晶格結(jié)構(gòu)的案例
MSER（IF=36.214）頂刊綜述論文：金屬晶格結(jié)構(gòu)的增材制造
輕量化金屬晶格結(jié)構(gòu)實(shí)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(jié)構(gòu)填充的衛(wèi)星支架。
然而，增材制造技術(shù)也不是萬能的，在制備金屬晶格結(jié)構(gòu)方面仍然存在一些限制和挑戰(zhàn)。例如增材制造制備金屬的晶格結(jié)構(gòu)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(shù)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(xì)結(jié)構(gòu)稍顯不足；金屬晶格結(jié)構(gòu)往往需要經(jīng)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前尚未有針對性的表面處理技術(shù)。
近十年來，金屬晶格結(jié)構(gòu)與增材制造技術(shù)的結(jié)合受到越來越多的關(guān)注。為了確保增材制造技術(shù)制備的金屬晶格結(jié)構(gòu)在各個(gè)行業(yè)的可靠性，對其建模、優(yōu)化、材料、工藝參數(shù)、結(jié)構(gòu)以及性能之間的關(guān)系仍需要進(jìn)一步的理解。
*感謝論文作者團(tuán)隊(duì)對本文的大力支持。
展開 晶格結(jié)構(gòu)激發(fā)產(chǎn)品重塑
增材制造技術(shù)的一大特點(diǎn)對復(fù)雜細(xì)節(jié)的制造能力，晶格結(jié)構(gòu)就是最典型一種復(fù)雜結(jié)構(gòu)。不僅僅起到輕量化的作用，還可以使結(jié)構(gòu)獲得材料最低填充量的同時(shí)滿足結(jié)構(gòu)剛性的需求，并且還可以吸收沖擊能量以減緩振動(dòng)或者達(dá)到噪聲絕緣的目的。
晶格結(jié)構(gòu)的超輕型結(jié)構(gòu)適合用在抗沖擊/爆炸系統(tǒng)、或者充當(dāng)散熱介質(zhì)、聲振、微波吸收結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，所以說晶格可以是非常有用的，本期3D科學(xué)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(yīng)用，從而感受設(shè)計(jì)和制造晶格的挑戰(zhàn)。
圖片來源：雷尼紹
晶格的微妙畫風(fēng)
輕量化
晶格是輕量化的一大貢獻(xiàn)，通過消除不必要的材料，同時(shí)為剛性要求高的部分提供更堅(jiān)實(shí)的晶格結(jié)構(gòu)，減少材料浪費(fèi)。在設(shè)計(jì)輕量化結(jié)構(gòu)零件時(shí)，需要結(jié)合整個(gè)零件的功能實(shí)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(jī)排氣噴嘴冷卻結(jié)構(gòu)的原型， 是HiETA Technologies設(shè)計(jì)和制造的，材料為Inconel 625合金。 晶格用在該結(jié)構(gòu)中提供結(jié)構(gòu)剛度和熱傳遞作用。輕量化的設(shè)計(jì)不僅僅通過減少材料的浪費(fèi)來降低構(gòu)件的成本，由于較短的構(gòu)建時(shí)間，使得加工成本也降低了（考慮到增材制造設(shè)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(jié)構(gòu)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(gè)有前途的應(yīng)用領(lǐng)域是能量的吸收，晶格的兩種動(dòng)態(tài)屬性，其中一種是壓縮屬性，另一種是晶格結(jié)構(gòu)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(yīng)。通過對晶格材料的定制化設(shè)計(jì)，特別是針對應(yīng)用的具體需要，精確設(shè)計(jì)制造特殊的晶格材料。
晶格結(jié)構(gòu)的變形特性取決于其幾何特征（拉伸或彎曲為主） 和構(gòu)成材料（特別是其延展性）。
展開 3D打印復(fù)雜彈性晶格結(jié)構(gòu)
導(dǎo)讀：南極熊獲悉，總部位于德國的3D打印服務(wù)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(fā)復(fù)雜的彈性晶格結(jié)構(gòu)，本次資金由德國AiF資助。使用Carbon樹脂數(shù)字光合成 (DLS) 3D 打印技術(shù)和EPU41/EPU40材料，RPM計(jì)劃在明年與工業(yè)和消費(fèi)品領(lǐng)域合作伙伴一起為這些晶格結(jié)構(gòu)開發(fā)多種應(yīng)用。項(xiàng)目還將得到不倫瑞克技術(shù)大學(xué)微技術(shù)研究所的支持。
