干貨——3D打印晶格激發(fā)產品重塑

增材制造技術的一大特點對復雜細節(jié)的制造能力，晶格結構就是最典型一種復雜結構。不僅僅起到輕量化的作用，還可以使結構獲得材料最低填充量的同時滿足結構剛性的需求，并且還可以吸收沖擊能量以減緩振動或者達到噪聲絕緣的目的。南極熊覺得，當3d打印的部件經過輕量化和拓撲優(yōu)化后才可以體現(xiàn)3d打印的優(yōu)勢。

晶格結構的超輕型結構適合用在抗沖擊/爆炸系統(tǒng)、或者充當散熱介質、聲振、微波吸收結構和驅動系統(tǒng)，所以說晶格可以是非常有用的，南極熊通過雷尼紹等幾家公司的一些研究來探討金屬3D打印過程中晶格的應用，從而感受設計和制造晶格的挑戰(zhàn)。

圖片來源：雷尼紹，晶格的微妙畫風

輕量化
晶格是輕量化的一大貢獻，通過消除不必要的材料，同時為剛性要求高的部分提供更堅實的晶格結構，減少材料浪費。在設計輕量化結構零件時，需要結合整個零件的功能實現(xiàn)，綜合考慮空隙精度、空隙率、空隙形狀、空隙大小、孔分布以及相互之間連通性等因素。

圖片來源：HiETA Technologies

上圖是直升機排氣噴嘴冷卻結構的原型， 是HiETA Technologies設計和制造的，材料為Inconel 625合金。 晶格用在該結構中提供結構剛度和熱傳遞作用。輕量化的設計不僅僅通過減少材料的浪費來降低構件的成本，由于較短的構建時間，使得加工成本也降低了（考慮到增材制造設備的使用壽命與折舊因素）。

減重效果，圖片來源：雷尼紹

功能晶格
除了減重，晶格結構也可以帶有功能性的作用，包括能量吸收、熱絕緣、熱交換、生物相容這樣的功能。

能量吸收
一個有前途的應用領域是能量的吸收，晶格的兩種動態(tài)屬性，其中一種是壓縮屬性，另一種是晶格結構的彈性屬性。在加載了沖擊之后，彈性和壓縮行為表現(xiàn)出了快速的集體反應。通過對晶格材料的定制化設計，特別是針對應用的具體需要，精確設計制造特殊的晶格材料。

晶格結構的變形特性取決于其幾何特征（拉伸或彎曲為主） 和構成材料（特別是其延展性）。 在這個領域，英國的謝菲爾德大學做過詳細的研究：《Energy absorption in lattice structures in dynamics: Experiments》(《動力學中的晶格結構的能量吸收》)。

熱絕緣
通過一個晶格結構的產品的重量占無晶格結構的產品的重量比就可以知道其余的部分是充滿空氣的�？紫堵蕦ο拗茻醾鲗�是有用的。 熱量通常通過金屬部分快速傳導出來，而無疑那些有著更加復雜的晶格結構的設計使得熱量的傳導變得蜿蜒曲折。

而通過空氣傳導的熱量則比金屬低得多，因為一個一個的小格中對流得不到建立， 氣體被困在格與格的支柱之間， 相對較少的熱量會通過氣體傳導出來，但氣體的傳導系數(shù)比金屬低得多。

熱交換
晶格使得冷卻器具有很高的比表面積，可以用來將熱氣流的熱量轉移到周圍的空氣中。 另外一個思路，如果金屬中充滿了熱量，通過充滿冷空氣，也可以快速帶走金屬的熱量。

圖：Swansea大學學生設計的方程式賽車散熱器

除了賽車的散熱器，另外，在上面輕量化的直升機排氣噴管的例子中，晶格結構用于傳熱，熱廢氣流動起來通過中央通道，而較冷的氣體從轉子下沉氣流穿過周圍晶格，從而降低直升機的排氣溫度。

多孔表面
整形外科植入物通常需要多孔的表面設計以促進骨結合，植入物的表面覆蓋著一個精心設計的層格，使得活骨細胞生長進來。

圖片來源：Betatype

上圖是雷尼紹AM250加工出來的髖臼杯，通過歐特克的within創(chuàng)成式設計軟件和Betatype的晶格設計軟件設計出來。

可以說，晶格具有許多吸引人的特質，盡管他們的復雜性和微妙對設計和制造帶來不小的挑戰(zhàn)。在這里，3D科學谷僅僅起到拋磚引玉的作用。

晶格設計
大部分晶格材料是由陣列的細長構件組成，類似于我們熟悉的輕量級超級結構如橋梁和建筑物的框架，但顯然是在非常小的尺度。 這些復雜的細觀結構可以產生附加長度尺度從微米到毫米的變化。

圖片來源：雷尼紹

上圖為不同尺度的體心立方晶格的不同尺度。 具體達到多小，與激光的光斑直徑和粉末粒度有關，本圖中最小的為70微米的激光光斑加工出來的。

晶格結構的分布可以是大小均一的也可以是不規(guī)則的，旨在提供同質或異質的特性。 不同的分布可以改變整個晶格體積調整其性能，特別是不同位置其密度和剛度情況。

圖片來源：Betatype

上圖是英國的帝國理工學院醫(yī)學工程團隊通過雷尼紹的AM250加工出來的股骨截面，股骨的骨小梁形成一個優(yōu)雅的內部三維格子，模仿天然骨的結構。

來源：3d科學谷
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