多晶格結構的案例
3D打印復雜彈性晶格結構
晶格的應用
據南極熊了解，晶格結構已經在許多領域得到了研究和應用。加州理工學院利用晶格結構3D打印鋰電池電極。工程軟件開發商CoreTechnologie使用自動晶格生成模塊更新4D_Additive打印準備程序。軟件的點陣工具使用戶能夠3D打印各種類型的內部和外部網格結構，例如蜂窩、陀螺和星形。
△通過DLP 3D打印的復雜電極幾何體，圖片來自加州理工學院
在學術領域，臺灣科技大學的研究人員3D打印基于海膽的新型晶格結構。使用FDM技術打印的貝殼狀晶格結構非常穩定、承重，并且不需要支撐。英國格拉斯哥大學研究人員發現，3D打印混合塑料-碳納米管混合材料晶格可應用于更輕、更耐撞擊以及更清潔的汽車制造。南極熊相信，未來還會有更多晶格結構出現在更多領域中，讓我們拭目以待吧！
參考閱讀：
1. rpm receives public funding for research into complex,elastic lattices using 3D printing
2. RPM SET TO DEVELOP COMPLEX ELASTIC LATTICE STRUCTURESUSING 3D PRINTING TECHNOLOGY
3. INTERVIEW: CARBON BROADENS ACCESS TO DESIGN ENGINELATTICE GENERATION TOOL, HALVES 3D PRINTING MATERIAL AND TIME
4. CORETECHNOLOGIE ADDS LATTICE CREATION TOOL TO ITS4D_ADDITIVE PRINT PREPARATION SOFTWARE
5.
展開 研究人員3D打印多晶格結構，強度提高7倍
倫敦帝國理工學院的博士詳細闡述了將該工藝與多材料3D打印機相結合的潛力:“這種元晶方法可以與多材料3D打印的最新進展相結合，開辟了一個新的前沿研究開發新型先進材料，這種材料重量輕，機械強度高，有望推進未來的低碳技術?！?來源：3ders
晶格結構激發產品重塑
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拗茻醾鲗怯杏玫?。 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。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。
展開 巴斯夫3D打印SLA鞋楦，晶格結構源自國產VoxelDance軟件
給零件抽殼、添加晶格體結構和打孔，減少打印時間和節約打印材料。
使用預存的支撐腳本，自動/手動添加智能支撐。
使用添加智能支撐工具，在散落的晶格結構底端手動添加支撐。
為提高打印成功率，使用添加點支撐工具，為零件最低點添加支撐。
切片。使用自適應切片功能，節約打印時間的同時，又能保證零件打印精度。
對零件切片進行Z軸補償，提高零件打印精度。
導出切片為CLI格式。
△視頻：鞋楦在Voxeldance Additive中3D打印前數據處理全流程
關于【Voxeldance Additive】軟件
【Voxeldance Additive】是針對3D打印專業軟件。它能為DLP/SLA/SLS/SLM等多種技術的打印機做專業的前處理操作，功能覆蓋了3D打印數據處理的完整流程，包括了導入，模型修復，模型編輯，2D/3D嵌套擺放，支撐生成，切片,路徑填充等。應用領域覆蓋了手板、鞋模、牙模、金屬齒科等。其中在金屬齒科領域，已和多家專業廠商和服務商合作，在功能上不斷創新并提升效率。