△RPM的3D打印晶格結(jié)構(gòu)。照片通過 RPM。
3D打印新應(yīng)用
RPM于2018年采用DLS技術(shù)，使公司成為歐洲首批提供Cabon 3D技術(shù)的服務(wù)機(jī)構(gòu)之一。RPM認(rèn)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(chǎn)了更多應(yīng)用系列組件，標(biāo)志著技術(shù)使用的轉(zhuǎn)變。RPM計(jì)劃在未來幾年里專注于建立3D打印晶格材料、設(shè)計(jì)規(guī)則和應(yīng)用知識庫，并在這一領(lǐng)域成為制造領(lǐng)導(dǎo)者。此外，RPM還將利用Carbon推出的自動(dòng)晶格生成工具Design Engine繼續(xù)對3D打印晶格結(jié)構(gòu)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(shí)間來打印。
RPM的銷售醫(yī)學(xué)博士Claus Thomy博士說：“這筆贈(zèng)款側(cè)重于DLS，因?yàn)镃arbon將批量生產(chǎn)置于開發(fā)最前沿。機(jī)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(diǎn)覆蓋各種新的業(yè)務(wù)。更重要的是，由于材料經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化和驗(yàn)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(bǔ)充道：“當(dāng)rpm使用僅在增材制造中可用的晶格結(jié)構(gòu)提高零件產(chǎn)品性能時(shí)，我們正在建立真正卓越的產(chǎn)品解決方案。”
展開 晶格結(jié)構(gòu)3D打印背包腰部支撐，實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)用于背包腰帶和背墊的泡沫。這種結(jié)構(gòu)具有完全集成的緩沖系統(tǒng)，可提供極大的舒適感：智能晶格幾何形狀通過精確校準(zhǔn)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(diào)節(jié)。
同時(shí)，這種高度創(chuàng)新的晶格設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)可最大限度地增加通風(fēng)并減少熱量積聚，從而顯著降低在身體接觸點(diǎn)的溫度和濕度積聚。
因此，裕克施樂團(tuán)隊(duì)通過對晶格結(jié)構(gòu)的特定區(qū)域進(jìn)行設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)的臀鰭和背墊設(shè)計(jì)
通過采用Forward AM 的Ultrasint? TPU01材料實(shí)現(xiàn)彈性晶格設(shè)計(jì)，這種高性能聚合物粉末使 3D 打印晶格結(jié)構(gòu)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(gè)單一的晶格元件生產(chǎn)——這意味著組裝步驟、時(shí)間和成本的巨大減少，因?yàn)椴恍枰z合或縫合。此外，這款配件還能實(shí)現(xiàn)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(qū)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(diào)節(jié)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(jié)構(gòu)在背包當(dāng)中的應(yīng)用探索已經(jīng)展開，南極熊期待這樣的應(yīng)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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3D打印晶格結(jié)構(gòu)的功能力學(xué)性能研究
《Fast Radius》最近發(fā)表一篇題為《使用連續(xù)液體界面生產(chǎn)增材制造制造的六邊形晶格結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性》的論文，對具有內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)的3D打印部件的特殊力學(xué)特性進(jìn)行了研究和詳細(xì)記錄。
