终极指南：3D打印晶格结构的优缺点、案例及制作方法

　　3D打印中的晶格结构是一种强大的设计工具，它可以使零件更轻、更坚固，更有效地吸收冲击力，并更好地根据不同用途进行个性化定制。目前，主要应用在航空航天、医疗、工业、鞋类等不同领域，具有广阔的应用前景。同时，3D打印制造的这种具有复杂内部晶格结构的零件，具有其独特的优势，无法通过传统制造技术来制作。

　　在本文中，我们首先将给大家介绍什么是晶格结构以及它的优缺点；然后列举目前已使用这种结构的典型应用案例，从阿迪达斯跑鞋和专业自行车鞍座到工业散热器和骨科膝关节植入物等。 最后，我们将介绍不同类型的晶格类型及如何设计。

　　简单地说，3D打印的晶格结构是连接节点的重复或不重复的3维集合。在其最简单的形式中，多个晶格节点通过梁相互连接。梁和节点的集合采用规则和重复的3维形状，如立方体或四面体，这些形状通常被称为单元格。而这些单元的形状和密度将决定部件在施加载荷时的行为方式。

　　设计中使用晶格可以通过去除非关键区域的大部分材料来大大减少材料的使用量。比如在航空航天工业中，晶格结构的引入将减少钛或铬镍铁合金材料的使用，在不牺牲零件结构完整性的情况下，可以节省大量成本。

　　减少材料使用还有另一个好处——减轻重量。 在许多应用中，零件或组件的最终重量，通常越轻越好。这具有许多优势，从减少汽车应用中的燃料使用到改善医疗案例中的患者恢复时间，还有减轻飞机、航天器的重量。

　　晶格结构具有许多有利于吸收能量的特性，在消散冲击和冲击载荷方面非常有效。通过改变不同区域的密度，甚至细胞类型，在压缩过程中可以有效地吸收不同方向的能量。

　　复杂的晶格类型可以重新定向，同时根据材料的各种特性，在多个方向上更好地分配能量以吸收冲击力。

　　晶格结构为零件提供了更多的曲面，使得其表面积相比同尺寸的零件增加了很多倍，却又不会增加其总体占地面积。

　　尽管尺寸相同，右侧的晶格结构的表面积比左侧的圆柱体大 4 倍，重量却轻了 4 倍（来源：Printpool）

　　这对于涉及热交换或化学催化的应用非常有用，这些应用依赖于高表面积来实现其功能，传热或化学反应是其主要目标。其他优势还包括，医用植入物中创建晶格结构以促进骨生长，与患者自身的骨骼结构形成更牢固的结合。晶格结构的局限性虽然晶格结构有它很明显的优势，可以让零件更轻，材料更少，成本更低，效果更好，但确实也有一些局限性。在制造复杂非平面晶格结构时，我们应仔细考虑3D打印特有的经济性、时间、打印尺寸和材料选择，与传统加工方式做出对比选择，而不是强行使用3D打印晶格设计。当涉及大型晶格结构时，应力模拟，尤其是那些使用有限元方法的应力模拟，计算量可能非常大。同样，当具有大晶格部分的零件设计转换为STL文件时，超过500MB甚至1GB的文件大小很常见。这通常意味着除了最强大的计算机之外，进一步处理和切片可能是一个缓慢而困难的过程。晶胞的类型是晶格结构最重要的特征之一，目前供大多数工程师和设计师的选择有限。同时这也是一项高度专业化和技术性的工作，在使用上还有一定的技术门槛。

　　许多不同的行业在设计新产品时都利用了晶格结构的特性，近年来，利用晶格结构作为关键特征的新产品、应用和想法不断出现。这里列出了一些典型的应用案例。

　　意大利产品开发机构Puntozero与Formula SAE 团队Dynamis PRC合作，为他们的高压转换器冷板设计了基于陀螺单元的扭曲版本，该板比以前的设计轻 25%，表面积增加300%。

　　NanoHive Medical是一家美国医疗公司，专门设计独特的脊柱植入物，在手术期间用于治疗退行性脊柱疾病。 在这种情况下，晶格设计用于降低植入物的刚度，使力更多地传递到脊柱本身，从而减少钛植入物周围的骨萎缩。

　　Carbon 3D为Specialized自行车设计的这款3D打印自行车座椅可将坐骨压力降低多达26%，其格子结构包含约22,200 个支柱和10,700 个节点，所有这些都经过单独调整，以实现支撑和舒适的正确结合。

　　3D打印锂离子电池电极的新方法，加州理工学院的研究人员利用DLP 3D打印技术，制造出复杂的聚合物结构，然后通过热后处理转化为有用的电极材料。最终的碳和钴氧化锂结构分别被证明可以作为阳极和阴极使用，并称具有优异的电池性能和稳定性。

　　上述这种复杂的热交换器由GE制作，可用于优化900°C 二氧化碳的流动，是复杂晶格结构与金属3D打印相结合并实现卓越性能的一个很好案例。 GE对其设计采用了仿生学方法，反映了人类肺部的特性，以促进有效的热交换。

