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武漢易成三維是國內(nèi)領(lǐng)先的3D打印綜合方案供應(yīng)商，始終專注于制造、教育、科研、軍工等領(lǐng)域，迄今為止已為約600所著名高校、科研院所、約10000個企業(yè)機構(gòu)提供專業(yè)的3D打印設(shè)備、服務(wù)及平臺化數(shù)字智造應(yīng)用方案。

3D打印最令人印象深刻的特征之一是能夠制造具有復(fù)雜內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)的零件，這在傳統(tǒng)制造技術(shù)中是不可能的。圍繞晶格設(shè)計零件可以降低其整體質(zhì)量，而不會顯著影響其整體強度。本文將討論如何利用晶格結(jié)構(gòu)進行3D打印，以便在機械強度和降低成本方面將產(chǎn)品設(shè)計提升到一個新的水平。

什么是用于3D打印的格子結(jié)構(gòu)？

簡而言之，用于3D打印的晶格結(jié)構(gòu)是連接節(jié)點的重復(fù)或非重復(fù)3維組合。在最簡單的形式中，多個晶格節(jié)點通過光束相互連接。在重復(fù)3D結(jié)構(gòu)的情況下，梁和節(jié)點的集合呈現(xiàn)規(guī)則和重復(fù)的3D形狀，如立方體或四面體。這些形狀通常稱為單元格。這些單元的形狀和密度將決定零件在施加載荷時的行為。

3D打印晶格結(jié)構(gòu)通過僅將質(zhì)量放在結(jié)構(gòu)上需要的地方，從而充分利用了材料和打印機的獨特功能。因此，整體項目比完全堅固時要輕得多。這就是為什么晶格結(jié)構(gòu)在自然界中非常普遍的原因之一。多年來，這一原則只能在鋼結(jié)構(gòu)建筑等大型建筑中實施。然而，隨著3D打印的出現(xiàn)和日益普及，已經(jīng)有可能創(chuàng)建具有自己的內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)的更小，更平凡的零件和產(chǎn)品。它既可以提高機械強度，也可以提高美學(xué)吸引力。這種方法顯著降低了零件的質(zhì)量，在航空航天和汽車行業(yè)中幾乎無窮無盡的應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，質(zhì)量的降低直接轉(zhuǎn)化為燃油效率的提高。

生成晶格結(jié)構(gòu)

由于晶格結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使用典型的CAD工具將它們建模到零件中是不切實際的。在大多數(shù)情況下，零件在 CAD 中繪制，就好像它是實體一樣。然后，在設(shè)計零件后（考慮到DFAM原則），模型被導(dǎo)入到另一個軟件包中以生成晶格結(jié)構(gòu)。用于此目的的更常見的程序包括Netfabb或nTopology。
生成3D打印晶格結(jié)構(gòu)的另一種方法是通過創(chuàng)成式設(shè)計。在這種情況下，將定義零件的連接點、質(zhì)量限制和預(yù)期載荷。然后，算法生成數(shù)百個滿足要求的解決方案。從那里，可以從解決方案中選擇最佳的晶格單元結(jié)構(gòu)和單元密度，也可以通過進一步迭代生成。在創(chuàng)建晶格結(jié)構(gòu)時，重要的是要了解哪些因素會影響最終零件的整體功能。下面列出了這些因素：

• 晶格材料：在金屬中進行3D打印時，晶格通常與整個零件的材料相同。但是，如果需要柔性晶格，則可以考慮多材料零件。一些產(chǎn)品使用柔軟的柔性材料作為晶格，使用更具彈性的材料作為外殼來保護晶格。一個常見的例子是跑鞋鞋底。
• 晶格結(jié)構(gòu)：最基本的3D打印晶格結(jié)構(gòu)在整個零件中具有重復(fù)和均勻的圖案。然而，更先進的方法將改變電池和梁結(jié)構(gòu)，使其在需要額外強度的區(qū)域更致密，并在承受較少載荷的區(qū)域保持晶格的密度較低。電池的個體形狀也對零件性能有顯著影響，因為不同的結(jié)構(gòu)將具有不同的機械性能。
• 單元格方向：3D打印晶格結(jié)構(gòu)中單個細胞的方向會影響打印的復(fù)雜性。例如，最佳做法是使細胞定向，使它們能夠在打印過程中支撐自己，而無需支撐結(jié)構(gòu)。不建議嘗試從數(shù)百個小細胞中移除支撐。

晶格結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢

用于3D打印的晶格結(jié)構(gòu)具有廣泛的優(yōu)勢。下面列出了一些最重要的。

• 降低零件成本：根據(jù)材料的不同，3D打印可能是一個昂貴的過程。對于航空航天工業(yè)中常見的鈦或鉻鎳鐵合金等材料尤其如此。晶格結(jié)構(gòu)的引入意味著將使用更少的材料，從而使零件整體更便宜，而不會犧牲結(jié)構(gòu)完整性。
• 改進的強度重量比：如果按照公認的DFAM（增材制造設(shè)計）原則進行設(shè)計，則具有晶格結(jié)構(gòu)的零件可以具有無與倫比的強度重量比。這使得它們成為汽車和航空航天應(yīng)用（以及其他應(yīng)用）的理想選擇，在這些應(yīng)用中，最小化質(zhì)量至關(guān)重要。
• 減震：晶格結(jié)構(gòu)在耗散沖擊和沖擊載荷方面非常高效，因為單元配置有助于整個結(jié)構(gòu)彎曲和釋放能量。一些輕質(zhì)晶格可以有效地阻擋子彈。
• 增加表面積：一些應(yīng)用側(cè)重于最大化表面積而不是機械強度。例如，傳熱或化學(xué)反應(yīng)可能是主要目標。晶格結(jié)構(gòu)在這里很有用，因為它們在不增加其整體占地面積的情況下為零件提供了更多的表面。
• 骨整合：這是指在促進骨骼生長的醫(yī)療植入物中創(chuàng)建晶格結(jié)構(gòu)的方法。由此產(chǎn)生的植入物與患者自身的骨骼結(jié)構(gòu)形成更強的結(jié)合。

晶格結(jié)構(gòu)是否值得額外的復(fù)雜性？

通常，用于3D打印的晶格結(jié)構(gòu)使工程師能夠突破材料科學(xué)的極限，同時減少整體零件質(zhì)量。萊迪思結(jié)構(gòu)最近才開始從先進的航空航天應(yīng)用轉(zhuǎn)向更常見的消費類產(chǎn)品，這要歸功于3D打印機的日益普及和材料成本的降低。這種設(shè)計風(fēng)格之所以存在，僅僅是因為格子是如此高效。明智的做法是學(xué)習(xí)如何將它們整合到您的設(shè)計中，以利用它們的優(yōu)勢。要了解有關(guān)您的零件如何從晶格結(jié)構(gòu)中受益的更多信息，請立即聯(lián)系武漢易成三維科技