理解3D打印點陣結(jié)構(gòu)的性能以及設(shè)計規(guī)則

魔猴君  行業(yè)資訊   2214天前

胞元結(jié)構(gòu)是3D打印的一個重要的研究領(lǐng)域，正如建筑用的掏空磚，胞元的應(yīng)用減少了材料的使用，有效幫助實現(xiàn)輕量化。四種常見的胞元結(jié)構(gòu)包括蜂窩，開孔泡沫，閉孔泡沫與點陣結(jié)構(gòu)。

點陣結(jié)構(gòu)材料由于在熱、電和光學(xué)性能等方面具有的優(yōu)勢，以及作為潛在的輕量化材料而受到人們關(guān)注。點陣結(jié)構(gòu)，為實現(xiàn)零部件不同的外觀和性能打開了一扇門。點陣結(jié)構(gòu)所固有的復(fù)雜性，使得3D打印/3D打印技術(shù)與其制造有著天然的結(jié)合點。3D打印的一大優(yōu)勢是靈活性以及打印成本對產(chǎn)品的復(fù)雜性不敏感，這也是復(fù)雜的點陣結(jié)構(gòu)成為3D打印領(lǐng)域的一大熱門研究方向的主要原因。

在使用3D打印技術(shù)作為點陣結(jié)構(gòu)的制造方式時，設(shè)計師能夠釋放和發(fā)掘點陣結(jié)構(gòu)的功能和潛力，從而提高其產(chǎn)品的性能。同時，點陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路也可以促使設(shè)計者重新思考部件所需的性能，以探索更多的設(shè)計空間。

結(jié)構(gòu)與功能的結(jié)合

自然界中隨處可見點陣結(jié)構(gòu)，如骨骼和金屬晶體等。在產(chǎn)品設(shè)計時，利用點陣的機(jī)械效能，如超大表面積，優(yōu)異的減震性能，抗沖擊保護(hù)等，能夠解決傳統(tǒng)制造的限制，創(chuàng)造新的、更高性能的產(chǎn)品。

優(yōu)異的強(qiáng)度-重量比

通常有兩種途徑可以改善部件的強(qiáng)度-重量比。傳統(tǒng)制造中，是通過減少非關(guān)鍵區(qū)域的材料來減少材料的使用，以減輕重量。而點陣設(shè)計卻可以同時減少部件關(guān)鍵區(qū)域中的材料以減輕重量，這樣做有時確實降低了部件的整體強(qiáng)度，但卻可以提高強(qiáng)度 – 重量比。

超大的表面積

點陣結(jié)構(gòu)材料不僅重量輕，并且可以釋放大量的表面積 ，這類結(jié)構(gòu)能夠促進(jìn)熱交換和化學(xué)反應(yīng)。點陣結(jié)構(gòu)可以顯著增大有效表面積，如果散熱器中充滿冷空氣，也可以快速帶走熱量。以計算機(jī)熱交換器為例，計算機(jī)處理器的性能往往會受到產(chǎn)生的熱量的影響，熱交換器的工作就是在風(fēng)扇的協(xié)助下，將熱量從芯片中除去并將其排出到大氣中，該系統(tǒng)的整體效率與散熱器的表面積息息相關(guān)。然而，如果沒有3D打印技術(shù)，“小” 特征想具有大表面積是難以實現(xiàn)的。

目前，從汽車、航空航天、能源到電子行業(yè)等都在嘗試使用點陣結(jié)構(gòu)提高熱交換效率。比如說，根據(jù)市場研究，UTC聯(lián)合技術(shù)在其燃?xì)鉁u輪引擎部件內(nèi)部設(shè)計了點陣結(jié)構(gòu)，它們的作用是為燃?xì)鉁u輪引擎部件提供有效的局部對流冷卻，使得部件可以經(jīng)受通過關(guān)鍵流動路徑的熱燃燒氣體的高溫。這些點陣結(jié)構(gòu)可以通過粉末平臺激光熔融3D打印技術(shù)來生產(chǎn)，還可以通過電子束熔化（EBM）工藝來生產(chǎn)。由于點陣結(jié)構(gòu)的存在，引擎保持了廣泛的熱交換表面，可以得到較高的散熱表面/體積比。

優(yōu)秀的減震和沖擊保護(hù)

點陣結(jié)構(gòu)運(yùn)動鞋中底，圖片來源：Carbon

點陣還可以通過更好地吸收能量來保護(hù)產(chǎn)品。例如有點陣結(jié)構(gòu)的運(yùn)動鞋中底和橄欖球頭盔緩沖結(jié)構(gòu)，在受到外力作用時，它們可以吸收撞擊力起到安全保護(hù)的作用。

理想的吸振和降噪功能

噪音和振動令人不悅，有時振動甚至?xí)档蜋C(jī)器性能。3D打印的點陣還可以降低機(jī)械噪音和振動。由于剛度低，承受和恢復(fù)大應(yīng)變的能力強(qiáng)，點陣在抑制振動方面很有效。例如，點陣可以運(yùn)用到重型設(shè)備上的隔離墊中，以減少進(jìn)入制造系統(tǒng)的能量。點陣的可調(diào)特性也使得工程師可以改進(jìn)設(shè)計以匹配其特定應(yīng)用要求。