　　阿迪达斯与Carbon合作于2021年推出了4DFWD鞋，使用的树脂材料，跑鞋中底采用Carbon 3D打印的晶格结构。鞋跟和前脚掌部位的晶格形状和密度完全不同，而且整个中底的晶格结构密度也是连续变化的，从而为足部提供充分的缓冲力。

　　晶格都基于一个晶胞，这是重复单元，在多个方向上重复复制，以构成一个整体。这里给大家讲解一些常用的几种晶格类型。

　　三重周期性最小表面，TPMS当使用三角方程生成晶胞时，会创建例如“gyroid”。TPMS单元由单元内的所有点组成，像这样的不同但相似的方程会产生不同的TPMS晶格类型。

　　支柱格子由相互连接的梁组成，按照单元格定义的各种模式连接起来。支柱可以通过立方体单元的顶点、边和面连接起来，这些连接点的不同组合会产生不同的类型。

　　平面晶格是最简单的晶格类型，是在将2D晶胞挤压成3D时创建的。 最常见的平面晶格类型是蜂窝结构。通过在不同方向上随机改变其参数，这些类型的晶格中的每一种也可以从周期性晶格变为随机晶格。 通过在每个方向上赋予结构相似的特性（使其各向同性），使其在某些应用中可能更具优势。晶格结构设计目前市面上已经有很多可以制作晶格设计的软件，这里资源库为大家整理常见的几款，不同的软件操作复杂度不一样，可以进行多个安装对比测试，选择一款适合自己的。

　　通过使用隐式建模而不是实体建模，nTopology产生了一个极其快速和强大的软件包，可用于设计使用传统CAD无法实现的零件。nTop包含的晶格功能非常强大，几乎可以完全控制晶格结构的各个方面，包括定义自己晶胞的能力。

　　无论是使用Fusion 360还是Netfabb现在都可以使用新的晶格结构选项。一开始只有Netfabb有这个功能，2022年1月Autodesk已将其简化版本添加到了Fusion 360中，但作为可选项，需要单独购买（可免费试用7天）。目前，这些还是基础功能，只能实时查看晶格的效果。

　　Autodesk Netfabb具有强大的晶格生成能力，可以产生非常复杂的点阵设计。基于自带的Simulation Utility 和Optimization Utility模块，用户可根据分析结果在优化时直接修改设计，提高零件3D打印成功率，降低工艺试错成本，这个功能尤其在金属打印中比较重要。

　　这是由3D打印公司Carbon推出的3D打印晶格设计软件，目前Carbon通过该软件已设计生产了一些高性能，突破性的产品，例如运动鞋，自行车鞍座，和头盔。

　　目前这款软件已于2022年初宣布对外销售，新版本提供标准版、专业版和企业版。但真正有用的设计功能类型仅适用于更昂贵的“Pro”专业版本，该版本引入了晶格类型之间的过渡和梯度。

　　Grasshopper（简称GH）是一款可视化编程语言，它基于Rhino平台运行，内部模块能完美的和rhino集成在一起，配合使用操作更加高效快捷。

　　同时gh中含有近千种插件可供用户自由搭配选择使用，有编程基础的话甚至可以自己开发插件，开放性和灵活性都非常高。

　　3-matic是Materislise公司出品的基于数字化CAD（stl）的正向工程软件，所有操作都是基于三角面片进行处理。

　　但3-matic的晶格的随形设计和点阵的排布主要依靠UV-mapped的划分，这也导致点阵的分布不够灵活，尤其是遇到曲面随形时，UV-mapped的划分容易变形，从而引起点阵分布不均匀。

　　Hyperganic公司作为一个创业公司，成立于2015年，该软件专注于设计复杂的3D打印结构，其功能与nTopology类似。Hyperganic类似一组云端软件接口，将设计、模拟、自动摆放、切片等功能全部集成在该云平台上。

　　输入客户的3D打印机参数，晶格参数等一系列控制参数后，可输出直接用于3D打印机的格式，实现全自动流程。例如输入一个鞋中底模型后，通过调节可变参数，可自动生成cli切片格式的3D打印晶格鞋底。

　　3D-xpert是3D打印公司3D Systems研发的金属3D打印一站式解决方案软件。涵盖了金属增材制造的整个流程。

　　3D-xpert其中的三维建模模块拥有Cimatron的全部建模功能，而轻量化设计模块中有随形，均质、径向、随机、最小曲面等参数晶格，并且可实时显示已选择的晶格的元素数量，如角度、节点、体积，孔隙率等，帮助用户更快的设计出可3D打印的晶格结构。

　　同时，NX中的晶格结构现在还可以使用西门子的Simcenter 3D仿真进行优化，以在单一环境中获得最佳晶格结构。这消除了传统上所需的多个设计分析步骤。

　　OptiStruct是一个卓越的有限元结构分析和优化软件，内含一个准确快速的有限元求解器，用于进行概念设计和细化设计。它能够使用其设计优化功能集生成一系列不同的晶格类型。

　　OptiStruct的晶格结构方法不同寻常，因为它本质上与拓扑优化过程相关联。晶格设计后准确模拟晶格的能力也非常有用。