升機的排氣溫度。

多孔表面
整形外科植入物通常需要多孔的表面設(shè)計以促進骨結(jié)合，植入物的表面覆蓋著一個精心設(shè)計的層格，使得活骨細胞生長進來。

圖片來源：Betatype

上圖是雷尼紹AM250加工出來的髖臼杯，通過歐特克的within創(chuàng)成式設(shè)計軟件和Betatype的晶格設(shè)計軟件設(shè)計出來。

可以說，晶格具有許多吸引人的特質(zhì)，盡管他們的復(fù)雜性和微妙對設(shè)計和制造帶來不小的挑戰(zhàn)。在這里，3D科學(xué)谷僅僅起到拋磚引玉的作用。

晶格設(shè)計
大部分晶格材料是由陣列的細長構(gòu)件組成，類似于我們熟悉的輕量級超級結(jié)構(gòu)如橋梁和建筑物的框架，但顯然是在非常小的尺度。 這些復(fù)雜的細觀結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生附加長度尺度從微米到毫米的變化。

圖片來源：雷尼紹

上圖為不同尺度的體心立方晶格的不同尺度。 具體達到多小，與激光的光斑直徑和粉末粒度有關(guān)，本圖中最小的為70微米的激光光斑加工出來的。

晶格結(jié)構(gòu)的分布可以是大小均一的也可以是不規(guī)則的，旨在提供同質(zhì)或異質(zhì)的特性。 不同的分布可以改變整個晶格體積調(diào)整其性能，特別是不同位置其密度和剛度情況。

圖片來源：Betatype

上圖是英國的帝國理工學(xué)院醫(yī)學(xué)工程團隊通過雷尼紹的AM250加工出來的股骨截面，股骨的骨小梁形成一個優(yōu)雅的內(nèi)部三維格子，模仿天然骨的結(jié)構(gòu)。

來源：3d科學(xué)谷
延伸閱讀：
SView輕量化的三維可視化軟件 – 隨時隨地暢覽3D模型
3D打印實現(xiàn)輕量化的四種途徑