3D打印晶格結(jié)構(gòu)–終極指南
魔猴君 知識(shí)堂 404天前
3D打印中的晶格結(jié)構(gòu)是一種強(qiáng)大的設(shè)計(jì)工具。精心設(shè)計(jì)的晶格可以使零件更輕、更強(qiáng),更有效地吸收沖擊力,并更好地根據(jù)其最終用途進(jìn)行定制。了解如何使用和創(chuàng)建這些結(jié)構(gòu)是原型和生產(chǎn)零件3D打印中產(chǎn)品工程和工業(yè)設(shè)計(jì)的重要組成部分。
雖然您可能對(duì)填充結(jié)構(gòu)(格狀結(jié)構(gòu)的一種特殊應(yīng)用)并不陌生,但大多數(shù)非專業(yè)設(shè)計(jì)師對(duì)格狀結(jié)構(gòu)的利用率并不高。但在這里,您將了解到,如果您熟悉我們下面介紹的基本要素,應(yīng)用格狀結(jié)構(gòu)并不難。此外,當(dāng)今先進(jìn)的增材制造設(shè)計(jì)軟件可以自動(dòng)生成各種晶格,應(yīng)用范圍從運(yùn)動(dòng)器材、火箭推進(jìn)器到醫(yī)療植入物。
由于采用格子結(jié)構(gòu)壁設(shè)計(jì),這款單件式火箭推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)采用3D打印打火機(jī)(來(lái)源:SLM Solutions)
首先,我們將全面介紹使用網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)零件的基本要素,包括立即開(kāi)始使用這種方法所需的一切。然后,我們將介紹不同類型的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、如何使用以及何時(shí)使用,并向您展示世界各地的設(shè)計(jì)師和工程師如何使用網(wǎng)格結(jié)構(gòu)創(chuàng)造出性能極佳的創(chuàng)新產(chǎn)品,從阿迪達(dá)斯跑鞋和Specialized自行車座墊到工業(yè)散熱器和整形外科膝關(guān)節(jié)植入物,不一而足。最后,我們還介紹了在設(shè)計(jì)中應(yīng)用網(wǎng)格結(jié)構(gòu)所需的頂級(jí)軟件。
1. 為什么使用點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)
Aidro具有晶格內(nèi)部結(jié)構(gòu)的3D打印熱交換器被稱為Toucan Beak(來(lái)源:Aidro)
晶格具有一些獨(dú)特的特性,在設(shè)計(jì)零件或產(chǎn)品時(shí)非常有用,而這些特性用傳統(tǒng)制造方法幾乎無(wú)法復(fù)制。您可以在任何類型的3D打印和幾乎任何材料中使用網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。
減少材料使用
在設(shè)計(jì)中使用晶格可以去除非關(guān)鍵部位的大部分材料,從而大幅減少材料用量。如果您的零件是使用粉末或樹(shù)脂三維打印工藝制造的,這將大大節(jié)約成本。
盡管尺寸相同,右側(cè)的晶格結(jié)構(gòu)的表面積比左側(cè)的圓柱體大4倍,重量卻輕4倍(來(lái)源:Printpool)
輕量化
減少材料用量還有另一個(gè)好處—減輕重量。在許多應(yīng)用中,零件或組件的最終裝配質(zhì)量是一個(gè)嚴(yán)格限制的目標(biāo),通常越輕越好。根據(jù)所選晶格類型的不同,減重效果可能非常顯著,這具有許多優(yōu)點(diǎn),從減少汽車應(yīng)用中的燃料使用到改善醫(yī)療案例中病人的康復(fù)時(shí)間。
能量吸收
晶格結(jié)構(gòu)具有許多有利于吸收能量的特性。通過(guò)改變不同區(qū)域的密度甚至細(xì)胞類型,可以設(shè)計(jì)出在不同方向有效吸收能量的產(chǎn)品。與各種產(chǎn)品中使用的標(biāo)準(zhǔn)泡沫相比,復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)可以在多個(gè)方向重新定向并更好地分配能量,從而吸收沖擊力,同時(shí)還能利用現(xiàn)代快速成型制造樹(shù)脂的各種特性。