該研究是伊利諾伊大學(xué)的一個(gè)聯(lián)合項(xiàng)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(gè)零件。然后他們光學(xué)掃描每個(gè)零件，然后對它們進(jìn)行工程應(yīng)力測試。結(jié)果表明，晶格結(jié)構(gòu)，也稱為架構(gòu)材料或機(jī)械超材料，可以用具有可預(yù)測性質(zhì)的3D打印可靠地制造。可以說零件盡管堅(jiān)固，但也很容易生產(chǎn)。此外，他們證明了他們可以通過調(diào)整晶格設(shè)計(jì)來增加模量和剛度。
“生產(chǎn)晶格結(jié)構(gòu)的能力是增材制造最激動(dòng)人心的機(jī)會(huì)之一，”Fast Radius首席執(zhí)行官Lou Rassey說。“Fast Radius認(rèn)為，在消費(fèi)產(chǎn)品，工業(yè)設(shè)備，汽車和航空航天領(lǐng)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(xiàng)研究，我們很高興公開展示了許多客戶已經(jīng)知道的內(nèi)容，即增材制造能夠以可重復(fù)的規(guī)模生產(chǎn)高質(zhì)量的晶格元件。”
正如我們最近所討論的，晶格結(jié)構(gòu)和工程內(nèi)部填充可以減少材料使用而不犧牲結(jié)構(gòu)完整性和強(qiáng)度。有許多行業(yè)可以將晶格結(jié)構(gòu)融入他們的設(shè)計(jì)中，包括航空航天、醫(yī)療、體育用品和建筑。
“工程師和產(chǎn)品設(shè)計(jì)師很高興在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中使用晶格元件，但缺乏對生產(chǎn)準(zhǔn)備的理解一直是一個(gè)主要障礙，”伊利諾伊大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程教授兼Fast Radius首席科學(xué)家金博士說，“我們發(fā)現(xiàn)，根據(jù)設(shè)計(jì)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(xué)性能接近人們的預(yù)期。我們很高興地證明這項(xiàng)技術(shù)正在成長，現(xiàn)在值得投入生產(chǎn)。”
展開 3D打印晶格結(jié)構(gòu)提升作戰(zhàn)頭盔能量吸收，General Lattice與美國陸軍簽訂合同
導(dǎo)讀：晶格結(jié)構(gòu)具有重復(fù)、多孔等特性，能夠吸收振動(dòng)能量，實(shí)現(xiàn)抗沖擊的特性。因此，備受運(yùn)動(dòng)以及軍用裝備的青睞。
△General Lattice頭盔晶格
南極熊獲悉，數(shù)字制造軟件公司General Lattice, Inc.正在開發(fā)預(yù)測建模工具包，根據(jù)真實(shí)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)和生成晶格材料，用于改進(jìn)美國陸軍作戰(zhàn)頭盔的沖擊吸收技術(shù)。為此，General Lattice已于2021年9月21日宣布與美國陸軍簽訂合同，進(jìn)行為期一年的研發(fā)項(xiàng)目。據(jù)悉，項(xiàng)目目前正在伊利諾伊州芝加哥的General Lattice工廠進(jìn)行。作為項(xiàng)目的一部分，General Lattice將與軍事和聯(lián)邦服務(wù)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(tǒng)設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)泡沫材料的功能幾乎已經(jīng)達(dá)到了可開發(fā)的盡頭，晶格材料成為了普遍公認(rèn)的替代性、創(chuàng)新性材料。隨著3D打印晶格結(jié)構(gòu)技術(shù)和材料的不斷改進(jìn)，這類結(jié)構(gòu)對于吸收沖擊能量的優(yōu)勢愈發(fā)明顯，并逐漸被制造商認(rèn)可并廣泛應(yīng)用，尤其是用于改善健康和安全。
△General Lattice的3D打印晶格結(jié)構(gòu)。照片來自General Lattice
