3D打印點陣結構的特殊屬性及應用場景

來源：增材制造技術前沿

隨著3D打印運動鞋的普及，晶格結構開始走入人們的視野，它不僅能夠實現輕量化，還能起到緩震防護、吸振降噪的作用�？梢哉f這種結構是專為增材制造而生，同時它也給工程師提供了更加廣闊的探索空間。

△點陣結構在多領域廣泛應用

除了3D打印運動鞋，點陣結構也可廣泛應用于其他領域，不僅包括火箭、潛艇，還包括高鐵、飛機。本期3D打印技術參考將從點陣結構性能的角度介紹其應用，并帶來該結構的設計考慮因素。

點陣結構的性能及適用領域

1. 優(yōu)良的強度—重量比
提高部件強度—重量比的方式主要有兩種：在傳統(tǒng)制造中可以通過減少非關鍵區(qū)域的材料來減輕重量；在增材制造中，甚至可以將關鍵區(qū)域的材料網格化，雖然整體的強度會有所降低，但不失為一種提高強度重量比的好方法。

△3D打印的點陣結構F1賽車氣缸蓋

△3D打印的高強度石墨烯，比不銹鋼高10倍，密度僅為5%，結構是關鍵

此外，點陣結構具有高度的空間對稱性，可以將外部載荷均勻分解，在實現減重的同時保證承載能力。該結構在航空航天、醫(yī)療、汽車、船舶制造等需要高強度—重量比的行業(yè)具有重要用途。

△3D打印的網格結構植入物，保證強度同時減輕重量

2. 超大的比表面積
點陣結構不僅重量輕，而且具有超大的比表面積，這對于促進熱交換和化學反應具有很大優(yōu)勢。

傳統(tǒng)散熱器的散熱片多是各自分開的，通過釬焊組成一個整體，不同部件之間的結合增加了熱阻，從而降低了熱效率。3D打印除了實現結構的一體化制造外，獨特的晶格結構顯著增加了表面積，從而能夠以更經濟的方式實現更高的換熱效率。事實上，這種效率增益可以在許多不同類型的熱交換器應用中實現，這些具有大表面積的小特征結構在沒有3D打印的情況下幾乎是無法制造的。

△雷尼紹3D打印的鋁合金點陣結構賽車渦輪中冷器

目前，從汽車、航空航天、能源到電子行業(yè)等都在嘗試使用點陣結構提高熱交換效率，所使用的3D打印工藝從激光粉末床熔融到電子束熔化都可實現。

3. 出色的減震和沖擊保護

點陣結構還可以通過更好地吸收沖擊能量起到防護功能，基于此可以制造防護體育器材，也可以在在電子元件周圍或內部使用晶格來保護免受外部動態(tài)環(huán)境的影響。

△Carbon 3D打印的點陣結構橄欖球頭盔內襯

Carbon公司推出了一系列定制化的3D打印晶格結構，它們認為這些產品可能會影響甚至改變當前的泡沫制造業(yè)。由樹脂材料制造的點陣結構不盡透氣而且具有很好地彈性和舒適性，它們可以廣泛應用于汽車座椅、矯形墊、頭盔、耳機以及鞋類等體育器材的制造。

4. 理想的吸振和降噪功能

飛機、火箭在推進過程中產生的振動會使飛行器發(fā)送顛簸，也會增加對部件的磨損；高鐵在運行時車體外的湍流邊界層也會產生強烈的隨機聲學激勵和振動，同時有巨大的氣流沖擊車身；此外，解決潛艇的結構振動和確保低躁隱蔽性，也是力學和聲學領域具有重大意義的課題之一。

△3D打印的點陣結構可吸收振動又可承重

在主體結構中設置阻尼器的傳統(tǒng)被動控制，必然會增加主體結構的重量，而點陣結構作為一種典型的周期結構，通過對具有頻率禁帶的點陣進行周期型設計，以調節(jié)其頻率禁帶的寬度、深度和頻段位置，可以實現對結構的振動和噪聲的有效控制，同時還能減少附加質量以及外界能源的供給。

點陣結構的設計規(guī)則
點陣胞元結構的形式眾多，它們是點陣中的基本單元，常見的胞元結構有立方體、星形、八角形、六邊形、菱形和四面體等。這些結構可以通過設計軟件在結構體中實現陣列組合，其設計規(guī)則主要包括以下幾方面：

1. 胞元結構的大小和密度

胞元結構的大小和密度是指單個胞元的大小以及在一個空間內胞元的數量。胞元本身的大小取決于其節(jié)點和連接節(jié)點的梁寬度和長度。較大的胞元更容易打印，同時強度也更高；較小的胞元相對更均勻，但會受到打印工藝特征尺寸的限制。

△單個產品不同位置上設置不同的胞元密度

2. 材料選擇
制造材料決定了點陣的特性和應用。彈性或軟質材料點陣結構的胞元需要更小更密集，以防止打印過程中的塌陷；剛性材料胞元結構具有更大的設計范圍，尺寸可以比較大、數量也可以更少，但仍需要注意梁的走向，同樣是為了防止打印失敗。目前，我們已經可以接受點陣結構既可以是樹脂形式，也可以是金屬形式。

3. 胞元結構方向
通常情況下，點陣結構會默認為不需要支撐，這一方面需要注意設計過程中的設計極限，如橫梁寬度、梁的傾斜角度等等；另一方面也需要注意擺放角度，選擇最理想的零件自身支撐擺放方向，盡可能降低加工成本并減少后期處理工作。

多孔和周期點陣結構具有輕質、隔聲和減振等優(yōu)越性能，在航空航天、高速列車、汽車、船舶、潛艇等領域具有十分廣闊的應用前景。但點陣結構的建模和驗證仍存在不少挑戰(zhàn)，在3D打印工藝本身比較成熟的情況下，如何驗證設計的可靠性，如何避免因制造過程產生的其他問題是接下來需要考慮的問題。在此方面，模擬仿真可能可以發(fā)揮重要作用。