點陣結(jié)構(gòu)可以作為先進(jìn)的阻尼材料。根據(jù)市場研究，波音公司與HRL實驗室共同研發(fā)了一種輕若鴻毛的微點陣阻尼材料，這一技術(shù)展示了獨(dú)特的3D打印微點陣結(jié)構(gòu)材料的巨大潛力。HRL實驗室通過3D打印技術(shù)創(chuàng)造的這一突破性的金屬結(jié)構(gòu)，其基本的架構(gòu)是通過紫外光固化聚合物形成的模板。然后使用化學(xué)電鍍的方法為模板鍍上一層超薄的鎳，再除掉熱聚合物模板材料，只留下掏空的金屬結(jié)構(gòu)。該金屬結(jié)構(gòu)的99.99%都是空氣，納米固體結(jié)構(gòu)只占0.01%，掏空管殼厚度僅100納米，比頭發(fā)細(xì)1000倍。通過利用中空管彎曲的能量吸收機(jī)構(gòu)（如微點陣所提供的），HRL實驗室的研究結(jié)果可以提供高阻尼的性能，特別是適用于聲學(xué)，振動或沖擊領(lǐng)域的阻尼用途。

通過設(shè)計釋放點陣結(jié)構(gòu)的潛能

點陣結(jié)構(gòu)可以整合入零部件的設(shè)計中，不僅是從整體外觀上與傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計區(qū)別開來，還能夠?qū)崿F(xiàn)減輕重量、散熱、緩沖等不同的功能。除此之外，不同的點陣細(xì)觀結(jié)構(gòu)還將實現(xiàn)不同的力學(xué)性能。那么，如何才能釋放點陣結(jié)構(gòu)的種種潛能，確保3D打印部件符合設(shè)計意圖呢？此時，遵循為3D打印而設(shè)計（DfAM）的原則變得尤為重要, 即通過形狀、尺寸、層級結(jié)構(gòu)和材料組成的系統(tǒng)綜合設(shè)計，最大限度提高產(chǎn)品性能。一些重要的DfAM因素包括胞元（點陣的基本單位）結(jié)構(gòu)、大小和比重，材料選擇和胞元方向等。

點陣胞元結(jié)構(gòu)

點陣胞元結(jié)構(gòu)形式眾多，它們是點陣中的基本單元，常見的點陣胞元結(jié)構(gòu)有立方體，星形，八角形，六邊形，菱形和四面體等。

鈦合金“蜘蛛”架，由雷尼紹AM250制造，Altair Optistrut軟件, 和Materialise Magics 軟件生成

點陣胞元結(jié)構(gòu)可以調(diào)整甚至混合使用以得到部件所需的效果，選擇不同的結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生不同的效果，比如說有的結(jié)構(gòu)可以得到更高的剛度 – 重量比，有的結(jié)構(gòu)可以更好地抑制能量，有的結(jié)構(gòu)更加具有美感。

點陣胞元結(jié)構(gòu)的大小和比重

點陣胞元結(jié)構(gòu)的大小和比重是指單個胞元的大小以及在一個空間內(nèi)胞元的數(shù)量。點陣胞元本身的大小取決于其節(jié)點和連接節(jié)點的梁的厚度和長度。較大的胞元更容易打印，同時也更硬。相應(yīng)的，較小的胞元更均勻，但會受到特征尺寸的限制。在進(jìn)行點陣結(jié)構(gòu)設(shè)計時，可以在單個產(chǎn)品的不同位置上設(shè)置不同的比重以實現(xiàn)機(jī)械性能。通過傳統(tǒng)制造技術(shù)實現(xiàn)這些性能，需要進(jìn)行多個部件組裝，而3D打印可以在單一產(chǎn)品中形成不同的功能性能區(qū)域。

材料的選擇

制造材料決定了點陣的特性。彈性或軟質(zhì)材料通常需要設(shè)計成較小和較密集的胞元群以減少打印期間的下垂。剛性材料在打印點陣時具有更大的設(shè)計范圍，胞元可以具有更大的尺寸和更少的數(shù)量。

點陣胞元結(jié)構(gòu)的方向

打印時的擺放方向?qū)c陣結(jié)構(gòu)是否能夠打印成功產(chǎn)生影響，擺放方向會影響打印對象所需支撐的數(shù)量和位置。通常，合理擺放的點陣結(jié)構(gòu)是自支撐的，不需要單獨(dú)添加打印支撐構(gòu)造。比如說，在粉末平臺激光熔融3D打印技術(shù)中，一般來說與加工托盤形成的角度小于45度的懸伸結(jié)構(gòu)需要支撐，在擺放點陣結(jié)構(gòu)時，應(yīng)選擇可實現(xiàn)最理想的部件自身支撐的擺放方向，以便盡可能降低加工成本并減少后期處理工作。

點陣結(jié)構(gòu)的建模和3D打印中還存在不少挑戰(zhàn)。 一個關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是要證明設(shè)計的性能可重復(fù)性，特別是在抗疲勞方面。由于點陣結(jié)構(gòu)的表面和尖銳的交叉點大量，這帶來了應(yīng)力集中。

在點陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計方面，軟件企業(yè)與3D打印企業(yè)以及點陣結(jié)構(gòu)應(yīng)用企業(yè)進(jìn)行了大量探索。例如，在軟件企業(yè)中，安世中德針對3D打印點陣結(jié)構(gòu)仿真分析，開發(fā)了多尺度算法仿真軟件Lattice Simulation,基于多尺度算法，用戶可以采用等效均質(zhì)化技術(shù)對點陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析,并且提取非均質(zhì)化點陣結(jié)構(gòu)的等效材料參數(shù)，在均質(zhì)化等效實體模型宏觀力學(xué)分析后，可以通過局部分析對胞元結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力校核。在應(yīng)用企業(yè)中，中國空間技術(shù)研究院總體部根據(jù)三維點陣的胞元形式的特點，結(jié)合三維點陣在航天器結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的實際情況，提出三維點陣結(jié)構(gòu)胞元的表達(dá)規(guī)范，即通過胞元占據(jù)的空間并結(jié)合胞元桿件的直徑來表達(dá)三維點陣結(jié)構(gòu)胞元的設(shè)計信息。