許多公司都在積極設(shè)計(jì)和驗(yàn)證3D打印晶格結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，尤其是鞋類產(chǎn)品。阿迪達(dá)斯和Carbon聯(lián)合推出的Tokyo Collection 4DFWD跑鞋利用領(lǐng)結(jié)形FWDCELL格子中底將緩沖性能提高了23%，在垂直負(fù)載下的前向運(yùn)動(dòng)增加了三倍，同時(shí)將峰值制動(dòng)力降低了15%。
展開 隨形冷卻流道和晶格結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件，《賽車總動(dòng)員》玩具汽車模具是這樣做的
此外，晶格結(jié)構(gòu)還提高了掃描速度，更輕的重量也使生產(chǎn)更大尺寸的模具成為可能。
“Materialise 3-matic軟件幫助我們用優(yōu)化的晶格結(jié)構(gòu)替換了實(shí)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(yīng)力，從而縮短了打印時(shí)間，節(jié)省了成本。這種優(yōu)化使IPC能夠制造更大的模具，并獲得更高的投資回報(bào)。”IPC的項(xiàng)目經(jīng)理Jean-Christophe Bornéat說道。
基于這些生產(chǎn)優(yōu)勢，IPC的模具創(chuàng)造出了這些精美的汽車玩具。您可以在任何一個(gè)Smoby商店欣賞到這些玩具汽車！
巴斯夫3D打印SLA鞋楦，晶格結(jié)構(gòu)源自國產(chǎn)VoxelDance軟件
——巴斯夫鞋模白皮書，來源巴斯夫官網(wǎng)
上面帶有晶格結(jié)構(gòu)的模型，是由VoxelDance的歐洲代理商DREIGEIST打印。整個(gè)3D打印前數(shù)據(jù)處理都由Voxeldance Additive完成，打印機(jī)型號：聯(lián)泰UNIONTECH PILOT 250HD，材料：巴斯夫BSF RG35。
Voxeldance Additive使整個(gè)模型打印在一開始就變得高效和經(jīng)濟(jì)。添加晶格結(jié)構(gòu)節(jié)約了打印時(shí)間和材料，靈活的手動(dòng)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(yīng)切片功能節(jié)約了打印支撐的時(shí)間，針對切片的Z軸補(bǔ)償最高精度地還原了整個(gè)模型的實(shí)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(gè)鞋楦在Voxeldance Additive中3D打印前數(shù)據(jù)處理全流程。視頻內(nèi)容主要包括：
定義打印平臺，選擇打印機(jī)：UNIONTECH PILOT 250HD。
導(dǎo)入掃描零件，并修復(fù)零件，使其表面完全光滑。
縮放零件，使用預(yù)設(shè)的BASF材料收縮系數(shù)，補(bǔ)償材料收縮。
優(yōu)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(jié)構(gòu)和打孔，減少打印時(shí)間和節(jié)約打印材料。
使用預(yù)存的支撐腳本，自動(dòng)/手動(dòng)添加智能支撐。
使用添加智能支撐工具，在散落的晶格結(jié)構(gòu)底端手動(dòng)添加支撐。
為提高打印成功率，使用添加點(diǎn)支撐工具，為零件最低點(diǎn)添加支撐。
切片。使用自適應(yīng)切片功能，節(jié)約打印時(shí)間的同時(shí)，又能保證零件打印精度。
對零件切片進(jìn)行Z軸補(bǔ)償，提高零件打印精度。
導(dǎo)出切片為CLI格式。
展開 研究人員3D打印多晶格結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度提高7倍
2019年1月21日，外媒獲悉，在一項(xiàng)合作研究中，來自倫敦帝國理工學(xué)院和謝菲爾德大學(xué)的研究人員分析了3D打印物體的晶格結(jié)構(gòu)，并將其與金屬單晶的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較。他們發(fā)現(xiàn)晶格遵循冶金學(xué)原理并幾乎完全復(fù)制金屬的單晶結(jié)構(gòu)，其中3D打印晶格的節(jié)點(diǎn)與單晶原子相似，晶格支柱作為原子鍵。
在兩種結(jié)構(gòu)中，原子平面或晶格情況下的節(jié)點(diǎn)都是對齊的。對于在極端溫度下具有抗變形能力的某些應(yīng)用，例如噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，這是非常好的。然而，這些材料確實(shí)有它們的缺點(diǎn)：當(dāng)它們到達(dá)它們的斷裂點(diǎn)時(shí)，它們會(huì)發(fā)生災(zāi)難性的失敗。這是因?yàn)榱芽p總是沿著阻力最小的路徑，并且在單晶材料中，它總是直線，因?yàn)樗墓?jié)點(diǎn)是最弱點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)都是對齊的。