展開 
MSER（IF=36.214）頂刊綜述論文：金屬晶格結構的增材制造
輕量化金屬晶格結構實際案例：(a)-(c) 不銹鋼米歇爾梁，(d) 不銹鋼汽車控制臂，(e) 鈦合金枕形支架，(f)-(h) 用金屬晶格結構填充的衛星支架。
然而，增材制造技術也不是萬能的，在制備金屬晶格結構方面仍然存在一些限制和挑戰。例如增材制造制備金屬的晶格結構具有較高的表面粗糙度，需要先減小表面粗糙度才能投入使用；粉床熔融技術通常需要在特定的氣氛腔中加工，所以加工的工件一般體積不大；而直接能量沉積和熔融沉積成型精度稍低，加工精細結構稍顯不足；金屬晶格結構往往需要經過表面處理后才具備更好的表面功能性，但由于金屬晶格結構復雜，目前尚未有針對性的表面處理技術。
近十年來，金屬晶格結構與增材制造技術的結合受到越來越多的關注。為了確保增材制造技術制備的金屬晶格結構在各個行業的可靠性，對其建模、優化、材料、工藝參數、結構以及性能之間的關系仍需要進一步的理解。
*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。
展開 多向晶格+3D打?。喝氯嗽斐牧陷p便又堅固
近期英國帝國理工學院團隊發表了一項材料學最新成果，即一種全新人造超材料，該種材料強度增加但質量依舊較輕，這種材料是利用多向晶格，并結合3D打印技術制成，而其中新型晶格則是根據強金屬合金的基本原理設計的。
注：網絡配圖
晶格結構由重復節點和連接支柱組成，結合3D打印技術，制造出來的材料既輕便又堅固。然而，一旦這些材料失效，會帶來災難性后果，這限制了它們的實際應用。而失效的原因在于這些材料的結構——晶格整體取向單一。
同樣的現象也存在于金屬單晶中，其結構類似，內部會沿特定平面發生滑移而變形。不過，在包含不同取向晶粒的多晶材料中，晶粒邊界有助于阻止正在成形的滑移和裂縫進一步蔓延，因而可以提高這些材料抵抗變形的能力。
注：網絡配圖
此次，帝國理工學院科學家模擬多晶材料，設計了具有粒狀結構的新型晶格狀超材料，使內部晶格的不同區域具有不同的取向。
研究人員發現，粒狀超材料（又稱“變斑晶”）發生形變時，比傳統超材料更堅固，更耐損。與多晶材料一樣，“變斑晶”的強度可以通過縮小每個粒狀晶格區域的尺寸來增強。
研究團隊創造了在施壓后能夠扭變成不同構型的特殊“變斑晶”，模仿的是晶體材料中類似的重排。綜合而言，這些成果將會為科學界帶來更加堅固且適合于各種應用的輕型3D打印材料。
新材料迭代的速度，除了與科學家對物質基礎性狀的理解程度有關，還與新理論及相關驗證的效率有關，甚至與生產工藝、模擬工具的創新能力都息息相關。掌握其中的奧秘，學會調整某些參數，創造出符合生產、生活需求的全新材料，這就是化學家被喚作“魔法師”的重要原因。
來源：科技日報
展開 3D打印晶格結構的功能力學性能研究
《Fast Radius》最近發表一篇題為《使用連續液體界面生產增材制造制造的六邊形晶格結構的力學特性》的論文，對具有內部晶格結構的3D打印部件的特殊力學特性進行了研究和詳細記錄。
該研究是伊利諾伊大學的一個聯合項目，William King博士和共同作者David McGregor和Sameh Tawfick教授用三種不同的材料和四種幾何形狀打印了84個零件。然后他們光學掃描每個零件，然后對它們進行工程應力測試。結果表明，晶格結構，也稱為架構材料或機械超材料，可以用具有可預測性質的3D打印可靠地制造。可以說零件盡管堅固，但也很容易生產。此外，他們證明了他們可以通過調整晶格設計來增加模量和剛度。
