六面體晶格的案例
超材料六面體晶格帶隙設計數值仿真 ￥1000
<p> 本案例建立了一六面體晶格結構，如圖1所示。模型中內核是硬質高密度材料，通常是鉛或者鐵，稱為振子，振子外面的中間層是軟質彈性硅膠，外殼是硬質樹脂，振子和彈性硅膠形成散射體，硬質樹脂形成的空腔球稱為赫姆霍茲共振腔。基于COMSOL軟件對特征值求解分析作波矢參數的參數化掃描，得到特征頻率和振型模態的結果，如圖2所示。提取最低價的本征頻率，繪制了晶胞參數的頻帶結果圖，如圖3所示。
晶格結構激發產品重塑
增材制造技術的一大特點對復雜細節的制造能力，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。
晶格結構的超輕型結構適合用在抗沖擊/爆炸系統、或者充當散熱介質、聲振、微波吸收結構和驅動系統，所以說晶格可以是非常有用的，本期3D科學谷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。
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，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）。
展開 巴斯夫3D打印SLA鞋楦，晶格結構源自國產VoxelDance軟件
——巴斯夫鞋模白皮書，來源巴斯夫官網
上面帶有晶格結構的模型，是由VoxelDance的歐洲代理商DREIGEIST打印。整個3D打印前數據處理都由Voxeldance Additive完成，打印機型號：聯泰UNIONTECH PILOT 250HD，材料：巴斯夫BSF RG35。
Voxeldance Additive使整個模型打印在一開始就變得高效和經濟。添加晶格結構節約了打印時間和材料，靈活的手動支撐工具能快速添加支撐并保證零件外表面沒有支撐附著，提高零件表面精度。自適應切片功能節約了打印支撐的時間，針對切片的Z軸補償最高精度地還原了整個模型的實際形狀。
△最終打印成功，帶支撐的鞋楦打印件
接下來我們就以視頻的方式來分享一下的這個鞋楦在Voxeldance Additive中3D打印前數據處理全流程。視頻內容主要包括：
定義打印平臺，選擇打印機：UNIONTECH PILOT 250HD。
導入掃描零件，并修復零件，使其表面完全光滑。
縮放零件，使用預設的BASF材料收縮系數，補償材料收縮。
優化零件方向，避免支撐附著在鞋模的外表面而影響零件精度。
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。
展開 MSER（IF=36.214）頂刊綜述論文：金屬晶格結構的增材制造
在過去，盡管可以設計出許多具有潛在優異性能的復雜晶格結構，但它們的制造仍然受到傳統方法的限制。 幸運的是，由于先進的制造能力，增材制造技術的發展反過來促進了更復雜結構的設計，設計目標也從原來的可制造性轉變為功能性。 從結構設計的角度看，晶格結構是在一定的空間中重復出現的單元胞集合。 因此，在晶格結構的設計中，既要考慮單元胞設計，也要考慮整體圖案設計。在此基礎上，再進行拓撲優化，這樣方能得到具有優異性能的晶格結構。對于單元胞的設計，主要包括桿基，殼基，三重曲面三種單元胞。
圖2. 粉床熔融技術制備的桿基金屬晶格結構及其單元胞原型：(a) 立方體結構，(b) 優化結構，(c) 菱形十二面體結構。
總的來說，金屬晶格結構的性能主要由單元胞的構型，孔隙率，使用的材料種類以及不同的增材制造技術決定的。設計和制造出具有不同性能的金屬晶格結構可以在不同的工業領域發揮作用。例如，具有較低的彈性模量金屬晶格結構，可適用于生物醫用骨科植入物；具有較高的剛性和能量吸收能力的金屬晶格結構，可適用于輕量化結構設計及能量吸收器；具有較高的比表面積的金屬晶格結構，可適用于催化結構的載體。以及還有其他工業領域的應用。
圖3. 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。
展開 
.: 二維平面量子阱超晶格的位錯驅動生長