另一方面，多晶材料具有許多晶體，并且它們的原子平面是隨機(jī)排列的。通過在節(jié)點(diǎn)之間的各個(gè)方向上纏繞的最小阻力的路徑，這種材料中的裂縫將減慢。因此，如果3D打印物體的內(nèi)部晶格可以在多晶結(jié)構(gòu)之后建模，那么理論上這些物體應(yīng)該更強(qiáng)。
研究小組采用了多晶原子結(jié)構(gòu)模型，對其進(jìn)行了擴(kuò)展，并創(chuàng)建了用于3D打印的介觀結(jié)構(gòu);他們稱這些格子為元晶。他們的實(shí)驗(yàn)表明，具有多晶格子的3D打印物體比標(biāo)準(zhǔn)格子物體強(qiáng)7倍。對于重新排列某些幾何形狀而言，這是一個(gè)顯著的強(qiáng)度差異，但只有3D打印才能實(shí)現(xiàn)這一發(fā)現(xiàn)，因?yàn)閺淖置嫔峡矗瑳]有其他制造方法可以產(chǎn)生這些結(jié)構(gòu)。
謝菲爾德大學(xué)材料科學(xué)與工程系的教授解釋說：“這種材料開發(fā)方法對增材制造業(yè)具有深遠(yuǎn)的影響。物理冶金與建筑超材料的融合將使工程師能夠創(chuàng)造具有所需強(qiáng)度和韌性的耐損傷建筑材料，同時(shí)還可以改善建筑材料對外部載荷的響應(yīng)性能。
展開 基于增材思維的晶格單元性能數(shù)據(jù)庫建立及在鞋中底正向設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
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晶格結(jié)構(gòu)，是某種結(jié)構(gòu)的單胞在空間按照一定的規(guī)律組合成的結(jié)構(gòu)，能夠承載一定的受力并實(shí)現(xiàn)某種特定的功能。
晶格結(jié)構(gòu)屬于多孔材料的范疇，多孔材料可以分為兩類：
■ 一類是以無序?yàn)榈湫吞卣鞯亩嗫撞牧?#x2F;結(jié)構(gòu)，這類材料/結(jié)構(gòu)以泡沫為代表，根據(jù)他們的間隙結(jié)構(gòu)還可細(xì)分為開孔泡沫材料和閉孔泡沫材料兩種，開孔泡沫材料的空隙相互連通，閉孔泡沫材料的空隙互不連通；
■ 另一類是構(gòu)型有序的多孔結(jié)構(gòu)，按其周期性的維度可細(xì)分為二維有序多孔結(jié)構(gòu)和三維有序多孔結(jié)構(gòu)。晶格結(jié)構(gòu)屬于三維有序多孔結(jié)構(gòu)。
晶格結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、減震、吸能、降噪等優(yōu)良性能。以前受限于傳統(tǒng)制備工藝的約束，晶格結(jié)構(gòu)的應(yīng)用種類有一定的局限，而增材制造技術(shù)對于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的約束較小，可以實(shí)現(xiàn)更為合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以有效地實(shí)現(xiàn)整體化、輕量化制造。隨著增材制造技術(shù)的逐漸發(fā)展，基于增材制造的三維晶格結(jié)構(gòu)在包括航空航天、汽車制造、日用消費(fèi)品等領(lǐng)域的應(yīng)用得到了廣泛的關(guān)注，如何設(shè)計(jì)滿足特定性能及功能需求的晶格結(jié)構(gòu)來拓展零件功能，是當(dāng)前需要解決的關(guān)鍵問題之一。
安世亞太擁有20多年工業(yè)仿真、精益研發(fā)、先進(jìn)設(shè)計(jì)等技術(shù)在多個(gè)行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)積累，近年來布局構(gòu)建增材工業(yè)生態(tài)平臺，以增材思維為核心實(shí)現(xiàn)先進(jìn)設(shè)計(jì)和智能制造完整解決方案。公司在晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用領(lǐng)域也進(jìn)行了深入的研究，利用仿真技術(shù)搭建了基于增材思維的晶格結(jié)構(gòu)性能數(shù)據(jù)庫，并基于此數(shù)據(jù)庫開發(fā)多種應(yīng)用，本文將重點(diǎn)闡述基于增材思維的晶格結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫建立及其在鞋中底正向設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。
