3D打印晶格结构推动制造业创新，同时面临挑战

2024年12月12日

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蜂巢、蜘蛛网和珊瑚在结构上均展现出类似晶格组成的特征，通过组成单元的规律重复排列，形成了一种有序的结构。这种周期性排列是晶格结构的基本特征之一，而且这些来自自然的晶格结构都经过长时间的选择和进化，使得它们能够在各自的生存环境中表现出优异的性能。

如今，3D打印技术已经成为制造晶格结构的重要技术。3D打印的晶格结构也凭借轻量化、高强度重量比、材料节约、设计灵活以及优异的减震和热交换性能，在航空航天、汽车、医疗、体育用品、工业设备和消费产品等多个领域展现出广泛的应用前景，推动了相关领域的技术创新和效率提升。

晶格结构的类型

晶格结构有几十种类型，但最常见包括以下几种：

平面晶格采用二维（或平面）的单位晶胞排列，最常见的是蜂窝状结构，然后通过复排列或堆叠将其扩展到三维空间中。
三维均匀/周期性晶格由三维的单位晶胞组成，这些晶胞可以填充整个三维空间而不留空隙。常见的三维晶胞包括立方体、四面体、八面体、菱形十二面体等。
支柱晶格也称为桁架晶格，由一系列相互连接的杆件（支柱）组成，这些杆件可以以不同的方式连接，如顶点连接、边缘连接、面连接或多点连接。这种结构在轻量化设计、建筑结构和生物医学工程中很常见，它们可以在保持结构完整性的同时减少材料的使用。
三重周期极小曲面（TPMS）在三个维度上都是周期性的，并且在给定的体积约束下具有极小的面积。这些表面通常通过复杂的数学方程来描述，难以用传统的计算机辅助设计（CAD）工具直接生成。

使用3DXpert创建的一系列格子(来自 Oqton)

3D打印晶格结构以其独特的优点在多个领域得到了广泛应用。

轻量化是晶格的一种流行应用。通过在产品中添加晶格结构，可以用最轻的结构实现特定的性能。在航空航天工业中，晶格结构的引入可减少钛等昂贵材料的使用，同时不牺牲零件的结构刚性和完整性。

热交换器，作为一种高效促进两种流体间热量转移的关键装置，其性能提升显著得益于格栅的巧妙融入。格栅以其卓越的表面积与体积比特性，为热交换器效能的优化开辟了前所未有的新境界，极大增强了热交换过程的整体效能。

传统的油冷却器与带有螺旋叶片的新型热交换器

晶格结构也非常适合吸收冲击力。通过改变晶格的密度和类型，设计师可以创建比传统泡沫更有效吸收能量并重新定向的结构。这种结构可用于运动鞋和自行车头盔等消费品。

晶格结构在骨植入假体中能够精确模拟骨骼的微观结构，提供高度个性化的设计，增强假体与宿主骨之间的结合强度，同时促进骨组织再生，实现更自然、更持久的植入效果。

尽管3D打印晶格结构有非常多的优势，但此类结构的制造业面临一些挑战。复杂的晶格设计在3D打印过程中尤为棘手，因为它们往往导致3D模型的数据量极大，令计算机系统难以迅速而准确地转化为可打印的STL文件，这一过程不仅拖慢了速度，还增加了数据损失的可能性。

3DXpert软件在此方面提供了一种解决方案，它集设计与打印准备于一体，巧妙绕过了将晶格转换为STL文件的必要步骤，极大地提升了效率与准确性。

在骨整合产品的制造中，孔隙的精细分布是促进骨骼生长不可或缺的要素。3DXpert为此配备了专业的孔隙分布直方图工具，确保医疗级晶格产品的精准验证，同时，它还集成了防止晶格支柱突出、可能引发组织损伤的智能防护机制。

对于增材制造领域的初学者而言，构建拥有复杂晶格结构的产品无疑是一项艰巨任务。但3DXpert的专用程序以其强大的功能简化了这一过程，不仅使晶格结构设计变得直观易行，还优化了整个增材制造的工作流程，让即便是初学者也能轻松驾驭复杂晶格产品的制造挑战。