在汽車(chē)零件、醫(yī)療植入物、跑鞋或徒步背包中，我們看到越來(lái)越多帶有格子或蜂窩圖案的3D打印零件。您可能會(huì )認為這些晶格結構（或英文稱(chēng)為晶格結構）是3D打印和增材制造設計(DfAM)的最新創(chuàng )(chuàng)新。事實(shí)上，我們不斷地被自然的晶格結構所包圍。想想蜂窩、雪花、柵欄、海綿，甚至埃菲爾鐵塔。

晶格或點(diǎn)陣結構由以模式（稱(chēng)為單元）連接的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)(wǎng)絡(luò )組成，這些節(jié)點(diǎn)不斷重復或變化，從而在零件性能或生產(chǎn)(chǎn)方面提供好處。在傳統(tǒng)制造中，晶格很少見(jiàn)，因為這些工藝無(wú)法產(chǎn)(chǎn)生如此復雜的設計。這就是增材制造的優(yōu)(yōu)勢所在，使晶格和3D打印成為完美的組合。

3D打印晶格（圖片來(lái)源：Sculpteo）

在討論3D打印晶格結構之前，我們首先了解一下可用的晶格類(lèi)型。原則上，格子是通過(guò)使用線(xiàn)段連接節(jié)點(diǎn)而形成的。根據(jù)線(xiàn)段和節(jié)點(diǎn)的排列，可以出現(xiàn)規(guī)則或不規(guī)則的圖案。通過(guò)修改分段的密度以及單元的幾何形狀和尺寸，人們可以調整零件的彈性或剛度等屬性。格架的類(lèi)型多種多樣，并且正在進(jìn)行研究以開(kāi)發(fā)(fā)更加多樣化和高效的格架。然而，最常見(jiàn)的格子可以分為幾類(lèi)：

<!--[if !supportLists]-->1、<!--[endif]-->平面晶格：這些晶格基于形成三維部分的平面二維結構。由于各層是單獨打印的，因此可能需要隨后將它們組裝起來(lái)。這種類(lèi)型的晶格包括四面體圖案、Voronoi晶格以及菱形和六邊形晶格（例如蜂窩）。

<!--[if !supportLists]-->2、<!--[endif]-->支柱晶格：這些晶格由連接的段組成，這些段通過(guò)連接單元的節(jié)點(diǎn)、角或邊緣形成網(wǎng)(wǎng)絡(luò )。打印層重疊并貼合在一起。格子可能需要用支撐材料加固。

<!--[if !supportLists]-->3、<!--[endif]-->TPMS（三周期最小表面）晶格：這些晶格基于確定單元的三角方程。格子的基本形狀可能會(huì )有所不同。

有多種3D打印晶格結構可供選擇。（圖片來(lái)源：深圳JR科技）

格子也可以分為周期性格子和隨機格子。周期性晶格在整個(gè)結構中保持均勻的圖案，而隨機晶格則具有細胞形狀、大小和排列的變化，以在某些方向上強化結構。

晶格的選擇取決于其最終目標。設計考慮了合適的幾何形狀和尺寸以及所需的剛性。還分析了屈曲行為，即結構在壓力下如何屈服以及向哪個(gè)方向屈服。此外，人們經(jīng)(jīng)常質(zhì)疑網(wǎng)(wǎng)格在變形時(shí)能否吸收能量。

晶格的設計和3D打印

要設計3D打印的晶格，需要專(zhuān)門(mén)的設計工具。盡管一些建模軟件提供了晶格的基本功能，但特定于拓撲優(yōu)(yōu)化或生成設計的軟件更可靠。生成設計根據(jù)零件所需的屬性和所選的打印方法計算最佳設計。如果設計包含晶格，則還計算它們的單元、密度和排列。

許多工具可用于優(yōu)(yōu)化3D模型和創(chuàng )(chuàng)建晶格結構，包括Autodesk Within、nTopology的nTop、Meshify、Core Technologie的4D_Additive、Netfabb或Hyperganic的HyDesign。設計的選擇取決于應用、材料和打印技術(shù)。