CCM Super Tacks X是世界上首款3D打印曲棍球頭盔內(nèi)飾,用Carbon 3D的NEST Tech晶格取代傳統(tǒng)的通用泡沫襯墊,以增強(qiáng)保護(hù)(來(lái)源:Carbon 3D)
增加表面積
晶格的表面積比相同尺寸的固體元件大許多倍。這對(duì)于涉及熱交換或化學(xué)催化的應(yīng)用非常有用,因?yàn)檫@些應(yīng)用需要依靠高表面積來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能。
美觀
格子除了具有許多技術(shù)優(yōu)勢(shì)外,其獨(dú)特的美學(xué)效果也不容忽視。越來(lái)越多的產(chǎn)品設(shè)計(jì)師選擇在消費(fèi)品設(shè)計(jì)中加入格子元素,原因無(wú)非是為了美觀。
2. 晶格結(jié)構(gòu)類型
Carbon的Design Engine晶格生成軟件中使用的晶格類型(來(lái)源:Carbon)
一般來(lái)說(shuō),晶格類型是根據(jù)其特性劃分的。人們已經(jīng)撰寫了整整一篇研究論文來(lái)定義許多不同的子類型,但要了解一種晶格與另一種晶格的基本區(qū)別并不難。
所有晶格都基于一個(gè)單元格。這是一個(gè)在多個(gè)方向上重復(fù)復(fù)制的重復(fù)單元,從而構(gòu)成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)。以下是按晶胞類型劃分的晶格類型。
TPMS網(wǎng)格
三周期極小面(TPMS)晶格是在使用三角方程生成單元格時(shí)產(chǎn)生的。例如,"陀螺"TPMS晶胞是由晶胞內(nèi)的所有點(diǎn)組成的,對(duì)于這些點(diǎn),下列方程成立:
sin(x)cos(y)+sin(y)cos(z)+sin(z)cos(x)=0
類似這樣不同但相似的等式產(chǎn)生了不同的TPMS晶格類型。
支柱網(wǎng)格
支桿網(wǎng)格(或梁網(wǎng)格)由相互連接的梁組成,按照單元格定義的各種模式連接。支柱可以通過(guò)立方晶胞的頂點(diǎn)、邊和面連接,這些連接點(diǎn)的不同組合產(chǎn)生了不同的類型。
平面網(wǎng)格
平面晶格是最簡(jiǎn)單的晶格類型,是將二維單元格擠壓到三維空間后形成的。最常見(jiàn)的平面晶格類型是蜂巢結(jié)構(gòu)。
通過(guò)在不同方向上隨機(jī)改變其參數(shù),這些類型的晶格都可以從周期晶格變成隨機(jī)晶格。這在某些應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì),可以使結(jié)構(gòu)在每個(gè)方向上都具有相似的特性(使其具有各向同性)。
在使用晶格生成軟件時(shí),您可能會(huì)遇到各種晶格類型:
二十面體:一種不規(guī)則晶格,其特點(diǎn)是空間點(diǎn)的排列。
四面體:一種基于四面體的網(wǎng)格,四面體有四個(gè)三角形面。每個(gè)頂點(diǎn)通過(guò)邊與三個(gè)相鄰頂點(diǎn)相連。
菱形:?jiǎn)挝桓袷橇庑危ㄩL(zhǎng)度相等的四邊形狀),并在頂點(diǎn)或邊與相鄰單位格相連的網(wǎng)格。
Voronoi:根據(jù)與一組種子點(diǎn)的鄰近程度將空間劃分為單元格的網(wǎng)格。
Kagome:一種由三角形單元重復(fù)圖案組成的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)
3. 在實(shí)際產(chǎn)品中應(yīng)用點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)
