拿去不謝！晶格建模與制造中的“大”學(xué)問(wèn)

當(dāng)前，我們所見(jiàn)到的大部分晶格材料是由陣列的細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件組成，類似于我們熟悉的輕量級(jí)超級(jí)結(jié)構(gòu)如橋梁和建筑物的框架，晶格幾何形狀的選擇是有效進(jìn)行輕量化的關(guān)鍵。

有些像泡沫一樣多孔材料的確是輕的，但通常剛性卻不滿足零件的性能要求。 晶格里面的學(xué)問(wèn)非常深，比如說(shuō)一些多孔結(jié)構(gòu)被稱為“彎曲主導(dǎo)’，這些結(jié)構(gòu)在彎曲的時(shí)候體現(xiàn)了極好的韌性，成為吸收能量的理想選擇。本期，3D科學(xué)谷與谷友一起來(lái)get晶格設(shè)計(jì)與制造中的更多學(xué)問(wèn)。

有關(guān)晶格長(zhǎng)成的每一步

晶格的世界很微妙，就拿“彎曲主導(dǎo)’的晶格結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，如果你在中間加上了一個(gè)橫向的支柱，就變成了“伸展主導(dǎo)”的結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)無(wú)論是在拉伸或壓縮情況下，由于高層次的節(jié)點(diǎn)連接，提供了交叉支撐并防止節(jié)點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這種細(xì)觀結(jié)構(gòu)可以恰到好處的提供最佳的重量比強(qiáng)度。

▲左邊為“彎曲主導(dǎo)”，右邊為伸展主導(dǎo)“設(shè)計(jì)

除了這些常規(guī)的點(diǎn)陣設(shè)計(jì)，包括簡(jiǎn)單的支撐和節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。 設(shè)計(jì)師還可以嘗試復(fù)雜的設(shè)計(jì)，例如小旋翼這樣的結(jié)構(gòu)。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，國(guó)際上HiETA Technologies和Exeter大學(xué)在嘗試在散熱器中應(yīng)用這些小旋翼結(jié)構(gòu)。他們通過(guò)流體動(dòng)態(tài)分析軟件(CFD)來(lái)對(duì)通過(guò)小旋翼胞元的液體壓力進(jìn)行建模分析，并對(duì)熱量的交換做精確的仿真。實(shí)驗(yàn)測(cè)試是在4mm的胞元的大小和30%的體積分?jǐn)?shù)的結(jié)構(gòu)中進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)良好。

除了小旋翼這樣的巧妙設(shè)計(jì)，正如建筑學(xué)給美學(xué)帶來(lái)很多靈感一樣，建筑學(xué)為晶格設(shè)計(jì)也帶來(lái)非同尋常的創(chuàng)新依據(jù)。由于增材制造的靈活性，我們現(xiàn)在可以把建筑感的細(xì)觀結(jié)構(gòu)應(yīng)用到增材制造的建模設(shè)計(jì)中來(lái)，并通過(guò)這些細(xì)觀結(jié)構(gòu)提供特定的力學(xué)性能。

▲：纖維結(jié)構(gòu)的材料提供不同方向的剛度，材料為316L不銹鋼，所用加工設(shè)備為雷尼紹AM250

如果你覺(jué)得建筑美學(xué)帶來(lái)的沖擊力還不夠，更加深入一些的還有混合網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，谷友們知道晶格可以整合入產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，成為輕量化的重要元素。 也可以結(jié)合其他建模技術(shù)如拓?fù)鋬?yōu)化，不僅僅從整體外觀上與傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)區(qū)別開(kāi)來(lái)，從產(chǎn)品的局部結(jié)構(gòu)上也實(shí)現(xiàn)更加靈活的構(gòu)造，進(jìn)一步減輕重量，并通過(guò)晶格的細(xì)觀結(jié)構(gòu)滿足不同位置力學(xué)性能的要求。

