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(gòu)件組成，類似于我們熟悉的輕量級超級結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)被稱為“彎曲主導’，這些結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)中進行的，實驗結(jié)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(jié)構(gòu)應用到增材制造的建模設計中來，并通過這些細觀結(jié)構(gòu)提供特定的力學性能。

▲：纖維結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(jié)合其他建模技術(shù)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(jié)構(gòu)上也實現(xiàn)更加靈活的構(gòu)造，進一步減輕重量，并通過晶格的細觀結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(gòu)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(gòu)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(diào)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(gòu)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(gòu)建完成后，下一層鋪粉的時候粉刷的材質(zhì)不能過于剛性，過于剛性的粉刷容易將晶格的微小結(jié)構(gòu)借助殘余應力帶來的熱變形而將剛剛構(gòu)建好的結(jié)構(gòu)進一步破壞掉。

▲體積8000立方厘米鈦合金晶格結(jié)構(gòu)，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(zhì)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)上積極探索的企業(yè)。根據(jù)3D科學谷的市場研究，國內(nèi)像鉑力特、中國空間技術(shù)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