許多不同行業(yè)在設(shè)計(jì)新產(chǎn)品時(shí)都會(huì)利用晶格結(jié)構(gòu)的特性,近年來(lái),以晶格結(jié)構(gòu)為主要特征的新應(yīng)用和新創(chuàng)意層出不窮。下面介紹幾種最令人興奮的創(chuàng)新產(chǎn)品。
汽車
Dynamis PRC電動(dòng)賽車的Puntozero冷板(來(lái)源:nTop)
意大利產(chǎn)品開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)Puntozero與方程式SAE車隊(duì)Dynamis PRC合作,為他們的高壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)了這款不同尋常的冷板(上圖)。與之前的設(shè)計(jì)相比,該冷板基于陀螺單元的扭曲版本,重量減輕了25%,表面積增大了300%。使用nTop軟件設(shè)計(jì)。
醫(yī)療的
NanoHive Medical骨科植入物采用促進(jìn)骨骼生長(zhǎng)的晶格結(jié)構(gòu)(來(lái)源:NanoHive Medical)
NanoHive Medical是一家美國(guó)公司,專門設(shè)計(jì)用于治療脊柱退行性病變手術(shù)的獨(dú)特脊柱植入物。在這種情況下,晶格設(shè)計(jì)用于降低植入物的硬度,使力量更多地傳遞到脊柱本身,從而減少鈦植入物周圍的骨萎縮。
膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)植入物中的晶格結(jié)構(gòu)已被證明能增加植入物的骨生長(zhǎng),即骨整合。最近在《骨與關(guān)節(jié)研究》(Bone&Joint Research)雜志上發(fā)表的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn),3D打印的"鈦晶格植入物在[部分或全部膝關(guān)節(jié)置換術(shù)]后能保持脛骨近端自然的機(jī)械負(fù)荷,而傳統(tǒng)的實(shí)體植入物則不能"。
3D打印植入物上的隨機(jī)晶格結(jié)構(gòu)可以使用Genysis(左)和nTop(右)等軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。
就像海綿一樣,醫(yī)用植入物中的格子狀結(jié)構(gòu)并不是完全均勻的。我們通常用來(lái)創(chuàng)建這種骨結(jié)構(gòu)的塊狀結(jié)構(gòu)類型稱為小梁晶格或隨機(jī)晶格。這些晶格模仿的骨類型稱為骨小梁,從根本上說(shuō)是隨機(jī)泡沫。
專業(yè)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)軟件使植入物工程師能夠?qū)⑦@種表面結(jié)構(gòu)應(yīng)用于金屬植入物。
運(yùn)動(dòng)設(shè)備
可變的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)使3D打印的自行車座椅具有不同的支撐區(qū)域。前兩個(gè)來(lái)自Specialized和Fizik,均采用柔性樹(shù)脂在Carbon 3D打印機(jī)上打??;Posedla的第三個(gè)是為個(gè)人騎手定制的,并在HP Multi Jet Fusion機(jī)器上用TPU進(jìn)行3D打?。▉?lái)源:Specialized、Fizik、Posedla)
自2019年推出Specialized格狀自行車鞍座以來(lái),這一概念已風(fēng)靡全球。一些自行車裝備制造商推出了自己的鞍座版本,放棄了泡沫襯墊,轉(zhuǎn)而采用格子結(jié)構(gòu)。這種先進(jìn)技術(shù)通過(guò)在不同區(qū)域3D打印不同形狀和尺寸的格子,產(chǎn)生可變的支撐力。制造商們夸耀這些鞍座非常耐用,而且通風(fēng)、易清洗。Posedia Joyseat(上圖右)是為每位騎手量身定做的,在他們提交照片和"微笑臀部套件"(一種專門開(kāi)發(fā)的泡沫塊,你坐在上面就能對(duì)自己的坐骨寬度和體重分布產(chǎn)生定制的印象)后,就能為他們量身定做合適的坐墊。