“生產晶格結構的能力是增材制造最激動人心的機會之一，”Fast Radius首席執行官Lou Rassey說。“Fast Radius認為，在消費產品，工業設備，汽車和航空航天領域，我們的客戶對增材制造的晶格元件有著巨大的需求。通過這項研究，我們很高興公開展示了許多客戶已經知道的內容，即增材制造能夠以可重復的規模生產高質量的晶格元件?！? 正如我們最近所討論的，晶格結構和工程內部填充可以減少材料使用而不犧牲結構完整性和強度。有許多行業可以將晶格結構融入他們的設計中，包括航空航天、醫療、體育用品和建筑。
“工程師和產品設計師很高興在新產品設計中使用晶格元件，但缺乏對生產準備的理解一直是一個主要障礙，”伊利諾伊大學機械科學與工程教授兼Fast Radius首席科學家金博士說，“我們發現，根據設計和工程原理，在不同材料和幾何形狀的大量晶格部件上，打印部件的精度非常出色，力學性能接近人們的預期。我們很高興地證明這項技術正在成長，現在值得投入生產。”
展開 ANSYS 2019R1結構新功能 l 晶格模式與云計算
ANSYS 2019R1新技術在網格的劃分上有的新的技術革新，用戶可以根據需求定義晶格的類型，更多的仿真難題將得到解決。同時在AQWA的新功能上，增加了水箱內部與外部的水動力學耦合，使得AQWA在船舶領域將有更多的，更深層次的應用。
此外，ANSYS2019R1特有的ANSYS云計算功能，也值得關注。
本文由南京安世亞太工程師翻譯整理。
來源：安世亞太
晶格結構3D打印背包腰部支撐，實現無汗徒步旅行
△?？耸?D打印的背包腰帶和背墊
裕克施樂采用3D打印晶格結構代替傳統用于背包腰帶和背墊的泡沫。這種結構具有完全集成的緩沖系統，可提供極大的舒適感：智能晶格幾何形狀通過精確校準支柱厚度和晶格元件整體尺寸的變化，使其緩沖性能可以靈活調節。
同時，這種高度創新的晶格設計顯著降低了與人體的最大接觸壓力和平均接觸壓力；3D 打印的背墊和臀鰭的開孔結構可最大限度地增加通風并減少熱量積聚，從而顯著降低在身體接觸點的溫度和濕度積聚。
因此，裕克施樂團隊通過對晶格結構的特定區域進行設計并提供不同程度的彈性和硬度，能最大限度地提高背墊的緩沖性能和佩戴者的舒適度。
△?？耸分圃斓木哂?em>晶格結構的臀鰭和背墊設計
通過采用Forward AM 的Ultrasint? TPU01材料實現彈性晶格設計，這種高性能聚合物粉末使 3D 打印晶格結構變得簡單、快速且極具成本效益。
△臀鰭特寫
對制造商而言，背墊和臀鰭可以作為一個單一的晶格元件生產——這意味著組裝步驟、時間和成本的巨大減少，因為不需要膠合或縫合。此外，這款配件還能實現最大程度上促使空氣流通，顯著降低徒步旅行者背部接觸區域的溫度和相對濕度積累，降低最大接觸壓力和平均接觸壓力，可調節減震特性，以及3D打印材料100%可回收。
總的來講，3D打印晶格結構在背包當中的應用探索已經展開，南極熊期待這樣的應用能夠盡快在市場中見到，為用戶提供更好的選擇。
展開 利用原子選擇性占位提高超晶格儲氫合金結構穩定性
然而，該類合金復雜的堆垛模式也為其結構穩定性帶來了不利影響。主要問題是[A2B4]和[AB5]亞晶格在吸/放氫過程中的異步膨脹/收縮，會引起界面產生大量微應變(圖1(b))，從而導致合金結構穩定性急劇下降。
為此，燕山大學韓樹民教授課題組展開了大量研究工作，提出了超晶格儲氫合金結構衰減機理和結構穩定性的系列理論。在課題組前期工作(
Journal of PowerSources 300 (2015) 77-86
)基礎上，課題組研究發現，在超晶格儲氫合金中，[A2B4]亞晶格體積大于[AB5]亞晶格體積，在吸氫過程中，[A2B4]亞晶格在較低壓力下先于[AB5]吸氫，放氫反之。這種非同步吸放氫導致了兩個亞晶格體積膨脹收縮的不一致，使得其連接界面產生大量應力引起合金超堆垛結構的破壞。