▲鈦合金“蜘蛛”架，由Altair Optistrut軟件和Materialise Magics 軟件生成，所用加工設(shè)備為雷尼紹AM250

小晶格，大學(xué)問(wèn)。除了設(shè)計(jì)領(lǐng)域的腦洞大開(kāi)，當(dāng)前設(shè)計(jì)者所面臨的另一個(gè)關(guān)鍵的計(jì)算挑戰(zhàn)是將晶格設(shè)計(jì)的文件轉(zhuǎn)換成打印設(shè)備所能讀取的打印文件。這個(gè)過(guò)程中，你很容易迅速陷入巨大的模型和無(wú)休止的構(gòu)建文件的準(zhǔn)備中。 為了避免這樣的煩惱，當(dāng)前的專家正在通過(guò)新的打印文件和自定義激光曝光策略的生產(chǎn)方式來(lái)簡(jiǎn)化晶格打印文件生成和制造的過(guò)程。

▲B(niǎo)etatype提供的自定義激光曝光策略用于提升產(chǎn)品機(jī)械性能和加快構(gòu)建過(guò)程

增材制造過(guò)程中，晶格細(xì)節(jié)的體現(xiàn)需要激光能量的精確控制，對(duì)每一層的晶格融化的建立通常涉及到成千上萬(wàn)的稀疏分布的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)設(shè)備的考驗(yàn)也就體現(xiàn)出來(lái)。拿雷尼紹的設(shè)備來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)調(diào)制激光可以聚焦到70微米光斑大小，可以實(shí)現(xiàn)壁薄如140微米的建構(gòu)能力。

當(dāng)晶格的設(shè)計(jì)趨于復(fù)雜的時(shí)候，制造方面的挑戰(zhàn)就更大了，特別是例如鈦合金這樣的材料，可以表現(xiàn)出顯著的殘余應(yīng)力，所以需要當(dāng)心在一層構(gòu)建完成后，下一層鋪粉的時(shí)候粉刷的材質(zhì)不能過(guò)于剛性，過(guò)于剛性的粉刷容易將晶格的微小結(jié)構(gòu)借助殘余應(yīng)力帶來(lái)的熱變形而將剛剛構(gòu)建好的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步破壞掉。

▲體積8000立方厘米鈦合金晶格結(jié)構(gòu)，建模軟件是Betatype CAD-CAM，制造設(shè)備為雷尼紹AM250

未來(lái)的挑戰(zhàn)

雖然晶格極具魅力和吸引力，但目前仍然有一些障礙使得晶格設(shè)計(jì)很難用在零件的實(shí)際生產(chǎn)中。 一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是要證明設(shè)計(jì)的性能可靠性，特別是在抗疲勞方面。由于晶格的表面和尖銳的交叉點(diǎn)很多，這帶來(lái)了應(yīng)力集中，而實(shí)際中應(yīng)用的批量零件是不能接受可能失敗這樣的事件。

所以就帶來(lái)了一個(gè)相關(guān)的問(wèn)題是如何驗(yàn)證制造質(zhì)量。晶格的復(fù)雜性使得難以通過(guò)傳統(tǒng)方式檢查。  CT掃描提供了一種解決方案，盡管有些費(fèi)時(shí)。

盡管當(dāng)前所面臨很大的挑戰(zhàn)，然而介于復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)可以提供卓越的產(chǎn)品性能-無(wú)論是在效率和功能方面。 并且為組件輕量化打開(kāi)了廣闊的設(shè)計(jì)空間，還可以提高傳熱、能量吸收、絕緣和提高連接性能。 我們有理由相信，總有一天，晶格會(huì)在增材制造占據(jù)重要的一席之地。

國(guó)際上除了雷尼紹、Altair、Materialise這些在晶格結(jié)構(gòu)上積極探索的企業(yè)。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，國(guó)內(nèi)像鉑力特、中國(guó)空間技術(shù)研究院都在進(jìn)行著不畏艱辛的探索，并在探索的過(guò)程中積累了屬于自己的know how，而這些know how也將隨著晶格重要性和制造可行性的提升成為這些企業(yè)立足未來(lái)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的寶貴優(yōu)勢(shì)。

來(lái)源：3D科學(xué)谷