頭盔是輕質(zhì)抗沖擊格子結(jié)構(gòu)(通常稱為"數(shù)字泡沫")的另一個(gè)理想應(yīng)用機(jī)會(huì)。它們已被應(yīng)用于NFL橄欖球頭盔、NHL曲棍球頭盔、奧運(yùn)會(huì)雪橇頭盔和自行車頭盔,并使用了各種方法和材料。事實(shí)上,美國(guó)國(guó)家橄欖球聯(lián)盟的2023年頭盔實(shí)驗(yàn)室性能測(cè)試結(jié)果對(duì)市場(chǎng)上的一系列頭盔進(jìn)行了排名和評(píng)級(jí),其中采用3D打印格狀結(jié)構(gòu)的兩款頭盔分列第一和第二位。
3D打印晶格結(jié)構(gòu)是頭盔中泡沫的理想替代品,具有卓越的抗沖擊性(來(lái)源:Farsoon、Carbon、EOS)
Riddell公司的橄欖球頭盔和Hexr公司的自行車頭盔是頭盔中使用格子結(jié)構(gòu)的兩種不同方法的典范。雖然兩者都是為了盡可能有效地吸收沖擊力和保護(hù)使用者,但不同之處在于制造方法和晶格類型,而不僅僅是運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目。Hexr頭盔使用的主要是平面六邊形晶格結(jié)構(gòu),通過(guò)SLS印刷生產(chǎn),并使用堅(jiān)硬的尼龍6材料制成。而Carbon Riddell頭盔則使用了高阻尼DLP彈性體和由超過(guò)140,000個(gè)獨(dú)立支柱組成的復(fù)雜多區(qū)晶格。該工藝依靠Riddell的精確貼合頭部掃描技術(shù)和碳晶格引擎,設(shè)計(jì)出適合每位球員頭部和位置的頭盔襯墊。
為了簡(jiǎn)化匹配材料、晶格形狀和應(yīng)用(尤其是頭盔)的研發(fā)流程,美國(guó)陸軍發(fā)展司令部士兵中心委托新成立的軟件公司General Lattice開(kāi)發(fā)一個(gè)預(yù)測(cè)建模工具集,用于根據(jù)真實(shí)世界的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)和生成晶格材料。該工具集建立在1000多萬(wàn)個(gè)物理數(shù)據(jù)點(diǎn)的基礎(chǔ)上,是一個(gè)可搜索的數(shù)據(jù)庫(kù),允許用戶根據(jù)機(jī)械性能查詢晶格材料。"General Lattice的聯(lián)合創(chuàng)始人尼克-弗洛雷克(Nick Florek)說(shuō):"提供能讓用戶提前了解晶格結(jié)構(gòu)潛在影響的工具,可以降低采用的風(fēng)險(xiǎn),并建立起對(duì)3D打印能像廣告宣傳的那樣實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的信心。
盡管陸軍仍在堅(jiān)持使用其工具集,但General Lattice擁有一個(gè)名為Frontier的公共版本,該版本提供了一個(gè)可免費(fèi)搜索的經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的機(jī)械屬性數(shù)據(jù)庫(kù),可幫助用戶選擇最佳的晶格、材料和硬件組合。
熱交換器
GE Additive的晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)散熱器(來(lái)源:GE Additive)
快速成型技術(shù)可以制造出任何其他制造方式都無(wú)法實(shí)現(xiàn)的幾何形狀,從而使體積更小、效率更高的熱交換器成為可能。
上面這個(gè)復(fù)雜的熱交換器是通用電氣公司為優(yōu)化900°C二氧化碳的流動(dòng)而設(shè)計(jì)的,它是復(fù)雜晶格結(jié)構(gòu)與金屬增材制造相結(jié)合所能實(shí)現(xiàn)的非凡性能的絕佳范例。通用電氣公司在設(shè)計(jì)中采用了仿生學(xué)方法,反映了人體肺部的特性,以促進(jìn)有效的熱交換。