展開 《Nature Mater》：大晶格失配異質結構的超低摩擦和邊釘扎效應
二維異質結構層間范德華相互作用弱和晶格失配自然，是實現扭角無關的超低摩擦的理想平臺。然而，對于有限尺寸的界面，疇邊對摩擦過程的影響尚不清楚。
在此，來自中科院物理研究所&東莞松山湖材料實驗室的張光宇等研究者報道了MoS2/石墨和MoS2/六方氮化硼異質結構界面的超潤滑現象和邊釘扎效應。相關論文以題為“UItra-low friction and edge-pinning effect in large-lattice-mismatch van der Waals heterostructures”發表在Nature Materials上。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41563-021-01058-4
超潤滑的概念，是由Shinjo和Hirano在20世紀90年代提出的，它描述了兩個接觸面之間摩擦消失的現象(后來也被稱為結構潤滑)。在范德華(vdW)材料中，由于其晶體結構在較弱的vdW力作用下保持在一起，因此，具有超潤滑性。然而，在二維(2D)同質結構中，超潤滑性表現出強烈的扭角依賴性。當發生滑動時，層傾向于旋轉和鎖定在相應的狀態，導致超潤滑性消失。vdW異質結，可以減小兩種接觸材料之間的晶格失配引起的通約性問題。
在石墨烯/六方氮化硼(h-BN)異質結構中發現了微尺度超潤滑性，顯著降低了扭角依賴性。然而，在石墨烯/h-BN異質結構中仍然存在扭角依賴，這可能是由于小的晶格失配。因此，研究晶格失配對二維異質結構超潤滑性的影響至關重要。此外，廣泛的區域邊緣和界面臺階，對有限尺寸二維界面的超潤滑性的影響，可能會阻止超潤滑性。
展開 
3D打印晶格結構提升作戰頭盔能量吸收，General Lattice與美國陸軍簽訂合同
導讀：晶格結構具有重復、多孔等特性，能夠吸收振動能量，實現抗沖擊的特性。因此，備受運動以及軍用裝備的青睞。
△General Lattice頭盔晶格
南極熊獲悉，數字制造軟件公司General Lattice, Inc.正在開發預測建模工具包，根據真實數據設計和生成晶格材料，用于改進美國陸軍作戰頭盔的沖擊吸收技術。為此，General Lattice已于2021年9月21日宣布與美國陸軍簽訂合同，進行為期一年的研發項目。據悉，項目目前正在伊利諾伊州芝加哥的General Lattice工廠進行。作為項目的一部分，General Lattice將與軍事和聯邦服務提供商All Points Logistics LLC和快速制造公司GoProto, Inc.合作。
晶格材料改造傳統設計
傳統泡沫材料的功能幾乎已經達到了可開發的盡頭，晶格材料成為了普遍公認的替代性、創新性材料。隨著3D打印晶格結構技術和材料的不斷改進，這類結構對于吸收沖擊能量的優勢愈發明顯，并逐漸被制造商認可并廣泛應用，尤其是用于改善健康和安全。
△General Lattice的3D打印晶格結構。照片來自General Lattice
許多公司都在積極設計和驗證3D打印晶格結構產品，尤其是鞋類產品。阿迪達斯和Carbon聯合推出的Tokyo Collection 4DFWD跑鞋利用領結形FWDCELL格子中底將緩沖性能提高了23%，在垂直負載下的前向運動增加了三倍，同時將峰值制動力降低了15%。
展開 晶體塑性有限元仿真入門(2)--BCC、FCC、HCP晶格材料以及多相材料的有限元模擬
晶體塑性有限元仿真入門(2)--BCC、FCC、HCP晶格材料以及多相材料的有限元模擬