展開 基于增材思維的晶格單元性能數(shù)據(jù)庫建立及在鞋中底正向設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
一、晶格結(jié)構(gòu)的概念
晶格結(jié)構(gòu)，是某種結(jié)構(gòu)的單胞在空間按照一定的規(guī)律組合成的結(jié)構(gòu)，能夠承載一定的受力并實(shí)現(xiàn)某種特定的功能。晶格結(jié)構(gòu)屬于多孔材料的范疇，多孔材料可以分為兩類：一類是以無序?yàn)榈湫吞卣鞯亩嗫撞牧?#x2F;結(jié)構(gòu)，這類材料/結(jié)構(gòu)以泡沫為代表，根據(jù)他們的間隙結(jié)構(gòu)還可細(xì)分為開孔泡沫材料和閉孔泡沫材料兩種，開孔泡沫材料的空隙相互連通，閉孔泡沫材料的空隙互不連通；另一類是構(gòu)型有序的多孔結(jié)構(gòu)，按其周期性的維度可細(xì)分為二維有序多孔結(jié)構(gòu)和三維有序多孔結(jié)構(gòu)。晶格結(jié)構(gòu)屬于三維有序多孔結(jié)構(gòu)。
晶格結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、減震、吸能、降噪等優(yōu)良性能。以前受限于傳統(tǒng)制備工藝的約束，晶格結(jié)構(gòu)的應(yīng)用種類有一定的局限，而增材制造技術(shù)對于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的約束較小，可以實(shí)現(xiàn)更為合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以有效地實(shí)現(xiàn)整體化、輕量化制造。隨著增材制造技術(shù)的逐漸發(fā)展，基于增材制造的三維晶格結(jié)構(gòu)在包括航空航天、汽車制造、日用消費(fèi)品等領(lǐng)域的應(yīng)用得到了廣泛的關(guān)注，如何設(shè)計(jì)滿足特定性能及功能需求的晶格結(jié)構(gòu)來拓展零件功能，是當(dāng)前需要解決的關(guān)鍵問題之一。
安世亞太擁有20多年工業(yè)仿真、精益研發(fā)、先進(jìn)設(shè)計(jì)等技術(shù)在多個(gè)行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)積累，近年來布局構(gòu)建增材工業(yè)生態(tài)平臺，以增材思維為核心實(shí)現(xiàn)先進(jìn)設(shè)計(jì)和智能制造完整解決方案。公司在晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用領(lǐng)域也進(jìn)行了深入的研究，利用仿真技術(shù)搭建了基于增材思維的晶格結(jié)構(gòu)性能數(shù)據(jù)庫，并基于此數(shù)據(jù)庫開發(fā)多種應(yīng)用，本文將重點(diǎn)闡述基于增材思維的晶格結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫建立及其在鞋中底正向設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。
二、晶格結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
晶格結(jié)構(gòu)是由相同或者不同幾何形狀的晶格單元按照一定的規(guī)則組合而成的，所以晶格結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)包括晶格單元幾何形狀的設(shè)計(jì)和晶格結(jié)構(gòu)的組合設(shè)計(jì)。
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3D打印點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)：材料疲勞容限設(shè)計(jì)與制造的力學(xué)性能綜述
在沒有殘余應(yīng)力的情況下，可能影響晶格結(jié)構(gòu)疲勞行為的變化源除了上面提到的幾點(diǎn)外，還可能包括晶格結(jié)構(gòu)中的支柱連接，這也是本綜述關(guān)注的重點(diǎn)。
多孔材料示例：（A）閉孔泡沫（B） 開放式單元格（C） 規(guī)則點(diǎn)陣
設(shè)計(jì)和制造具有具有足夠抗疲勞的材料并能夠可靠預(yù)測其安全壽命是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。