借助Hyperganic的HyDesign，您可以設計晶格結構。（圖片：Hyperganic）

使用3D打印生產(chǎn)(chǎn)晶格結構要容易得多，因為它們通常非常復雜和精致。此外，打印晶格比打印實(shí)體結構更快。理論上，可以使用多種材料和打印技術(shù)，但每種工藝都有其特殊性：

<!--[if !supportLists]-->1、<!--[endif]-->在FDM和SLA打印中，大型晶格結構需要支撐結構。

<!--[if !supportLists]-->2、<!--[endif]-->對于SLS或MJF等粉末工藝，必須提供足夠的接入點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)高效除粉。

<!--[if !supportLists]-->3、<!--[endif]-->在DMLS中，必須考慮額外的支撐以避免無(wú)支撐橋的2mm限制。

通常從設計階段就考慮到這些特殊性。

零件的所需特性及其應用被集成到桁架結構的設計中。（圖片來(lái)源：nTopology）

棚架的挑戰(zhàn)和好處

主要挑戰(zhàn)包括單元方向、光束之間的距離以及相對于打印平臺的角度。網(wǎng)(wǎng)格必須既滿(mǎn)足最終作品的目標又可行。此外，點(diǎn)陣設計的數(shù)字文件可能非常大（超過(guò)1 GB），需要大量的計算能力進(jìn)行模擬。

然而，它的優(yōu)(yōu)點(diǎn)有很多：

<!--[if !supportLists]-->1、<!--[endif]-->節(jié)省材料：晶格可以生產(chǎn)(chǎn)更輕的零件，降低成本并提高性能，特別是在輕質(zhì)結構領(lǐng)域。

<!--[if !supportLists]-->2、<!--[endif]-->提高質(zhì)量：網(wǎng)(wǎng)狀材料可改善減震、增加靈活性，或者相反，增強產(chǎn)(chǎn)品的剛性，使其更耐用。

<!--[if !supportLists]-->3、<!--[endif]-->具體應用：晶格可增加熱交換器中的熱交換表面積，并刺激醫(yī)療植入物中的骨骼生長(cháng)。

Toucan Beak，一種內(nèi)部具有晶格結構的3D打印熱交換器。（圖片來(lái)源：Aidro）

3D打印晶格的應用

現(xiàn)在讓我們繼續(xù)討論3D打印晶格展示其潛力的一些應用領(lǐng)域。在醫(yī)療領(lǐng)域，網(wǎng)(wǎng)格不僅用于前面提到的植入物，還用于假肢和矯形器，以?xún)?yōu)(yōu)化重量、強度或舒適度。

桁架結構在需要高性能和輕量化的應用中特別有利，例如汽車(chē)、航空航天和航天工業(yè)(yè)。例如，使用nToplattice和Shell&Lattice，Aerojet Rocketdyne能夠將四發(fā)(fā)動(dòng)機缸體的重量減輕67%，并將生產(chǎn)(chǎn)成本降低66%。

使用晶格結構減輕重量的Aerojet Rocketdyne發(fā)(fā)動(dòng)機缸體（圖片來(lái)源：nTopology）

但格子在體育和消費品領(lǐng)域也變得越來(lái)越重要和受歡迎。我們看到越來(lái)越多的3D打印防護裝備和網(wǎng)(wǎng)狀襯墊。這些格子存在于自行車(chē)鞍座、頭盔襯墊、防護服等以及鞋子的中底中。特別是對于跑鞋，我們希望能有更好的能量傳輸和更高的性能。

這個(gè)邏輯也適用于汽車(chē)座椅或背包。例如，戶(hù)外裝備專(zhuān)家Oechsler使用Materialise的Magics工具來(lái)提高其采用格子結構的創(chuàng )(chuàng)新背包的舒適度。家具也開(kāi)始采用格子，盡管在這種情況下，美觀(guān)似乎優(yōu)(yōu)先于亮度。

這些例子表明晶格已經(jīng)(jīng)存在于許多應用中。隨著(zhù)3D打印工業(yè)(yè)化的進(jìn)展和設計可能性的不斷發(fā)(fā)展，這種趨勢不僅預計將持續(xù)下去，而且在未來(lái)還會(huì )加劇。

用于減震和提高舒適度的網(wǎng)(wǎng)格結構（圖片來(lái)源：Oechsler）

編譯整理：3dnatives