最近科研人員已經獲得高質量的二維多重異質結及超晶格等功能化結構，然而受限于目前的微納加工和生長技術，所制備的圖案化人工超結構尺度仍然較大，構筑寬度小于5納米的具有顯著量子特性的功能化二維超晶格結構仍然是一個挑戰。
【成果簡介】
近日，中國科學院大學物理科學學院及中國科學院拓撲量子計算卓越創新中心的周武研究員、張余洋副教授等與多個課題組合作，利用了2D平面側向異質結中兩種半導體材料之間的界面失配位錯驅動二維量子阱的生長，構筑了半導體單層內高質量的寬度小于2納米的量子阱以及量子阱超晶格。同時結合原子分辨的電鏡結構表征和理論計算，揭示了此類新型二維量子阱超晶格的生長機制。該研究為制備高質量二維超晶格結構提供了新的思路。該研究發表于Science Advances，題為“Dislocation-driven growth of two-dimensional lateral quantum-well superlattices”。
【圖文導讀】
圖1. 嵌入單層WSe2晶格內的WS2量子阱結構和應變分析
（A）寬度為1.2nm的WS2量子阱的原子分辨率STEM-ADF圖像。黃色虛線突出顯示了WS2量子阱和WSe2晶格之間的共格界面。 六邊形強調格子的方向。
（B和C）與（A）中同區域的能譜成像分析分別顯示了WS2和WSe2的空間分布。
（D和E）為WS2量子阱的高分辨率STEM-ADF圖像以及相應的原子結構模型。
（F到H）整個65 nm長的WS2量子阱的STEM-ADF以及量子阱周圍相應的應變分布。
（I和J）為STEM-ADF圖像，顯示了（F）中WS2量子阱頂端的位錯核的原子排列和相應的原子模型。
圖2.
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
3D打印復雜彈性晶格結構
導讀：南極熊獲悉，總部位于德國的3D打印服務提供商Rapid Product Manufacturing (RPM) 于2021年6月15日宣布已獲得研究資助，開發復雜的彈性晶格結構，本次資金由德國AiF資助。使用Carbon樹脂數字光合成 (DLS) 3D 打印技術和EPU41/EPU40材料，RPM計劃在明年與工業和消費品領域合作伙伴一起為這些晶格結構開發多種應用。項目還將得到不倫瑞克技術大學微技術研究所的支持。
△RPM的3D打印晶格結構。照片通過 RPM。
3D打印新應用
RPM于2018年采用DLS技術，使公司成為歐洲首批提供Cabon 3D技術的服務機構之一。RPM認為打印速度和高分辨率能力是滿足客戶需求的主要因素。在2020年，相比于DLS原型，RPM生產了更多應用系列組件，標志著技術使用的轉變。RPM計劃在未來幾年里專注于建立3D打印晶格材料、設計規則和應用知識庫，并在這一領域成為制造領導者。此外，RPM還將利用Carbon推出的自動晶格生成工具Design Engine繼續對3D打印晶格結構的探索。
△Carbon Design Engine?可以快速生成晶格。格子零件需要更少的材料和時間來打印。
RPM的銷售醫學博士Claus Thomy博士說：“這筆贈款側重于DLS，因為Carbon將批量生產置于開發最前沿。機器工藝的材料選擇和可靠性使我們能夠以具有競爭力的成本點覆蓋各種新的業務。更重要的是，由于材料經過標準化和驗證，第二次、第三次和第二十次的打印方式也完全相同。”他還補充道：“當rpm使用僅在增材制造中可用的晶格結構提高零件產品性能時，我們正在建立真正卓越的產品解決方案。”
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
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。課題組利用小原子半徑稀土元素部分取代La選擇性占位在[A2B4]亞晶格中(圖1(d))，通過減小[LaMgNi4]亞晶格體積實現了減小[A2B4]和[AB5]亞晶格異步膨脹/收縮，顯著提高了儲氫合金的循環壽命，為調控超晶格儲氫合金結構提供了新思路和新策略。
展開 ANSYS Workbench三維Voronoi晶格3D模型
如建立的晶格及晶界模型，研究沿晶斷裂現象。
