洞见|利用3D打印晶格结构进行创新

08.22.2023

Kirill Volcheck

蜂窝、蜘蛛网、树干、珊瑚,甚至你自己的骨骼有什么共同点?它们都是自然界里面的晶格结构。

这些强大的结构通常由规则的、重复的互锁“单元格”图案组成,从简单的盒子到复杂的连续曲面。其他晶格涉及更多有机的、不规则的结构。在这两种情况下,晶格结构由于其强度、柔韧性和表面积的独特组合而提供了独特的功能。

重要的是,在 3D 打印(也称为增材制造 (AM))出现之前,晶格结构不可能小规模制造。由于增材制造技术逐层添加材料,而不是从块材中去除或“减去”材料,因此它们可以使用从塑料到金属再到树脂的各种材料复制复杂的晶格结构。

晶格现已成为 3D 打印的标志,增材制造解决方案附带的工具使设计师和工程师能够在各种产品类型中使用它们。

但晶格不仅仅是一种不寻常的设计元素。正如我们将看到的,它们正在彻底改变从航空航天到运动鞋等许多行业的产品性能。

使用点阵结构的优点

晶格结构具有独特的属性,对产品设计师和工程师极具吸引力,因为它们提供了令人惊讶的强度和刚度,同时使用的材料比传统制造的零件更少。虽然这似乎是一个简单的概念,但它带来了广泛的优势:

减少材料
晶格比实体结构使用更少的材料。基本上,这些结构不会在对保持强度和刚度不重要的任何地方添加材料。这样做的经济影响可能是巨大的,使制造商能够以更少的材料投资和更短的打印时间生产相同数量的产品。重量更轻的产品也对提高燃油效率有很大帮助。晶格可以节省后端成本,因为 3D 打印比加工实心钛坯等材料消耗更少的材料。

表面积
晶格的独特结构使其总表面积比相同尺寸的固体部件大几个数量级。这对于使用表面积实现有效的流体、热或化学相互作用的应用(例如热交换器)特别有用。

强度重量比
为了提高零件的强度重量比,设计人员通常会去除非关键区域的材料。晶格结构提供了优化该过程的有效方法。由于其几何设计,晶格可以帮助实现显着的强度和刚度,同时最大限度地减少所用材料的数量。结果当然是比传统制造的零件更好的强度重量比。

设计灵活性
也许 3D 打印晶格提供的最重要的优势是设计师能够摆脱传统制造的规则和限制。在一套新的规则和可能性的控制下,晶格允许设计师追求创新、复杂和有机的设计,这些设计的性能与更传统的设计一样好甚至更好。

晶格结构有哪些不同类型?

晶格有几十种亚型,但这些结构往往属于几种大类之一。这些类别是根据晶格晶胞的几何形状建立的。

平面晶格
平面晶格是最简单的晶格类型。它采用二维(或平面)排列的单元(最常见的是蜂窝状),并在三个维度上拉伸它。平面晶格的其他示例包括 voronoi(多边形的混合)和 kagome(三角形)。

3D均匀/周期性晶格
这种类型的晶格,就像晶体一样,可以由棋盘格体积的 3D 单元构建。此类单元的示例是二十面体(不规则)、四面体(四个三角形面)、菱形(四边形)、十二面体、截角八面体或它们的组合。 3D Voronoi 是生成此类结构的另一种流行方法。

杆状晶格
杆状晶格(也称为单元杆状晶格)由一系列具有各种配置的互连杆(或梁)构成。支柱可以在顶点、边缘或面以及多个点处连接。使用 3D 统一图案或通过随机算法组合这些连接会产生各种晶格。

TPMS/隐式建模晶格
三周期极小曲面 (TPMS) 依赖于无法通过以下方式生成的复杂方程(例如 sin(x)cos(y) + sin(y)cos(z) + sin(z)cos(x) = 0)传统的 CAD 工具。其中最著名的是螺旋体,它天然存在于蝴蝶翅膀中,具有特殊的热机械性能。

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在 3DXpert 中重新设计了传统的 FCOC 热交换器,并用陀螺仪取代了原来的管道
(在 3DXpert 中重新设计了传统的 FCOC 热交换器,并用陀螺仪取代了原来的管道。)

晶格结构的设计应用

晶格结构创造了各种有趣且强大的设计机会,有助于解决制造中一些最持久的挑战。晶格结构的流行应用包括:

轻量化
由于晶格使用的材料较少,因此重量也较轻。这种晶格结构可用于“轻量化”,这是一种旨在以尽可能轻的结构实现特定性能规格的设计过程。
此过程通常需要增材制造设计 (DfAM) 工具的帮助,使设计人员能够创建使用传统 CAD 软件无法创建的形状和几何形状。
轻量化零件对汽车和航空航天制造的燃油效率具有重大影响,每节省一克就能大幅降低燃油成本。

热交换器
热交换器是一种促进两种不同温度的流体之间进行热交换过程的装置。您可以在许多工程应用中找到它们,例如制冷、供暖和空调系统、发电厂、化学加工系统、食品加工系统、汽车散热器和废热回收装置。
晶格为热交换器优化带来了新的机会,因为它们具有非常高的表面积与体积比,可以实现极其高效的传热。
最近,代顿大学研究所与 Oqton 合作,通过用螺旋结构取代原来的管子,重新设计了燃油冷却式油冷却器(FCOC)。陀螺仪用于增强传热,自动密封相对的流体域,优化流动路径,同时允许不同尺寸的流体域以适应燃料和油的不同粘度。

