3D打印點陣結(jié)構(gòu)的特殊屬性及應(yīng)用場景

來源：增材制造技術(shù)前沿

隨著3D打印運動鞋的普及，晶格結(jié)構(gòu)開始走入人們的視野，它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)輕量化，還能起到緩震防護、吸振降噪的作用�？梢哉f這種結(jié)構(gòu)是專為增材制造而生，同時它也給工程師提供了更加廣闊的探索空間。

△點陣結(jié)構(gòu)在多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用

除了3D打印運動鞋，點陣結(jié)構(gòu)也可廣泛應(yīng)用于其他領(lǐng)域，不僅包括火箭、潛艇，還包括高鐵、飛機。本期3D打印技術(shù)參考將從點陣結(jié)構(gòu)性能的角度介紹其應(yīng)用，并帶來該結(jié)構(gòu)的設(shè)計考慮因素。

點陣結(jié)構(gòu)的性能及適用領(lǐng)域

1. 優(yōu)良的強度—重量比
提高部件強度—重量比的方式主要有兩種：在傳統(tǒng)制造中可以通過減少非關(guān)鍵區(qū)域的材料來減輕重量；在增材制造中，甚至可以將關(guān)鍵區(qū)域的材料網(wǎng)格化，雖然整體的強度會有所降低，但不失為一種提高強度重量比的好方法。

△3D打印的點陣結(jié)構(gòu)F1賽車氣缸蓋

△3D打印的高強度石墨烯，比不銹鋼高10倍，密度僅為5%，結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵

此外，點陣結(jié)構(gòu)具有高度的空間對稱性，可以將外部載荷均勻分解，在實現(xiàn)減重的同時保證承載能力。該結(jié)構(gòu)在航空航天、醫(yī)療、汽車、船舶制造等需要高強度—重量比的行業(yè)具有重要用途。

△3D打印的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)植入物，保證強度同時減輕重量

2. 超大的比表面積
點陣結(jié)構(gòu)不僅重量輕，而且具有超大的比表面積，這對于促進熱交換和化學(xué)反應(yīng)具有很大優(yōu)勢。

傳統(tǒng)散熱器的散熱片多是各自分開的，通過釬焊組成一個整體，不同部件之間的結(jié)合增加了熱阻，從而降低了熱效率。3D打印除了實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的一體化制造外，獨特的晶格結(jié)構(gòu)顯著增加了表面積，從而能夠以更經(jīng)濟的方式實現(xiàn)更高的換熱效率。事實上，這種效率增益可以在許多不同類型的熱交換器應(yīng)用中實現(xiàn)，這些具有大表面積的小特征結(jié)構(gòu)在沒有3D打印的情況下幾乎是無法制造的。

△雷尼紹3D打印的鋁合金點陣結(jié)構(gòu)賽車渦輪中冷器

目前，從汽車、航空航天、能源到電子行業(yè)等都在嘗試使用點陣結(jié)構(gòu)提高熱交換效率，所使用的3D打印工藝從激光粉末床熔融到電子束熔化都可實現(xiàn)。

3. 出色的減震和沖擊保護

點陣結(jié)構(gòu)還可以通過更好地吸收沖擊能量起到防護功能，基于此可以制造防護體育器材，也可以在在電子元件周圍或內(nèi)部使用晶格來保護免受外部動態(tài)環(huán)境的影響。

△Carbon 3D打印的點陣結(jié)構(gòu)橄欖球頭盔內(nèi)襯

Carbon公司推出了一系列定制化的3D打印晶格結(jié)構(gòu)，它們認(rèn)為這些產(chǎn)品可能會影響甚至改變當(dāng)前的泡沫制造業(yè)。由樹脂材料制造的點陣結(jié)構(gòu)不盡透氣而且具有很好地彈性和舒適性，它們可以廣泛應(yīng)用于汽車座椅、矯形墊、頭盔、耳機以及鞋類等體育器材的制造。

4. 理想的吸振和降噪功能

飛機、火箭在推進過程中產(chǎn)生的振動會使飛行器發(fā)送顛簸，也會增加對部件的磨損；高鐵在運行時車體外的湍流邊界層也會產(chǎn)生強烈的隨機聲學(xué)激勵和振動，同時有巨大的氣流沖擊車身；此外，解決潛艇的結(jié)構(gòu)振動和確保低躁隱蔽性，也是力學(xué)和聲學(xué)領(lǐng)域具有重大意義的課題之一。

△3D打印的點陣結(jié)構(gòu)可吸收振動又可承重

在主體結(jié)構(gòu)中設(shè)置阻尼器的傳統(tǒng)被動控制，必然會增加主體結(jié)構(gòu)的重量，而點陣結(jié)構(gòu)作為一種典型的周期結(jié)構(gòu)，通過對具有頻率禁帶的點陣進行周期型設(shè)計，以調(diào)節(jié)其頻率禁帶的寬度、深度和頻段位置，可以實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的振動和噪聲的有效控制，同時還能減少附加質(zhì)量以及外界能源的供給。

點陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計規(guī)則
點陣胞元結(jié)構(gòu)的形式眾多，它們是點陣中的基本單元，常見的胞元結(jié)構(gòu)有立方體、星形、八角形、六邊形、菱形和四面體等。這些結(jié)構(gòu)可以通過設(shè)計軟件在結(jié)構(gòu)體中實現(xiàn)陣列組合，其設(shè)計規(guī)則主要包括以下幾方面：

1. 胞元結(jié)構(gòu)的大小和密度

胞元結(jié)構(gòu)的大小和密度是指單個胞元的大小以及在一個空間內(nèi)胞元的數(shù)量。胞元本身的大小取決于其節(jié)點和連接節(jié)點的梁寬度和長度。較大的胞元更容易打印，同時強度也更高；較小的胞元相對更均勻，但會受到打印工藝特征尺寸的限制。

△單個產(chǎn)品不同位置上設(shè)置不同的胞元密度

2. 材料選擇
制造材料決定了點陣的特性和應(yīng)用。彈性或軟質(zhì)材料點陣結(jié)構(gòu)的胞元需要更小更密集，以防止打印過程中的塌陷；剛性材料胞元結(jié)構(gòu)具有更大的設(shè)計范圍，尺寸可以比較大、數(shù)量也可以更少，但仍需要注意梁的走向，同樣是為了防止打印失敗。目前，我們已經(jīng)可以接受點陣結(jié)構(gòu)既可以是樹脂形式，也可以是金屬形式。

3. 胞元結(jié)構(gòu)方向
通常情況下，點陣結(jié)構(gòu)會默認(rèn)為不需要支撐，這一方面需要注意設(shè)計過程中的設(shè)計極限，如橫梁寬度、梁的傾斜角度等等；另一方面也需要注意擺放角度，選擇最理想的零件自身支撐擺放方向，盡可能降低加工成本并減少后期處理工作。

多孔和周期點陣結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)、隔聲和減振等優(yōu)越性能，在航空航天、高速列車、汽車、船舶、潛艇等領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。但點陣結(jié)構(gòu)的建模和驗證仍存在不少挑戰(zhàn)，在3D打印工藝本身比較成熟的情況下，如何驗證設(shè)計的可靠性，如何避免因制造過程產(chǎn)生的其他問題是接下來需要考慮的問題。在此方面，模擬仿真可能可以發(fā)揮重要作用。