本帖最后由 warrior熊 于 2023-6-20 21:55 编辑
南极熊导读：3D 打印中的晶格结构是一种强大的设计工具。精心设计的晶格结构可以使零件更轻、更坚固，更有效地吸收冲击力，并更好地根据最终用途进行定制。了解如何使用和创建这些结构是 3D 打印原型和生产部件的产品工程和工业设计的重要组成部分。
△设计成晶格结构的3D打印头盔（来源： Carbon 3D）
晶格结构实际是3D打印填充模式的一种特殊应用，但大多数非专业设计师都没有充分将其作用充分发挥出来。如今，先进的增材制造设计软件在自动生成各种晶格结构方面有着巨大优势，这为晶格结构应用于运动设备、火箭推进器以及医疗植入物等领域奠定了良好的基础。
△由于晶格结构壁设计，这种单件式火箭推进发动机的 3D 打印重量更轻（来源：SLM Solutions）
在本期文章中，南极熊对使用晶格结构设计零件的基本要点进行了逐一介绍，包括晶格结构的优势、不同类型的晶格、如何使用它们以及何时使用，并展示了世界各地的设计师和工程师如何使用晶格来创造性能极佳的创新产品：从 Adidas 跑鞋和 Specialized 自行车座垫到工业散热器和矫形膝关节植入物。最后，介绍了将晶格结构应用到设计中所需的顶级软件。
要点 1. 为什么要使用晶格结构
△Aidro3D 打印的具有晶格内部结构的热交换器—— Toucan Beak（来源：Aidro）
晶格具有一些独特的特性，在设计零件或产品时具有很大的优势，而传统制造方法几乎无法复制这些特性，例如：
减少材料使用
在您的设计中使用晶格可以通过移除非关键区域的大部分材料来显著减少材料的使用量。如果目标零件是使用基于粉末或树脂的 3D 打印工艺制造的，则可以节省大量成本。
△尽管大小相同，但右侧的晶格结构的表面积比左侧的圆柱体大 4 倍，重量轻 4 倍（来源：Printpool）
轻量化
减少材料使用还有另一个好处——减轻重量。在许多应用中，零件或组件的最终组装质量是一个严格约束的目标，通常越轻越好。根据所选的晶格类型，重量减轻效果可能非常显著，这具有许多优势，从减少汽车应用中的燃料使用到缩短医疗案例中的患者恢复时间。
吸收能量
晶格结构具有许多有利于吸收能量的特性。通过改变不同区域的密度甚至细胞类型，可以进行设计以有效地吸收不同方向的能量。与广泛产品中使用的标准泡沫相比，复杂的晶格结构可以在多个方向重新定向和更好地分配能量以吸收冲击力，同时利用现代增材制造树脂的各种特性。
△CCM SuperTacks X 是世界上第一个 3D 打印曲棍球头盔内饰，用Carbon 3D 的 NEST Tech 晶格取代传统的通用泡沫衬垫以增强保护（来源：Carbon 3D）
增加表面积
晶格的表面积比相同大小的实体组件的表面积大许多倍。这对于涉及依赖高表面积实现其功能的热交换或化学催化的应用非常有用。
美观
除了晶格的许多技术优势外，很难忽视它们具有独特而美丽的美感。越来越多的产品设计师选择将晶格元素融入消费产品设计中，仅仅是为了外观。
要点 2. 晶格结构类型
△Carbon的 Design Engine 晶格生成软件中使用的晶格类型（来源：Carbon）
关于晶格类型的定义，Anton du Plessis等人对此做出了系统地论述，相关研究以题为“Properties and applications of additively manufactured metalliccellular materials: A review”的论文被发表在《Progress inMaterials Science》期刊上。
所有晶格类型都是基于同一个晶胞在多个方向上重复复制以使结构成为一个整体的重复单元，以下是按细胞类型划分的晶格类型：
TPMS晶格
当使用三角方程生成晶胞时，会创建三重周期最小曲面 ( TPMS ) 晶格。例如，“陀螺仪”TPMS 单元由单元内的所有点组成，并适用以下等式：
sin(x)cos(y) + sin(y)cos(z) +sin(z)cos(x)=0
像这样不同但相似的方程产生不同的 TPMS 晶格类型。
支柱晶格
支柱晶格（或梁状晶格）由相互连接的梁组成，按照晶胞定义的各种模式连接。支柱可以通过立方体的顶点、边和面连接，这些连接点的不同组合产生不同的类型。
平面晶格