能量吸收
晶格结构是吸收冲击的理想选择。通过改变晶格的密度和细胞类型,设计师可以创造出比传统泡沫更有效地吸收能量并重新定向能量的结构。

这种在多个方向上吸收和重新分配冲击力的能力在需要坚固但灵活的消费品中具有广泛的应用,例如跑鞋和自行车头盔等。

骨整合
骨整合是将活骨组织连接到植入装置表面的过程。晶格结构特别适合促进骨骼生长的医疗植入物,因为它们可以作为植入物的一部分进行 3D 打印,而不是应用于机加工零件的单独涂层。
这些植入物中的晶格结构类似于多孔网格,其中孔径、支柱尺寸和孔隙率水平可以根据特定人的植入物进行调整。这可以实现更有效的骨整合,从而使患者更加舒适、细胞生长更快以及种植体和骨骼之间的结合更牢固。

数字发泡
由聚合物制成的晶格结构的行为与泡沫类似,它们可以变形并恢复到原来的形状。这些 3D 打印“泡沫”可用于增强自行车座椅、足球和曲棍球头盔、其他运动器材以及假肢装置的缓冲能力。

产品设计
借助 3D 打印晶格,产品设计和工程团队获得了解决一系列实际挑战的强大方法。换句话说,产品团队可以结合晶格的能力,以前所未有的方式减轻重量、增加强度、吸收能量和改进定制。此外,DfAM 工具使生成和应用这些晶格变得比以往更容易。

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晶格有时被用作眼镜的设计特征。使用 3DXpert 设计和制造。
(晶格有时被用作眼镜的设计特征。使用 3DXpert 设计和制造。)

3D 打印晶格的工业用途

增材制造的晶格结构已经在广泛的工业应用中产生了有意义的变化。其中一些包括:

汽车
保持必要强度的较轻部件在汽车领域非常有吸引力。例如,保时捷制造了一个 3D 打印的电动驱动外壳,其坚固的外部内部包含网格结构。网格结构使外壳重量减轻了 40%,电驱动器重量减轻了 10%。

在另一个例子中,一家名为 Puntozero 的意大利产品开发公司使用陀螺仪设计了一种用于高压转换器的冷板,与之前的设计相比,其重量减轻了 25%,表面积增加了 300%。

卫生保健
晶格结构已被纳入脊柱植入物中,用于治疗退行性脊柱疾病。这些网格结构降低了刚度,并允许将力传递到脊柱,这有助于减少植入物周围的骨萎缩。
膝关节植入物中使用的钛制成的晶格结构已被证明可以在膝关节置换手术后维持胫骨的自然机械负荷,这是传统金属植入物无法做到的。

航天
与汽车行业一样,3D 打印晶格结构使航空航天制造商能够大幅减少零件的质量,从而提高燃油效率并降低燃油成本。零件质量的任何减少也可以增加车辆的有效载荷,这直接影响盈利能力。
例如,起落架部件使用 3D 打印金属来提高可靠性,同时减轻重量,而发电机外壳则采用了超过 1000 万个元件的高密度晶格。晶格在航空航天中的其他流行应用包括前面讨论的热交换器以及吸收和重定向能量的结构,例如火箭主体中的振动吸收部件。

建筑学
晶格结构在建筑中很有吸引力,因为它们能够捕获非常大的表面积,同时最大限度地减少材料。例如,Branch Technology 使用碳纤维增强 ABS 塑料创建了 3D 打印网格,用作轻质且耐用的模块化墙壁系统的核心。

晶格结构的材料选择

晶格结构可以用多种材料制成,包括金属、聚合物和复合材料。为特定应用选择正确的材料非常重要,因为材料的选择会影响晶格的尺寸和密度。

一般来说,更软、更具弹性的材料需要更小、更密集的单元排列以及更厚的支柱和节点,以防止 3D 打印过程中下垂。金属和更坚硬的材料允许您使用更大的单元电池和更薄的支柱。

利用 3D 打印晶格克服挑战

虽然 3D 打印晶格结构为多个行业的产品设计师和工程师创造了重要的机会,但它们并不是灵丹妙药。正如它们提供独特的性能一样,它们也带来独特的挑战。

复杂的晶格可能难以打印,因为 3D 模型可能太大,计算机无法轻松地将其转换为可打印的 STL 文件。这可能会导致速度变慢并增加数据丢失的风险。这就是 Oqton 的 3DXpert 软件集成了设计和打印准备的原因,无需在打印前将晶格转换为 STL 文件。

对于骨整合产品,孔隙的分布是骨骼生长的关键成功因素,也是最难评估的设计方面之一。 3DXpert 包括专用的孔隙分布直方图,用于验证医疗产品的这些晶格。同样,该软件还包括用于理解医学应用中网格的开放侧与人体之间相互作用的工具。这些工具有助于防止任何可能导致组织损伤的尖锐、突出的支柱。

3DXpert 还允许设计人员检测和调整水平角度非常低的晶格支柱(这可能会影响可打印性),以及调整和定义专用切片参数以确保最佳的零件质量和更快的生产。

对于那些不太熟悉增材制造所有细节的人来说,创建具有复杂晶格结构的产品似乎也令人生畏。这就是 3DXpert 的热交换器应用程序非常有用的地方。它包括旨在简化晶格结构设计和增材制造工作流程的功能,因此团队可以轻松创建晶格结构并快速迭代以找到最佳方法。

保持 3D 打印晶格的领先地位

值得注意的是这些晶格结构有多新。其中一些几何形状在五年前实际上是不可能制造的。可以理解的是,产品设计师仍在探索如何在产品设计和新的 3D 打印技术中最好地利用这些结构。

最令人兴奋的是这些结构具有突破产品设计极限的潜力,从而带来更轻、更便宜、更高效的产品,并且超出了性能预期。

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