Conflux等公司專門為各行各業(yè)設(shè)計(jì)使用晶格的3D打印熱交換器。
消費(fèi)產(chǎn)品
阿迪達(dá)斯運(yùn)動(dòng)鞋采用3D打印沖擊吸收晶格結(jié)構(gòu)(來(lái)源:Carbon)
阿迪達(dá)斯運(yùn)動(dòng)鞋公司與Carbon 3D合作,于2017年推出了4DFWD鞋,這是采用DLP樹(shù)脂技術(shù)制造的一系列運(yùn)動(dòng)鞋中的最新產(chǎn)品。這款鞋的中底突出采用了晶格結(jié)構(gòu),旨在利用定制的FWD單元推動(dòng)跑步者前進(jìn)。
4. 格子結(jié)構(gòu)的局限性
Antares Versus Evo 00 Adaptive車座采用Carbon 3D打印機(jī)打印,具有經(jīng)過(guò)調(diào)整的晶格結(jié)構(gòu)區(qū)域,可提供最佳的機(jī)械響應(yīng)(來(lái)源:Carbon)
盡管晶格結(jié)構(gòu)功能強(qiáng)大,但利用率卻很低,認(rèn)真將其應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品的工程師和設(shè)計(jì)師需要考慮到晶格結(jié)構(gòu)的一些局限性。
制造
雖然確實(shí)存在制造復(fù)雜非平面晶格結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)方法,但總的來(lái)說(shuō),這些方法不如快速成型方法有效。因此,在將晶格納入設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)仔細(xì)考慮增材制造所特有的經(jīng)濟(jì)性、時(shí)間尺度和材料選擇,尤其是在設(shè)計(jì)其他區(qū)域時(shí)已考慮到注塑成型等其他技術(shù)的情況下。
模擬
當(dāng)涉及到大型晶格結(jié)構(gòu)時(shí),應(yīng)力模擬,尤其是使用有限元方法進(jìn)行的應(yīng)力模擬,計(jì)算量非常大。大多數(shù)方法(包括上述幾種軟件包所使用的方法)都涉及在整個(gè)結(jié)構(gòu)中推斷單元格的屬性,但如果單元格類型和尺寸變化很大,那么物理測(cè)試可能是準(zhǔn)確評(píng)估大型復(fù)雜晶格設(shè)計(jì)性能的唯一方法。
文件大小
同樣,如果將具有大晶格部分的零件設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為STL(無(wú)論好壞,STL仍是AM中最常用的文件類型),文件大小超過(guò)500MB甚至1GB的情況也很常見(jiàn)。這通常意味著,除了最強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)外,進(jìn)一步處理和切片都是一個(gè)緩慢而困難的過(guò)程。當(dāng)然也可以減小網(wǎng)格的大小,但如果操作不慎,可能會(huì)大大簡(jiǎn)化元素,以至于在最終部件上可以看到一些三角形元素。
有限的單元類型
單元格類型是晶格結(jié)構(gòu)最重要的特征之一,它決定了結(jié)構(gòu)整體所具有的大部分不同特性,但大多數(shù)工程師和設(shè)計(jì)師能輕易選擇的單元格類型非常有限。一些軟件包允許設(shè)計(jì)和創(chuàng)建新類型,但即使可以使用這些程序,這也是一項(xiàng)高度專業(yè)化和技術(shù)性的任務(wù)。
5. 生成晶格結(jié)構(gòu)的最佳軟件
nTop
Altair Sulis
Autodesk Fusion 360&Netfabb
Carbon Design Engine
Ultrasim 3D Lattice Engine
Siemens NX
Materialize 3-Matic
Altair Optistruct&Inspire
General Lattice
編譯整理:ALL3DP