這篇文章講解如何使用晶體塑性有限元方法(CPFEM)進行不同晶格材料以及多相材料的變形模擬，CPFEM是基于商業有限元軟件ABAQUS完成的建模，晶體塑性本構模型是使用的開源的UMAT用戶子程序(源碼和inp文件見附件)。采用CPFEM模擬了面心立方結構(FCC)、體心立方結構(BCC)和密排六方結構(HCP)的單晶、多晶及多相材料受到外部載荷時的力學響應?；诨圃淼木w變形理論，隨著變形的進行各滑移系統的臨界剪應力都會增大，CPFEM將捕捉到材料的力學響應(應力-應變曲線)。這些應力-應變數據有助于從根本上理解晶粒尺度下金屬變形的性質。
首先我們從一個簡單的FCC晶格材料的例子入手，講解如何進行有限元模型的創建，從完全新手的角度出發，一步步講解如何建模，賦予材料和處理仿真結果。
本文章包括以下八個部分：
1) FCC晶格材料的變形模擬-單晶體
2) FCC晶格材料的變形模擬-多晶體
3) BCC晶格材料的變形模擬-單晶體
4) BCC晶格材料的變形模擬-多晶體
5) HCP晶格材料的變形模擬-單晶體
6) HCP晶格材料的變形模擬-多晶體
7) 多相材料的變形模擬
8) 參考資料
1. FCC晶格材料的變形模擬-單晶體
幾何模型
如圖1.1a在草圖里繪制R0.015mm的圓形，拉伸0.05mm，最后得到如圖1.1b所示的圓柱體(R0.015mm&H0.05mm)。
展開 ：SnTe的熵工程——多組元合金化導致超低晶格熱導率和先進熱電
提供熱電材料性能的方法就像Slack提出的名為“電子-晶體 聲子-玻璃”的雙向策略一致，一方面通過能帶結構工程使電導率、Seebeck系數和載流子熱導率退耦合，得到較高的功率因數；另一方面，通過全方位層次結構抑制晶格熱容。根植于高熵合金的核心效應，熵工程可實現高熵合金能帶結構工程和多尺度層次結構的協同效應。
【成果簡介】
近日，深圳大學的李均欽教授（通訊作者）團隊在Advanced Energy Materials上發表了題為“Entropy Engineering of SnTe: Multi‐Principal‐Element Alloying Leading to Ultralow Lattice Thermal Conductivity and State-of-the-Art Thermoelectric Performance”的文章。增加合金元素的數目，需要補償載流子遷移率，這一直是高熵合金應用于熱電材料領域的挑戰。而此篇文章作者考慮了多組元合金體系，即合金元素少于五種的“低配版”高熵合金。組元并不是等摩爾的，混合熵卻足夠高來引發高熵合金的核心效應。未驗證多組元合金化體系的合理性，作者選擇環境友好的SnTe作為最佳材料樣本，其簡單的fcc巖鹽型結構易于展示多組元合金體系的效力，考慮到高熵合金效應，巖鹽型結構也有利于形成單相高熵合金。
【圖文導讀】
圖1：基于多組元合金（MPEA）的SnTe晶格形變的示意圖。
展開 隨形冷卻流道和晶格結構優化軟件，《賽車總動員》玩具汽車模具是這樣做的
此外，晶格結構還提高了掃描速度，更輕的重量也使生產更大尺寸的模具成為可能。
“Materialise 3-matic軟件幫助我們用優化的晶格結構替換了實體部分。這種替換減少了模具的整體體積，降低了零件上的殘余應力，從而縮短了打印時間，節省了成本。這種優化使IPC能夠制造更大的模具，并獲得更高的投資回報?！盜PC的項目經理Jean-Christophe Bornéat說道。
基于這些生產優勢，IPC的模具創造出了這些精美的汽車玩具。您可以在任何一個Smoby商店欣賞到這些玩具汽車！
