金屬晶格結構的案例
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 《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。孔隙率對限制熱傳導是有用的。 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
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。
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 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
△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 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 研究人員3D打印多晶格結構，強度提高7倍
2019年1月21日，外媒獲悉，在一項合作研究中，來自倫敦帝國理工學院和謝菲爾德大學的研究人員分析了3D打印物體的晶格結構，并將其與金屬單晶的結構進行了比較。他們發現晶格遵循冶金學原理并幾乎完全復制金屬的單晶結構，其中3D打印晶格的節點與單晶原子相似，晶格支柱作為原子鍵。
在兩種結構中，原子平面或晶格情況下的節點都是對齊的。對于在極端溫度下具有抗變形能力的某些應用，例如噴氣發動機，這是非常好的。然而，這些材料確實有它們的缺點：當它們到達它們的斷裂點時，它們會發生災難性的失敗。這是因為裂縫總是沿著阻力最小的路徑，并且在單晶材料中，它總是直線，因為它的節點是最弱點，節點都是對齊的。
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排列的。通過在節點之間的各個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打印物體的內部晶格可以在多晶結構之后建模，那么理論上這些物體應該更強。
研究小組采用了多晶原子結構模型，對其進行了擴展，并創建了用于3D打印的介觀結構;他們稱這些格子為元晶。他們的實驗表明，具有多晶格子的3D打印物體比標準格子物體強7倍。對于重新排列某些幾何形狀而言，這是一個顯著的強度差異，但只有3D打印才能實現這一發現，因為從字面上看，沒有其他制造方法可以產生這些結構。
謝菲爾德大學材料科學與工程系的教授解釋說：“這種材料開發方法對增材制造業具有深遠的影響。物理冶金與建筑超材料的融合將使工程師能夠創造具有所需強度和韌性的耐損傷建筑材料，同時還可以改善建筑材料對外部載荷的響應性能。
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。
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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 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
為了生產小型“閃電麥昆車”，IPC決定采用能夠精確遵循汽車形狀的冷卻通道，并利用晶格結構進行減重，打印出性能比以往更好的金屬模具。
閃電麥昆車的金屬3D打印模具，圖片由IPC提供
目標：結合專業的設計和仿真技術加速生產流程
步驟（一）隨形冷卻流道
對于客戶Smoby ，IPC非常重視，在進行小車模具生產時，他們考慮到：如果玩具汽車使用直形冷卻通道，則靠近通道的部分冷卻速度更快，整個小車的冷卻就需要更長時間。此外，變形的風險也會更高。
因此，他們選擇與Materialise合作制作有3D打印隨形冷卻流道的模具，不僅能更快地冷卻，模具質量也更輕。
“對于IPC而言，使用金屬增材制造生產注塑成型模具的主要優勢是可以創建隨形冷卻通道。這使IPC能夠縮短生產周期并提高部件質量。”——Jean-Christophe Bornéat, IPC 項目經理
模具的隨形冷卻通道，圖片由IPC提供
步驟（二）采用晶格結構減重
為了進一步優化模具性能，IPC決定用輕量化結構替代汽車模具的某些實體部分。首先使用Altair軟件優化模具的拓撲結構，同時記下外表面上的壓力，確定可以用晶格結構填充以實現減重的部分。然后將這些結果導入到Materialise 3-matic軟件中，進行表面平滑處理，獲得可以打印的3D模型。
展開 新金屬3D打印技術允許激光設備逐滴打印金屬結構
近日從外媒獲悉，特溫特大學的荷蘭研究人員開發了一種新的金屬3D打印技術，該技術允許激光設備逐滴打印金屬結構，包括純金，打印精度可以達到幾微米尺度。
通常，金屬結構可以通過光刻方法，鑄造，選擇性激光燒結或熔化來制造。然而，這些新方法還不適用于特征尺寸小于約10μm的金屬的3D打印，這對于電子設備而言將是非常有意思的。
新金屬3D打印技術允許激光設備逐滴打印金屬結構研究人員的新技術被稱為激光誘導正向傳輸（又稱“LIFT”），它使用超短激光脈沖來熔化納米厚度薄膜中的微小金屬。這形成了熔融金屬的微滴，其可以噴射到目標位置后并固化。由于這種技術，UT研究人員能夠逐滴構建一個帶有銅和金微滴的螺旋微結構。這兩種金屬具有相似的熔點，在這種情況下，銅作為支撐，金可以在其上形成。
新金屬3D打印技術允許激光設備逐滴打印金屬結構激光打印技術：通過依次打印銅和金，將銅蝕刻掉，產生純金的獨立螺旋金屬液滴的體積只有幾個飛升（一萬億分之一）。制造液滴的方式是使用超短脈沖的綠色激光照射金屬。這種精確的液滴產生使得結構能夠精心構造，高度僅為幾十微米，并且具有小于10μm的細節，具有最小的表面粗糙度（約0．3至0．7微米）。對于研究人員來說，一個關鍵的問題是兩種金屬是否會在它們的界面混合：這會對蝕刻后產品的質量產生影響。研究人員在增材制造中寫道，這些金屬之間沒有混合的跡象。
新金屬3D打印技術允許激光設備逐滴打印金屬結構一旦結構完成，研究人員就在氯化鐵中使用化學蝕刻來完全去除銅支架。通過這樣做，他們留下了純金的獨立螺旋復合材料。
螺旋的頂視圖（c）表明它是三維的，具有中心空隙。
展開 基于Lumerical fdtd的超透鏡設計(介質天線結構和金屬諧振結構)
圖4 金屬諧振結構在寬波長范圍下的反射率曲線和反射相位曲線
同樣，也可以對金屬諧振結構表面的電場和磁場進行模擬和輸出，如圖5所示。這一步驟與超材料吸波體、電磁誘導透明和超材料濾波器等器件的模擬基本一致。與介質天線結構類似，后續也需要對不同參數下的金屬諧振結構進行掃描并將其相位進行輸出，以便后續超透鏡的相關設計。
圖5 金屬諧振結構的表面電場圖和磁場實部圖
以上工作準備完成后，我們才可以根據超透鏡的功能需求對其陣列進行設計以及相關的建模和仿真工作.
lumerical一對一培訓介紹:
Lumerical培訓
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微信公眾號:320科技工作室
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