三維Voronoi晶體結構模型可采用CAD Voronoi 3D插件建模后導入Workbench內，首先采用插件在AutoCAD內建立泰森多邊形三維模型。
在CAD內選擇輸出-其他格式將模型導出為iges格式文件。
打開Workbench后選擇相應的分析系統，在幾何結構下導入幾何模型，即可將模型導入到Workbench內。
打開模型，可進一步對晶格進行分析設置。
如進行默認接觸的修改及設置。
以及網格劃分等操作。
CAD Voronoi3D
https://www.yqgqt.org.cn/post/1915603
展開 《Nature Nanotechnology》：一種半導體超晶格！
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41565-021-00942-z
數十年來，半導體超晶格(SLs)，即在原子厚度范圍內由兩個交替半導體組成的周期性層狀結構，已成為現代電子、光子學和顯示技術中各種異質結器件的材料平臺。這種突出的SL例子有很多，通常為III-V化合物半導體SLs(即GaAs/AlGaAs和GaInAs/AlInAs)，如，用于高電子遷移率的晶體管和量子級聯激光器，用于發光二極管的GaN/AlGaN SLs以及用于應變Si互補金屬氧化物半導體的Si/Ge SLs等等。其中，組成的半導體通過晶格匹配相干的異質界面共價結合，其中二維載流子根據層間耦合強度的程度形成不同的量子阱(QW)結構。同時，范德瓦爾斯(vdW)半導體，通常來源于過渡金屬二硫屬化合物(TMDCs, MX2，其中M和X分別代表過渡金屬離子和硫根離子)，自然會在單元單分子層(ML)中通過無化學鍵的vdW間隙產生固有的2D限制。這種vdW半導體MLs顯示了不同的電子結構，因此，它們有希望通過將每種vdW QW結構精確地集成到SLs中來創建一種新的vdW QW結構。
盡管研究者對不同vdW MLs的雙層堆疊進行了廣泛的研究，以研究新型的層間激子，例如層間激子和與扭角相關的強相關性，對vdW SLs的QW態了解較少，主要是因為它們無法通過精確的ML-by-ML合成得到。本文中，研究者注意到近年來半導體金屬vdW異質結構陣列的圖案化生長和徑向vdW SLs的折疊平面vdW異質結構的發展。它們通常是通過與大氣中的一些雜質進行人工轉移堆垛來制備的，這對于可擴展的集成來說可能不是不可避免的。
展開 三維晶格超材料的隔振性能及耐撞性研究
原文摘要：
本文研究了一種新型三維（三維）晶格超材料的隔振性能和耐撞性，該材料的單元由一個空心菱形十二面體和六個圓柱管組成。由于超材料中存在帶隙，可以抑制三維超材料中彈性波的傳輸。同時，當發生碰撞時，三維超材料可以通過塑性變形來吸收破碎能量。研究了結構參數對新型三維超材料的帶隙特征和碰撞行為的影響。結果表明，結構參數在確定帶隙特征和碰撞行為方面起著至關重要的作用。因此，通過合理地調整結構參數，可以獲得所需的隔振性能和耐撞性。最后，從隔振性能和耐撞性等綜合方面進行了多目標優化，得到了新型三維超材料的優化設計。本工作為開發具有隔振性能和耐撞性的多功能超材料提供了新的可能性。
原文總結：
該研究提出了一種新型的三維變形材料的設計，并對其振動隔離能力和耐撞性進行了全面的研究。通過多目標優化來優化變形材料，同時考慮了振動隔離和耐撞性。主要結論如下：
(1) 通過調整所提出的三維變形材料的結構參數，可以控制帶隙和破壞響應，從而控制振動隔離特性和能量吸收性能。
(2) 第6和第7頻帶之間的帶隙隨著b的增加而先打開后關閉。帶隙的群速度范圍隨著b的增加而呈現先增加后減小的趨勢。頻帶的能量傳遞效率(PCF)和聲能吸收效率(SEA)隨著b的增加而增加。
(3) 第6和第7頻帶之間的帶隙隨著d的增加而逐漸減小。帶隙的群速度范圍隨著d的增加而呈下降趨勢。頻帶的能量傳遞效率(PCF)在d增加時先減小后增加。總體上講，隨著d的增加，聲能吸收效率(SEA)的差異并不顯著。
(4) 隨著t的變化，群速度范圍的變化相對較小。頻帶的能量傳遞效率(PCF)和聲能吸收效率(SEA)隨著t的增加而增加。
展開 
晶格素化推動了高效的SnSe晶體熱電制冷技術
02
成果掠影
北京航空航天大學趙立東教授團隊提出了