該綜述文章總結(jié)了大量基于晶格結(jié)構(gòu)的文獻(xiàn)，以確定這些結(jié)構(gòu)的潛在和主要局限性，特別強(qiáng)調(diào)它們在承受循環(huán)疲勞載荷時(shí)的情況。研究人員的目的是“填補(bǔ)空白”，全面了解晶格結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵特征——疲勞如何嚴(yán)重降低其整體結(jié)構(gòu)完整性，并就如何解決這一問題提供完整和最新的技術(shù)。
有限元分析已經(jīng)在使用晶格結(jié)構(gòu)的實(shí)際幾何形狀，以比較真實(shí)幾何體和標(biāo)稱CAD幾何體中的應(yīng)力狀態(tài)，從而定性地將數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)疲勞數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。通過對試樣進(jìn)行顯微CT掃描獲得了打印完成的實(shí)際幾何結(jié)構(gòu)，以此對支柱連接處的應(yīng)力分布進(jìn)行的有限元分析表明，模型中的應(yīng)力集中程度較高；然而，模擬值仍然低于實(shí)驗(yàn)中預(yù)期的應(yīng)力集中程度。據(jù)報(bào)道，這是由于為了將有限元模型網(wǎng)格化而執(zhí)行的平滑程序使表面切口的嚴(yán)重程度降低了，盡管結(jié)構(gòu)中存在殘余應(yīng)力，在消除應(yīng)力后也會(huì)顯著影響數(shù)值分析的精度。
展開 3D打印TPU材料市場高速增長，南極熊專訪巴斯夫陳立博士
△3D打印晶格結(jié)構(gòu)的頭盔
滑雪鏡
德國領(lǐng)先的聚合物增材制造專家裕克施樂使用巴斯夫Forward AM的高性能彈性材料Ultrasint? TPU01打造基于晶格結(jié)構(gòu)的新型滑雪護(hù)目鏡，能有效提高滑雪愛好者的佩戴舒適度，起到防震效果，以防發(fā)生意外。
△基于晶格結(jié)構(gòu)的新型滑雪護(hù)目鏡
背包襯墊
德國領(lǐng)先的聚合物增材制造專家裕克施樂使用巴斯夫Forward AM的高性能彈性材料Ultrasint? TPU01 3D 打印具有晶格結(jié)構(gòu)的新型背包襯墊，能最大限度地提高背墊的緩沖性能和佩戴者的舒適度。
△具有晶格結(jié)構(gòu)的新型背包襯墊
交通行業(yè)
汽車座椅
巴斯夫Forward AM聯(lián)合惠普以及裕克施樂打印具有晶格結(jié)構(gòu)的汽車座椅，能實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)并提供符合人體工程學(xué)的定制化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)卓越的舒適性。由于與傳統(tǒng)的成型方法不同，不需要注塑或者發(fā)泡，裝配過程中的零件數(shù)量及其復(fù)雜性減少，能顯著縮短產(chǎn)品開發(fā)和制造運(yùn)營的交貨時(shí)間。
△具有晶格結(jié)構(gòu)的汽車座椅
摩托車鞍座
法國增材制造和塑料注塑領(lǐng)域的領(lǐng)先企業(yè) Erpro 使用虛擬技術(shù)進(jìn)行晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并使用巴斯夫Forward AM高性能聚合物粉末 Ultrasint? TPU01以及Ultracur3D? Coat F柔性涂層開發(fā)了一款高度個(gè)性化的摩托車鞍座。
△個(gè)性化的摩托車鞍座
工業(yè)行業(yè)
協(xié)作機(jī)器人
巴斯夫Forward AM 與裕克施樂合作，通過在協(xié)作機(jī)器人的關(guān)節(jié)周圍包裹上輕薄、高減震性的第二層“皮膚” RoboSkin，可以使人在零安全風(fēng)險(xiǎn)的環(huán)境中和協(xié)作機(jī)器人一同工作，制造商也能同時(shí)持續(xù)保持高水平的生產(chǎn)效率。
展開 利用lammps軟件計(jì)算硅的平衡晶格常數(shù)和體彈模量
Si為fcc晶格結(jié)構(gòu)時(shí)晶格長度與體系能量關(guān)系圖如圖，
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改寫后的sc、bcc腳本文件分別如圖所示
Si為sc晶格結(jié)構(gòu)時(shí)晶格長度與體系能量關(guān)系圖如圖，
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Si為sc晶格結(jié)構(gòu)時(shí)晶格長度與體系能量關(guān)系圖如圖，
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（2）體彈模量
