晶格結構
關注創建者：匿名 創建時間：2021-08-03
晶格結構的實例教程
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 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 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 △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。
展開 《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。”
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體心立方結構材料的工程常數
案例3：晶格結構（金剛石）
8. 按照案例1的相同步驟操作。為梁定義各向同性材料屬性（E=100MPa, ν=0.3）。注意，此材料屬性僅為示例，并不代表金剛石的真實值。
9. 定義金剛石形狀的晶格 RVE，屬性如圖 5 所示。生成網格。顧名思義，金剛石具有這種微觀結構。
圖5. 金剛石晶格結構的 RVE
10.
不同物質的分子鍵、晶格結構、電子能級決定了其獨特的光譜吸收、反射和發射特征。光譜是物質的“光學指紋”。
? 偏振（θ） ：決定表面的電磁響應與應力狀態。光波作為橫波，其電場振動方向攜帶了表面粗糙度、材料應力、邊緣特征等信息。索尼在Polarsens?技術文檔中明確指出，光具有亮度、顏色和偏振三個物理要素，偏振包含偏振度和偏振方向兩個獨立物理量。
本案例闡述了針對任意形狀三維部件實施Voronoi晶格結構劃分并導入ABAQUS的完整流程。
三維模型需在AutoCAD中構建，并借助CAD三維模型Voronoi劃分插件完成晶格劃分。
該模塊實現了幾何表達的跨代飛躍：即便生成
數萬個微細晶格結構，頁面依然能保持
毫秒級的實時響應與絲滑操作。通過其天然的連續性特征，為后續的隱式模型CAE求解與結構拓撲優化提供底層支撐。
其功能覆蓋線性/非線性結構分析、振動聲學、疲勞壽命、熱-結構耦合等多場景（例如電子設備的熱-結構協同仿真、新能源汽車電池包的電-熱-力耦合優化），尤其在輕量化設計與創新優化中表現突出：
支持拓撲優化（如復雜晶格結構）、形貌優化（薄壁件）等多種算法，可在滿足強度要求的同時實現材料高效利用；
通過統一模型架構，工程師能無縫銜接隱式與顯式分析（如從螺栓預緊力計算到跌落測試仿真），避免多軟件切換的效率損耗
隱式建模：擺脫傳統 CAD 的邊界表示限制，通過函數驅動、體素化生成，實現復雜晶格、多尺度結構的快速建模與優化迭代。
我們已實現：
減重40%的航空發動機支架（通過點陣結構與應力路徑優化）；
性能提升300%的熱交換器（基于流體仿真驅動的多孔結構設計）；
零裝配的一體化汽車懸架（借助 Altair Inspire 的制造約束算法）。
Altair 解決方案
RTI 運用 Altair? HyperWorks? 全平臺工具鏈完成了銑削頭的開發與驗證：
材料驗證：
通過準靜態與動態測試多角度打印樣本，使用 Altair? HyperStudy? 驗證實體與晶格結構的鋼材性能參數。
</p><p><strong>拓撲優化：</strong></p><p>運用 Altair? OptiStruct? 開展三類優化：</p><ul><li>經典拓撲優化</li><li>晶格結構優化</li><li>尺寸優化</li></ul><p>確保設計同時滿足性能與減重要求。
行業熱點丨手機中框設計如何體現增材思維？11個月前
通過增材設計思維在金屬邊框設計晶格結構，既能減輕重量，同時也有助于散熱，針對不同位置設計不同類型的晶格結構還能起到緩沖效果，提高手機抗沖擊能力。
1.高效熱傳導路徑：精心設計的晶格結構（尤其是金屬晶格，如銅、鋁）能提供連續、高效的熱傳導路徑。熱量可以沿著晶格的骨架結構快速從核心熱區傳導至設備外殼或專門的散熱區域。
晶格結構的使用被證明是增強傳熱從而提高熱交換器效率的一種可能方法。由于體積相對較小、重量輕且熱效率高，這些基于增材制造的換熱器已在航空航天、電子設備等領域得到廣泛應用。