“lattice plainification（晶格素化）”概念，通過降低硒化錫（SnSe）晶格中的空位濃度，大幅削弱了晶格缺陷對載流子的散射，實現了載流子遷移率的顯著提升。研究證明，Cu可以填充Sn空位以削弱缺陷散射并提高載流子遷移率，促進功率因數超過100 μW cm
-1K
-2，在 300至 773 K時平均ZT約為2.2。研究人員使用 p型 SnCu
0.001Se晶體與n型商業Bi
2Te
2.7Se
0.3耦合制造了七對熱電制冷裝置，制備的熱電器件在300 K溫差下實現了約12.2%單腿發電效率，環境溫度下七對珀耳帖的最大冷卻溫差ΔT
max達到~61.2 K 。該研究對于SnSe晶體在發電和熱電冷卻中的實際應用非常重要。研究成果以“Lattice plainification advances highly effective SnSe crystalline thermoelectrics”為題發表于《Science》。該研究工作是趙立東教授課題組自2015年以來發表的第 8篇 Science。
03
圖文導讀
圖1. 通過晶格平整策略在 SnSe 晶體中實現高性能發電和Peltier冷卻。
結果優于大多數報道的單腿和多對熱電裝置在相似溫差下的轉換效率ΔT（圖1B）。當熱端溫度Th固定在~300 K（圖1C）時，與商用Bi2Te3基器件的冷卻性能相當。此外，在更高的Th條件下可以實現更大的ΔTmax值，在~343 K的Th時ΔTmax接近~90.6 K（圖1C）。
圖2.
展開 Abaqus和nTopology的晶格分析和設計
Abaqus和nTopology Element的晶格設計
目前，晶格結構設計仍是一個漫長而艱難的過程。傳統的設計工具缺乏足夠的靈活性，并且傳統分析和優化方法難以很好地集成到工程工作流中，但隨著Abaqus和nTopology的聯合，晶格設計、分析與優化已成為無縫銜接的重復流程。[增材]運動鞋底的晶格優化設計、[增材]Abaqus在晶格點陣結構設計上的應用
拓撲結構
晶格設計始于拓撲結構—節點與梁在結構中的位置和連接。拓撲設計決定了設計的載荷路徑和結構剛度，晶格拓撲可由周期性/重復性以及非周期性/隨機性等多種方法生成。
無論拓撲生成方法如何，首先應制定其設計空間，通過Abaqus對實體進行分析，可設計有效且高效的拓撲晶格結構（見圖1）。
圖1
基于Abaqus分析結果，使用nTopology Element軟件設計拓撲晶格結構。隨機拓撲結構將根據Abaqus場輸出改變梁密度，而周期拓撲結構在零件的不同區域使用不同的晶格單元。圖2是使用可變的周期拓撲（均基于六角棱鏡單元）來創建具有不同屬性區域。
圖2
一旦具有拓撲結構，就可重新分析該零件以了解其結構性能。可使用nTopology Element導出Abaqus輸入文件，其采用可用于3D打印的默認梁厚度。最后，對零件進行簡化梁（Beam）分析，見圖3。
圖3
如果需要，可以使用上述分析結果來修改拓撲設計，或利用Tosca軟件以優化梁單元的尺寸。在打印過程中，可將梁尺寸控制在可打印范圍內，保證足夠厚以便成功打印并且足夠薄而不需要支撐結構。即使有成千上萬的梁單元，優化過程也運行得很快。通過使用Tosca軟件時間驗證的優化方法其結果是有效和可靠的（見圖4）。
展開 《Nature Communications》晶格缺陷誘導金屬的選擇性氧化！
圖5.電鏡外自然氧化48 h后的Ag納米晶
總的來說，本工作從系統揭示了晶格缺陷誘發FCC金屬選擇性氧化的原子尺度機制，闡明了原子尺度上晶體缺陷與材料理化性能之間的內在聯系，為通過缺陷調控發展先進金屬納米材料提供了理論依據。本工作獲得了國家自然科學基金委的支持。
晶格結構3D打印背包腰部支撐，實現無汗徒步旅行
△裕克施樂3D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。
△裕克施樂制造的具有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。
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