利用gnuplot的二次擬合功能，對上述步驟中得出的晶格常數(shù)與體系能量關(guān)系圖進(jìn)行二次擬合，
f(x)=a+b*x+c*x**2
fit f(x) ‘data’ via a,b,c
得到各晶格結(jié)構(gòu)下的二次擬合函數(shù)表達(dá)式中的系數(shù)a，b，c，如圖
Si在diamond結(jié)構(gòu)下的擬合結(jié)果
Si在fcc結(jié)構(gòu)下的擬合結(jié)果
Si在sc結(jié)構(gòu)下的擬合結(jié)果
Si在bcc結(jié)構(gòu)下的擬合結(jié)果
結(jié)果與分析
（1）平衡晶格常數(shù)
由實(shí)驗(yàn)過程中所得的各個(gè)關(guān)系圖可知：
Si在diamond結(jié)構(gòu)下，平衡晶格常數(shù)為5.43095×10-10m，對應(yīng)能量約為-936.706eV；
Si在fcc結(jié)構(gòu)下，平衡晶格常數(shù)為4.110-10m，對應(yīng)能量約為-420eV；
Si在sc結(jié)構(gòu)下，平衡晶格常數(shù)2.6110-10m，對應(yīng)能量約為-109.65eV；
Si在bcc結(jié)構(gòu)下，平衡晶格常數(shù)為3.24510-10m，對應(yīng)能量約為-219eV；
從以上對比可得，Si能量為-936.706eV時(shí)為最小值，即對Si來說，diamond結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定，且此時(shí)平衡晶格常數(shù)為5.43095×10-10m。
（2）體彈模量
由體彈模量計(jì)算公式得。
展開 nTopology核心技術(shù)之場驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)
二、仿真結(jié)果驅(qū)動(dòng)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)梁直徑
基于Von Mises應(yīng)力結(jié)果創(chuàng)建了一個(gè)場，并使用這個(gè)場來控制點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中梁的直徑，將較粗的梁放在應(yīng)力較高的區(qū)域。
三、殼體變壁厚設(shè)計(jì)
用場來改變薄壁殼體的厚度。這個(gè)場可以使用結(jié)構(gòu)或熱分析的結(jié)果來構(gòu)建，或者以其他方式定義。
四、測試數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)晶格結(jié)構(gòu)
測量自行車鞍座上不同點(diǎn)的壓力。測量結(jié)果導(dǎo)入nTop平臺，用于創(chuàng)建一個(gè)控制晶格結(jié)構(gòu)的場。在壓力較高的地區(qū)，晶格單元較小。
五、應(yīng)力分析結(jié)果驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)
通過使用應(yīng)力分析結(jié)果來調(diào)節(jié)外壁厚度和晶格結(jié)構(gòu)中梁的直徑，減輕了這個(gè)零件的重量。
六、漸變表面紋理
用一個(gè)場來控制晶格結(jié)構(gòu)中梁的厚度。較厚的梁會(huì)產(chǎn)生更醒目的紋理，而非常薄的梁則會(huì)使紋理消失。像這樣的紋理經(jīng)常被應(yīng)用到消費(fèi)品上，以改善其外觀或防止它們從我們手中滑落。
七、場驅(qū)動(dòng)壓力容器設(shè)計(jì)
使用兩個(gè)不同的場來改變基于Gyriod晶格結(jié)構(gòu)的壓力容器壁厚和單胞大小。
八、場驅(qū)動(dòng)的穿孔圖案
場可以用來控制任何重復(fù)的設(shè)計(jì)特征。這里，場被用來控制手機(jī)殼（左）和格柵（右）上的穿孔圖案。
九、先進(jìn)制造
先進(jìn)的制造工藝可以制備出具有各向異性的材料，以及指定的幾何形狀。場驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)可以將幾何信息和功能信息構(gòu)建為場來控制材料屬性的方向，并通過先進(jìn)的制備工藝成型。
十、等柵格結(jié)構(gòu)（isogrids）的場驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
場被用來控制火箭噴管外側(cè)等柵格結(jié)構(gòu)中筋板的間距和高度。等柵格結(jié)構(gòu)能夠減輕零件重量并保證良好的剛度。
總結(jié)
場是nTop平臺的一個(gè)核心和普遍的概念。
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