平面晶格是最简单的晶格类型，是在 3D 中挤压 2D 晶胞时创建的。最常见的平面晶格类型是蜂窝结构。
通过在不同方向随机改变其参数，这些类型的格中的每一种也可以从周期性格变成随机格。通过在每个方向上赋予结构相似的属性（使其各向同性），这在某些应用中可能具有优势。
当涉及到晶格生成软件时，可能会遇到以下晶格类型： - 二十面体：以空间中点的排列为特征的不规则晶格。
- 四面体：基于具有四个三角形面的四面体的晶格。每个顶点都通过边连接到三个相邻的顶点。
- 菱形：晶格中的晶胞为菱形（等长的四边形），并且它们在其顶点或边缘处连接到相邻的晶胞。
- Voronoi：一种晶格，其中根据与一组种子点的接近程度将空间划分为单元格。
- Kagome：由三角形单元的重复模式组成的晶格结构
要点 3. 在实际产品中应用晶格结构
许多不同的行业在设计新产品时都利用了晶格结构的特性，近年来，以晶格结构为关键特征的新应用和新想法大量出现。下面列出了一些最令人兴奋和创新的产品。
汽车
△DynamisPRC 电动赛车的 Puntozero 冷板（来源：nTop）
意大利产品开发机构 Puntozero 与 Formula SAE 团队 Dynamis PRC 合作，为其高压转换器设计了这种不同寻常的冷板（见上图）。基于螺旋形单元电池的变形版本，该冷板结构比以前的设计轻了 25%，表面积增加了 300%。使用nTop 软件设计。
医疗
△NanoHiveMedical 骨科植入物使用促进骨骼生长的晶格结构（来源：NanoHive Medical）
NanoHive Medical是一家美国公司，专门设计在手术中用于治疗退行性脊柱疾病的独特脊柱植入物。在这种情况下，晶格设计用于降低植入物的刚度，允许将更多的力传递到脊柱本身，从而减少钛植入物周围的骨萎缩。
膝关节和髋关节植入物中的晶格结构已被证明可以促进植入物中的骨组织生长，称为骨整合。Bone& Joint Research 杂志最近的一项研究发现，3D 打印的“钛晶格植入物在部分或全膝关节置换后保持了胫骨近端的自然机械负荷，但传统的固体植入物却没有。
△3D 打印植入物上的随机晶格结构可以使用 Genysis（左）和 nTop（右）等软件进行设计。
医疗植入物中的格状结构并不完全均匀，而是像海绵一样。我们通常用来创建这种骨骼结构的块状结构类型称为小梁晶格或随机晶格。这些晶格称为仿生小梁骨类型，并且在基本水平上基本上是随机泡沫孔结构。专业的计算机辅助设计 (CAD) 软件使植入工程师能够将这种类型的表面结构应用于金属植入物。
体育器材
△可变晶格结构使 3D 打印自行车座椅具有不同的支撑区域。前两个，来自 Specialized 和 Fizik，都是用柔性树脂在 Carbon 3D 打印机上打印的；Posedia 的第三个是为个人骑手定制的，并在 HP Multi-Jet Fusion机器上用 TPU 3D 打印（来源：Specialized、Fizik、Posedia）
自 2019 年推出Specialized lattice 自行车座垫以来，3D 打印自行车坐垫这一概念开始流行起来。一些自行车设备制造商已经推出了他们自己的鞍座版本，这些鞍座抛弃了泡沫填充物并选择了晶格结构。这一进步通过在不同区域 3D 打印不同的晶格形状和尺寸来产生可变支撑。制造商吹嘘这些鞍座的耐用性，以及提供通风和易于清洁。Posedia Joyseat（上图右）是为每位骑手定制和定制的，这是一种专门开发的泡沫块，骑行者坐在上面根据其坐姿创造定制的骨骼宽度和重量分布。
头盔是轻型和减震晶格结构的另一个理想应用场景，通常被称为“数字泡沫”。它们已通过各种方法和材料应用于NFL 橄榄球头盔、 NHL曲棍球头盔、奥林匹克雪橇头盔和自行车头盔。事实上，NFL 的 2023头盔实验室测试性能结果对市场上的一系列头盔进行了排名和评级，并将具有 3D 打印晶格结构的两款头盔排在第一和第二位。
△3D 打印晶格结构是头盔中泡沫的理想替代品，具有出色的抗冲击性（来源：Farsoon、Carbon、EOS）
