干貨——3D打印晶格激發(fā)產(chǎn)品重塑

增材制造技術(shù)的一大特點(diǎn)對(duì)復(fù)雜細(xì)節(jié)的制造能力，晶格結(jié)構(gòu)就是最典型一種復(fù)雜結(jié)構(gòu)。不僅僅起到輕量化的作用，還可以使結(jié)構(gòu)獲得材料最低填充量的同時(shí)滿足結(jié)構(gòu)剛性的需求，并且還可以吸收沖擊能量以減緩振動(dòng)或者達(dá)到噪聲絕緣的目的。南極熊覺(jué)得，當(dāng)3d打印的部件經(jīng)過(guò)輕量化和拓?fù)鋬?yōu)化后才可以體現(xiàn)3d打印的優(yōu)勢(shì)。

晶格結(jié)構(gòu)的超輕型結(jié)構(gòu)適合用在抗沖擊/爆炸系統(tǒng)、或者充當(dāng)散熱介質(zhì)、聲振、微波吸收結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，所以說(shuō)晶格可以是非常有用的，南極熊通過(guò)雷尼紹等幾家公司的一些研究來(lái)探討金屬3D打印過(guò)程中晶格的應(yīng)用，從而感受設(shè)計(jì)和制造晶格的挑戰(zhàn)。

圖片來(lái)源：雷尼紹，晶格的微妙畫(huà)風(fēng)

輕量化
晶格是輕量化的一大貢獻(xiàn)，通過(guò)消除不必要的材料，同時(shí)為剛性要求高的部分提供更堅(jiān)實(shí)的晶格結(jié)構(gòu)，減少材料浪費(fèi)。在設(shè)計(jì)輕量化結(jié)構(gòu)零件時(shí)，需要結(jié)合整個(gè)零件的功能實(shí)現(xiàn)，綜合考慮空隙精度、空隙率、空隙形狀、空隙大小、孔分布以及相互之間連通性等因素。

圖片來(lái)源：HiETA Technologies

上圖是直升機(jī)排氣噴嘴冷卻結(jié)構(gòu)的原型， 是HiETA Technologies設(shè)計(jì)和制造的，材料為Inconel 625合金。 晶格用在該結(jié)構(gòu)中提供結(jié)構(gòu)剛度和熱傳遞作用。輕量化的設(shè)計(jì)不僅僅通過(guò)減少材料的浪費(fèi)來(lái)降低構(gòu)件的成本，由于較短的構(gòu)建時(shí)間，使得加工成本也降低了（考慮到增材制造設(shè)備的使用壽命與折舊因素）。

減重效果，圖片來(lái)源：雷尼紹

功能晶格
除了減重，晶格結(jié)構(gòu)也可以帶有功能性的作用，包括能量吸收、熱絕緣、熱交換、生物相容這樣的功能。

能量吸收
一個(gè)有前途的應(yīng)用領(lǐng)域是能量的吸收，晶格的兩種動(dòng)態(tài)屬性，其中一種是壓縮屬性，另一種是晶格結(jié)構(gòu)的彈性屬性。在加載了沖擊之后，彈性和壓縮行為表現(xiàn)出了快速的集體反應(yīng)。通過(guò)對(duì)晶格材料的定制化設(shè)計(jì)，特別是針對(duì)應(yīng)用的具體需要，精確設(shè)計(jì)制造特殊的晶格材料。

晶格結(jié)構(gòu)的變形特性取決于其幾何特征（拉伸或彎曲為主） 和構(gòu)成材料（特別是其延展性）。 在這個(gè)領(lǐng)域，英國(guó)的謝菲爾德大學(xué)做過(guò)詳細(xì)的研究：《Energy absorption in lattice structures in dynamics: Experiments》(《動(dòng)力學(xué)中的晶格結(jié)構(gòu)的能量吸收》)。

熱絕緣
通過(guò)一個(gè)晶格結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品的重量占無(wú)晶格結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品的重量比就可以知道其余的部分是充滿空氣的�？紫堵蕦�(duì)限制熱傳導(dǎo)是有用的。 熱量通常通過(guò)金屬部分快速傳導(dǎo)出來(lái)，而無(wú)疑那些有著更加復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使得熱量的傳導(dǎo)變得蜿蜒曲折。

而通過(guò)空氣傳導(dǎo)的熱量則比金屬低得多，因?yàn)橐粋�(gè)一個(gè)的小格中對(duì)流得不到建立， 氣體被困在格與格的支柱之間， 相對(duì)較少的熱量會(huì)通過(guò)氣體傳導(dǎo)出來(lái)，但氣體的傳導(dǎo)系數(shù)比金屬低得多。

熱交換
晶格使得冷卻器具有很高的比表面積，可以用來(lái)將熱氣流的熱量轉(zhuǎn)移到周圍的空氣中。 另外一個(gè)思路，如果金屬中充滿了熱量，通過(guò)充滿冷空氣，也可以快速帶走金屬的熱量。

圖：Swansea大學(xué)學(xué)生設(shè)計(jì)的方程式賽車散熱器

除了賽車的散熱器，另外，在上面輕量化的直升機(jī)排氣噴管的例子中，晶格結(jié)構(gòu)用于傳熱，熱廢氣流動(dòng)起來(lái)通過(guò)中央通道，而較冷的氣體從轉(zhuǎn)子下沉氣流穿過(guò)周圍晶格，從而降低直升機(jī)的排氣溫度。

多孔表面
整形外科植入物通常需要多孔的表面設(shè)計(jì)以促進(jìn)骨結(jié)合，植入物的表面覆蓋著一個(gè)精心設(shè)計(jì)的層格，使得活骨細(xì)胞生長(zhǎng)進(jìn)來(lái)。

圖片來(lái)源：Betatype

上圖是雷尼紹AM250加工出來(lái)的髖臼杯，通過(guò)歐特克的within創(chuàng)成式設(shè)計(jì)軟件和Betatype的晶格設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)出來(lái)。

可以說(shuō)，晶格具有許多吸引人的特質(zhì)，盡管他們的復(fù)雜性和微妙對(duì)設(shè)計(jì)和制造帶來(lái)不小的挑戰(zhàn)。在這里，3D科學(xué)谷僅僅起到拋磚引玉的作用。

晶格設(shè)計(jì)
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，但顯然是在非常小的尺度。 這些復(fù)雜的細(xì)觀結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生附加長(zhǎng)度尺度從微米到毫米的變化。

圖片來(lái)源：雷尼紹

上圖為不同尺度的體心立方晶格的不同尺度。 具體達(dá)到多小，與激光的光斑直徑和粉末粒度有關(guān)，本圖中最小的為70微米的激光光斑加工出來(lái)的。

晶格結(jié)構(gòu)的分布可以是大小均一的也可以是不規(guī)則的，旨在提供同質(zhì)或異質(zhì)的特性。 不同的分布可以改變整個(gè)晶格體積調(diào)整其性能，特別是不同位置其密度和剛度情況。

圖片來(lái)源：Betatype

上圖是英國(guó)的帝國(guó)理工學(xué)院醫(yī)學(xué)工程團(tuán)隊(duì)通過(guò)雷尼紹的AM250加工出來(lái)的股骨截面，股骨的骨小梁形成一個(gè)優(yōu)雅的內(nèi)部三維格子，模仿天然骨的結(jié)構(gòu)。

來(lái)源：3d科學(xué)谷
延伸閱讀：
SView輕量化的三維可視化軟件 – 隨時(shí)隨地暢覽3D模型
3D打印實(shí)現(xiàn)輕量化的四種途徑