拿去不謝！晶格建模與制造中的“大”學問

當前，我們所見到的大部分晶格材料是由陣列的細長構件組成，類似于我們熟悉的輕量級超級結構如橋梁和建筑物的框架，晶格幾何形狀的選擇是有效進行輕量化的關鍵。

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。 晶格里面的學問非常深，比如說一些多孔結構被稱為“彎曲主導’，這些結構在彎曲的時候體現(xiàn)了極好的韌性，成為吸收能量的理想選擇。本期，3D科學谷與谷友一起來get晶格設計與制造中的更多學問。

有關晶格長成的每一步

晶格的世界很微妙，就拿“彎曲主導’的晶格結構來說，如果你在中間加上了一個橫向的支柱，就變成了“伸展主導”的結構，這樣的結構無論是在拉伸或壓縮情況下，由于高層次的節(jié)點連接，提供了交叉支撐并防止節(jié)點的相對運動，這種細觀結構可以恰到好處的提供最佳的重量比強度。

▲左邊為“彎曲主導”，右邊為伸展主導“設計

除了這些常規(guī)的點陣設計，包括簡單的支撐和節(jié)點的設計。 設計師還可以嘗試復雜的設計，例如小旋翼這樣的結構。根據(jù)3D科學谷的市場研究，國際上HiETA Technologies和Exeter大學在嘗試在散熱器中應用這些小旋翼結構。他們通過流體動態(tài)分析軟件(CFD)來對通過小旋翼胞元的液體壓力進行建模分析，并對熱量的交換做精確的仿真。實驗測試是在4mm的胞元的大小和30%的體積分數(shù)的結構中進行的，實驗結果表現(xiàn)良好。

除了小旋翼這樣的巧妙設計，正如建筑學給美學帶來很多靈感一樣，建筑學為晶格設計也帶來非同尋常的創(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觀結構應用到增材制造的建模設計中來，并通過這些細觀結構提供特定的力學性能。

▲：纖維結構的材料提供不同方向的剛度，材料為316L不銹鋼，所用加工設備為雷尼紹AM250

如果你覺得建筑美學帶來的沖擊力還不夠，更加深入一些的還有混合網(wǎng)格結構，谷友們知道晶格可以整合入產(chǎn)品設計中，成為輕量化的重要元素。 也可以結合其他建模技術如拓撲優(yōu)化，不僅僅從整體外觀上與傳統(tǒng)的產(chǎn)品設計區(qū)別開來，從產(chǎn)品的局部結構上也實現(xiàn)更加靈活的構造，進一步減輕重量，并通過晶格的細觀結構滿足不同位置力學性能的要求。

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

小晶格，大學問。除了設計領域的腦洞大開，當前設計者所面臨的另一個關鍵的計算挑戰(zhàn)是將晶格設計的文件轉換成打印設備所能讀取的打印文件。這個過程中，你很容易迅速陷入巨大的模型和無休止的構建文件的準備中。 為了避免這樣的煩惱，當前的專家正在通過新的打印文件和自定義激光曝光策略的生產(chǎn)方式來簡化晶格打印文件生成和制造的過程。

▲Betatype提供的自定義激光曝光策略用于提升產(chǎn)品機械性能和加快構建過程

增材制造過程中，晶格細節(jié)的體現(xiàn)需要激光能量的精確控制，對每一層的晶格融化的建立通常涉及到成千上萬的稀疏分布的風險，對設備的考驗也就體現(xiàn)出來。拿雷尼紹的設備來說，系統(tǒng)調制激光可以聚焦到70微米光斑大小，可以實現(xiàn)壁薄如140微米的建構能力。

當晶格的設計趨于復雜的時候，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)出顯著的殘余應力，所以需要當心在一層構建完成后，下一層鋪粉的時候粉刷的材質不能過于剛性，過于剛性的粉刷容易將晶格的微小結構借助殘余應力帶來的熱變形而將剛剛構建好的結構進一步破壞掉。

▲體積8000立方厘米鈦合金晶格結構，建模軟件是Betatype CAD-CAM，制造設備為雷尼紹AM250

未來的挑戰(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計很難用在零件的實際生產(chǎn)中。 一個關鍵的挑戰(zhàn)是要證明設計的性能可靠性，特別是在抗疲勞方面。由于晶格的表面和尖銳的交叉點很多，這帶來了應力集中，而實際中應用的批量零件是不能接受可能失敗這樣的事件。

所以就帶來了一個相關的問題是如何驗證制造質量。晶格的復雜性使得難以通過傳統(tǒng)方式檢查。  CT掃描提供了一種解決方案，盡管有些費時。

盡管當前所面臨很大的挑戰(zhàn)，然而介于復雜的晶格結構可以提供卓越的產(chǎn)品性能-無論是在效率和功能方面。 并且為組件輕量化打開了廣闊的設計空間，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，晶格會在增材制造占據(jù)重要的一席之地。

國際上除了雷尼紹、Altair、Materialise這些在晶格結構上積極探索的企業(yè)。根據(jù)3D科學谷的市場研究，國內像鉑力特、中國空間技術研究院都在進行著不畏艱辛的探索，并在探索的過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)立足未來市場競爭的寶貴優(yōu)勢。

來源：3D科學谷