Riddell 的橄榄球头盔和Hexr的自行车头盔是头盔中两种不同晶格结构方法的例证。虽然两者的设计都是为了尽可能有效地吸收冲击力和保护使用者，但区别在于制造方法和晶格类型，以及运动方式。Hexr 头盔主要采用平面六边形晶格结构，采用 SLS 打印技术生产，并使用坚硬的尼龙 6 材料制成。另一方面，Carbon Riddell 头盔使用高阻尼 DLP 弹性体和由 140,000 多个独立支柱制成的复杂多区域网格。该过程依靠 Riddell 的 Precision-fit 头部扫描技术和 Carbon Lattice Engine 来设计适合每个球员头部和位置的头盔内衬。
为了简化材料、晶格形状和应用的匹配研发过程，特别是用于头盔，美国陆军发展指挥部士兵中心责成初创软件公司General Lattice开发一个预测性建模工具集，以设计和生成基于真实世界数据的晶格材料。该工具集建立在1000多万个物理数据点上，是一个可搜索的数据库，允许用户根据机械性能查询晶格材料。GeneralLattice公司的联合创始人Nick Florek说："提供使用户能够预先了解晶格结构的影响潜力的工具，可以降低误用的风险，并建立人们对 3D 打印能够像宣传的那样交付的信心。"
尽管陆军仍在坚持使用其工具集，但 General Lattice 有一个名为Frontier的公共版本，它提供了一个免费搜索的经过验证的机械性能数据库，以支持用户选择最佳的晶格、材料和硬件组合。
换热器
△GEAdditive 的晶格结构设计的散热器（来源：GE Additive）
增材制造可实现任何其他制造类型无法实现的几何形状，从而使更小、更高效的热交换器成为可能。上面这个复杂的热交换器由GE设计，用于优化 900°C 二氧化碳的流动，是复杂晶格结构与金属增材制造相结合时可以实现的卓越性能的一个很好的例子。GE 在他们的设计中采用了仿生学方法，模仿人类肺部的特性以促进有效的热交换。Conflux等公司专门为各种行业专门设计使用晶格的 3D 打印热交换器。
消费产品
△阿迪达斯运动鞋采用 3D 打印冲击吸收网格结构（来源：Carbon）
Adidas Athletic Footwear 与 Carbon 3D 合作，于 2017 年推出了4DFWD鞋——这是采用 DLP 树脂技术制造的一系列运动鞋中的最新款。这双鞋的中底采用晶格结构，旨在利用其定制的 FWD 单元推动跑步者前进。
要点 4. 晶格结构的局限性
△AntaresVersus Evo 00 Adaptive 座垫采用 Carbon 3D 打印机打印，具有经过调整的晶格结构区域，可提供最佳机械响应（来源：Carbon）
尽管是一个强大且未得到充分利用的功能，但晶格结构确实有一些局限性，认真对待在实际产品中使用它们的工程师和设计师需要考虑这些局限性。
制造方法的经济性
尽管制造复杂非平面晶格结构的传统方法确实存在，但总的来说，它们不如增材制造方法有效。因此，在将晶格纳入设计时，应仔细考虑增材制造特有的经济性、时间尺度和材料选择，尤其是在其他区域设计时考虑了注射成型等技术的情况下。
模拟过程复杂
当涉及大型晶格结构时，应力模拟，尤其是那些使用有限元方法的模拟，可能需要大量计算。大多数方法（包括上面提到的几个软件包使用的方法）都涉及在整个结构中推断晶胞的属性，但如果晶胞类型和大小差异很大，那么物理测试可能是准确评估晶胞性能的唯一方法非常大和复杂的晶格设计的性能。
文件内存大
同样，当将具有大晶格部分的零件设计转换为 STL（无论好坏，它仍然是增材制造中最常用的文件类型）时，文件大小超过 500MB 甚至 1GB 是常见的。这通常意味着进一步的处理和切片对于除了最强大的计算机之外的所有计算机来说都是一个缓慢而困难的过程。减小网格的大小当然是可能的，但这会大大简化单元，如果不小心操作，最终零件上会出现一些三角形单元。
晶胞类型有限
晶胞的类型是晶格结构最重要的特征之一，并且决定了整个结构将拥有的大部分不同特性，但大多数工程师和设计师可以轻松选择的选项有限. 一些软件包允许设计和创建新类型，但即使可以访问这些程序，这也是一项高度专业化和技术性的任务。
要素 5. 生成晶格结构的最佳软件
在CAD 软件中的晶格生成软件和晶格特征是创建晶格结构是一种常见的手段。与通常可用于 FDM 打印的各种切片程序相比，这些软件程序可用于创建用于多种用途的晶格，而不仅仅是作为材料填充，并且通常不用于直接生成 G 代码。
软件选项中有广泛的复杂性和功能，所以一定要有选择性，下面列出了一些典型的软件工具：
nTop
