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在汽車零部件、醫(yī)療植入物、跑鞋和徒步背包中，我們看到越來越多的3D打印部件采用格柵或蜂窩圖案。你可能認為這些格子結(jié)構(gòu)是3D打印和增材制造（DfAM）設計中的最新創(chuàng)新，但實際上，我們始終被自然的格點包圍著。想想蜂巢、雪花、圍欄、海綿，甚至埃菲爾鐵塔！
格結(jié)構(gòu)是由相互連接的節(jié)點組成的網(wǎng)絡，排列成重復或逐漸變化的模式，稱為單元。這些設計在零件性能和生產(chǎn)方面都帶來了優(yōu)勢。在傳統(tǒng)制造中，晶格很少見，因為工藝無法產(chǎn)生如此復雜的幾何形狀。這正是增材制造真正閃耀的地方，使格子與3D打印完美結(jié)合。
一個3D打印的格柵結(jié)構(gòu)（圖片來源：Sculpteo）
在討論3D打印晶格結(jié)構(gòu)之前，我們先看看不同類型的晶格。原則上，晶格是通過連接節(jié)點和支柱形成的。根據(jù)節(jié)點和支柱的排列方式，可以出現(xiàn)規(guī)則或不規(guī)則的圖案。通過調(diào)整支柱密度以及晶體的幾何形狀和尺寸，可以微調(diào)彈性或剛度等屬性。晶格類型種類繁多，且持續(xù)的研究不斷發(fā)展出越來越多樣且性能更高的結(jié)構(gòu)。然而，最常見的晶格可以分為幾個主要類別：
有各種各樣的3D打印格狀結(jié)構(gòu)（圖片來源：深圳JR科技）
晶格也可以分為周期格或隨機格。周期晶格在整個結(jié)構(gòu)中保持均勻的模式，而隨機晶格則通過晶體形狀、大小和排列的變化來強化結(jié)構(gòu)在特定方向上。
晶格的選擇取決于其預期用途。設計考慮了合適的幾何形狀和單元尺寸，以及所需的剛度。屈曲行為，即結(jié)構(gòu)在壓力下的變形方式及其方向，也被分析。此外，設計者還常考慮晶格變形時是否能吸收能量。
要設計3D打印格點，需要專用設計工具。雖然一些建模軟件提供基本的格點函數(shù)，但專注于拓撲優(yōu)化或生成式設計的軟件更為可靠。生成式設計基于所需零件屬性和所選打印方法計算最優(yōu)設計。如果設計包含晶格，晶格的晶格形狀、密度和排列也會在此過程中確定。
有許多工具可用于優(yōu)化三維模型和創(chuàng)建格結(jié)構(gòu)，包括Autodesk Within、nTopology的nTop、Core Technologie的4D_Additive Meshify、Netfabb和Hyperganic的HyDesign。設計的選擇取決于應用、材料和印刷技術。
通過Hyperganic的HyDesign，你可以設計格狀結(jié)構(gòu)（圖片來源：Hyperganic）
用3D打印制作格柵結(jié)構(gòu)更容易，因為它們通常非常復雜和精致。此外，打印格點比打印固體結(jié)構(gòu)更快。理論上，可以使用多種材料和印刷技術，但每種工藝都有其獨特的需求：
在FDM和SLA打印中，大型格點結(jié)構(gòu)需要支撐結(jié)構(gòu)。
對于基于粉末的工藝，如SLS或MJF，必須提供足夠的接入點以實現(xiàn)有效的粉末去除。
在DMLS中，必須考慮額外的支撐，以避免無支撐橋梁的2毫米限制。
這些要求通常會在設計階段被考慮。
所需的部件屬性及其應用被納入晶格結(jié)構(gòu)的設計中（圖片來源：nTopology）
主要挑戰(zhàn)包括單元的方向、光束間距以及相對于打印平臺的角度。格子既要滿足最終部件的目標，又要具備制造性。此外，晶格設計的數(shù)字文件可能非常大（超過1GB），并且需要大量計算能力進行仿真。
然而，這些益處眾多：
材料節(jié)省：格柵允許更輕的部件，降低成本并提升性能，尤其是在輕質(zhì)結(jié)構(gòu)中。
質(zhì)量提升：格柵能增強減震，提高柔韌性，反過來增強剛性，使產(chǎn)品更耐用。
具體應用：晶格增加熱交換器的熱交換面積，促進醫(yī)療植入物中的骨生長。
Toucan Beak，一臺3D打印的熱交換器，內(nèi)部有格柵結(jié)構(gòu)（圖片來源：Aidro）
現(xiàn)在讓我們看看3D打印格柵在哪些應用領域展現(xiàn)了其潛力。在醫(yī)療領域，格柵不僅用于植入物（如前所述），還用于假肢和矯形器，以優(yōu)化重量、強度和舒適度。
晶格結(jié)構(gòu)在需要高性能和輕量化的應用中尤為有利，如汽車、航空航天和航天行業(yè)。例如，利用格子和nTop中的“殼牌與晶格”功能，Aerojet Rocketdyne成功將四驅(qū)發(fā)動機本體重量減輕67%，生產(chǎn)成本降低66%。
Aerojet Rocketdyne發(fā)動機缸體采用晶格結(jié)構(gòu)減輕重量（圖片來源：nTopology）
格柵在體育和消費品領域也越來越重要和受歡迎。3D打印的格柵結(jié)構(gòu)越來越多地被用于防護裝備和填充物。這些格柵出現(xiàn)在自行車坐墊、頭盔墊、防護服和鞋底中底中。尤其是在跑鞋方面，它們被期望能改善能量傳遞和整體性能。
同樣的邏輯也適用于汽車安全座椅和背包。例如，戶外設備專家Oechsler利用Materialise的Magics軟件提升了其創(chuàng)新背包的格柵結(jié)構(gòu)舒適度。家具也開始采用格柵，盡管在這種情況下美觀往往優(yōu)先于輕量。
這些例子表明晶格已經(jīng)存在于許多應用中。隨著3D打印工業(yè)化的持續(xù)推進和設計可能性的不斷演進，這一趨勢預計不僅將繼續(xù)，未來還會愈發(fā)強勁。
用于減震和提升舒適度的格柵結(jié)構(gòu)（圖片來源：Oechsler）
封面照片來源：達索系統(tǒng)