△nTop中新的场驱动设计使工程师能够使用仿真结果作为设计参数来控制您的设计。在这种晶格结构换热器中，模拟工具表明，收紧晶格可以改善传导，而在对流更重要的区域，晶格结构会松散（来源：nTop）
nTop 提供多种晶格选项和功能，使其比许多 CAD 程序更快。由于该软件基于隐式建模，其中 3D 几何被定义为数学函数，而不是外表面和边缘，因此工程师可以快速生成复杂的结构（如晶格），同时为自动化设计循环提供所需的可靠性。
nTop 包含的点阵功能非常强大，几乎可以完全控制点阵结构的各个方面，包括定制晶胞的能力。基于现场的设计对于成熟的 CAD 用户来说是一个需要熟悉的棘手概念，但是一旦克服了学习曲线，使用该套件进行设计的可能性将是无穷无尽的。
nTop 具有该公司所谓的 GPU 加速功能，可以快速实现晶格结构的实时可视化。该软件使用户能够预览设计更改并在几秒钟内重建高度复杂的网格。用户还可以调整空间中每个点的晶格周长，并将您的首选项保存在可重复使用的工作流程中。
Altair Sulis
去年，CAD 软件巨头 Altair 收购了一家英国小公司，该公司开发了一种名为 Sulis 的强大点阵工具。它现在是Altair公司的三个点阵产品之一，但却是该公司最出色的点阵工具。Sulis 用于创建复杂的晶格结构和流体流动通道，用于航空航天、汽车、医疗和工业机械等一系列行业。它是一种 3D 打印设计软件工具，具有专门为晶格化定制的隐式建模内核和一键式晶格创建功能，Sulis使用户能够向模型添加轻量级结构并微调它们的属性，可以创建任何比例的复杂几何体。
Altair公司表示：“由于Sulis 是专门为增材制造创建的 CAD 工具，工程师可以设计真正利用增材制造自由度的零件，释放隐式几何的力量并降低代价高昂的 3D 打印失败的风险。”
Sulis工具主要特征： - 一键创建晶格
- 定制晶格结构的属性
- 晶胞类型范围
- 流动路径的实时视觉反馈
- 简单的共形几何
- 自支撑流体通道
Autodesk Fusion 360 & Netfabb
如果您已经是 Autodesk 用户，那么自 2022 年 1 月以来，Fusion360 中已经提供了一些晶格结构选项，但为后期扩展预留了更广泛的晶格生成模式。自 2022 年 9 月以来，Autodesk 将该晶格设计功能添加为所谓的“设计扩展”当中，每年收费 595 美元，是 Fusion 360 年度订阅价格的两倍多。
尽管如此，标准 Fusion 360 中的网格化工具仍然非常有用。该工具可以沿一个方向逐渐改变晶格单元，并且与大多数涉及挖空零件并添加晶格的程序不同，Fusion360 允许其用户单独设计一个零件。用户可以先创建一个晶格，然后在其上形成一个蒙皮，让晶格单元结构在靠近蒙皮时收缩，从而产生一个能够有效将局部应力从表面分布到内部晶格的单元结构。这就是最自然的生成路径，以股骨头的一部分为例：
△零件内部晶格结构示例（来源：Autodesk）
对于 Autodesk Netfabb 用户来讲（Netfabb 通过两种产品捆绑到您的 Fusion 360 固定期限的使用许可中），可能已经非常熟悉该软降强大的晶格生成功能。就像这里提到的老软件一样，Netfabb的图形用户界面也很笨拙，但它仍然不失为一个功能强大的程序，可以生成非常复杂的点阵设计。它还具有非常方便的穿孔功能，可以在零件上打孔，从而轻松去除未使用的粉末或树脂。要获得更高级的 Netfabb 晶格化，需要订阅 Fusion 360 with NetfabbPremium（包括挖空和晶格化），或 Fusion 360 with Netfabb Ultimate（包括更高级的优化晶格工具）。
Carbon设计软件
△3D 打印晶格结构图像：Carbon Design Engine
本文中的许多图像都是来自 Carbon 3D 的真实晶格产品。这家硬件、材料和软件公司的晶格化需求如此之大，并开始让他们的晶格设计程序对外开源，这样你几乎可以在任何打印机上使用它。
这种基于云的晶格设计软件可在一系列细胞类型中创建稳健的共形晶格，但真正有用的设计功能类型仅适用于更昂贵的“Pro”版本，该版本在晶格类型之间引入了过渡和梯度设计。
这款设计软件可让精确控制产品中多个区域的性能特征，从而实现单一材料的大规模可调性。此功能利用不同的晶格单元类型、单元大小或支柱直径来创建不同的性能区域。Design Engine 使用正在申请专利的技术来无缝混合区域，生成有吸引力的功能性网格，可随时用于实际应用。
Ultrasim 3D 晶格软件
△BASFForward AM 的新型 Ultrasim 3D Lattice Engine 旨在为特定应用在几分钟内生成经过验证的晶格（来源：BASF Forward AM）
巴斯夫 Forward AM 将推出由Hyperganic 提供支持的 Ultrasim 3D Lattice Engine，这是一种用于迭代具有晶格图案的设计的软件解决方案——一种具有许多潜在应用的工具。这款最新的软件解决方案旨在从晶格中提取数学知识，让探索不同的晶格几何形状变得更容易，并通过点击应用的方法更快地将它们实施到产品设计周期中。由总部位于慕尼黑的算法工程软件公司 Hyperganic 提供支持的 Ultrasim 3D Lattice Engine为用户提供了多种晶格图案，每种图案都针对不同的应用组进行了测试和验证。
无论是设计新的鞋类产品还是防护运动设备，都有一种晶格几何形状可以满足每种应用的独特要求。用户可以访问物理测试垫形式的大量晶格库和机械特性的数字概览。通过输入所需的应用领域，可以找到针对类似用例进行验证的点阵设计。从那里，该软件使用隐式建模自动生成适合的设计参数的晶格部件，并为晶格生成一个 .stl 或 3mf 文件，最后可以打印和进一步验证。
Hyperganic 构建软件旨在设计出像自然界一样复杂、实用、优雅和可持续的对象。该公司表示：“我们的算法通过数字进化过程生成零件、结构和整台机器。我们的技术支持在先进的工业 3D 打印机上进行输出。自 2015 年以来，我们一直与世界各地的领先公司、工程师、设计师和科学家合作。”
Siemens NX
在西门子发布的 2022 版 NX 中，可以使用Simcenter 3D模拟对NX中的晶格结构进行优化，以在单一环境中推导出最佳晶格结构，这消除了传统上所需的多个设计分析步骤。
NX 是一款庞大而复杂的工程软件，购买它不仅可以获得点阵设计功能，还可以看到西门子为该应用程序设计的扩展点阵选项。
Materialise 3-Matic
Materialise 凭借其强大的增材构建Magics 准备软件包占据了强大的市场地位，而用于增材设计和数据优化的 3-Matic自 2004 年以来一直存在。虽然一些大公司也经常使用这款软件并且其功能非常丰富，但它的晶格化功能很难使用，部分原因是它的 GUI 非常过时。如果晶格结构的生成是所需的主要特征，则有更好、更便宜的选择。
Altair Optistruct 和Inspire
尽管Optistruct的主要是结构FEA 求解器、工程分析和优化工具，但它仍然值得一提，因为它能够使用其设计优化功能集生成一系列不同的晶格类型。Altair的晶格结构构建方法与众不同，因为它与拓扑优化过程有着内在的联系。在设计晶格后准确模拟晶格的能力非常有用，但只有在其他目的也需要 Optistruct 求解器时才值得考虑该工具包。
Altair 的另一款名为Inspire 的软件在 2020 年推出了晶胞晶格生成功能。AltairInspire 能够为 3D 打印生成轻量级的晶胞晶格结构，可以轻松编辑，评估不同设计变体的结构性能时刻。
2022 年，Altair 收购了一家专注于专门用于晶格生成的工具的软件公司，并提供了名为 Sulis 的解决方案，这一点在上文中对此进行了介绍。
General Lattice
△GeneralLattice 的 Frontier 软件提供了一个可搜索的经过验证的晶格机械性能数据库（来源：General Lattice）
General Lattice 的Frontier 软件（目前仍处于测试阶段）提供了一个可搜索的经过验证的机械性能数据库，以支持用户选择最佳晶格、材料和硬件组合以满足特定应用。用户可以搜索、分析和订购实物样品以进行实际评估，从而消除成本高昂的猜测和检查工作流程。Frontier 表示它在晶格化设计功能相当于提供了一个万能搜索键，避免了用户大海捞针，大大节省了时间、金钱和资源。
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