3D打印24种晶格结构，尼康SLM和用户共同探索轻量化和装甲防护

3D打印技术参考注意到，尼康SLM Solutions与德国国防客户合作，探讨了如何使用3D打印制造出轻量化的防护结构的问题。

他们设计了24种晶格夹层板，分别进行了破坏性测试，来确定哪种结构的动能吸收效果最好。

在确定最佳结构后，他们将再引入高强度材料，与之前的最佳结构相结合，进一步提升防护性能。

➡️ 减轻重量和提升防护

尼康SLM Solutions指出，他们在国防市场中看到了两大需求——柔性制造和轻量化结构。

对于柔性制造而言，它是指能够在不同产品之间快速低成本的自由切换，灵活适应多类型产品的制造需求。这一点非常契合3D打印技术的制造特征。

而对于轻量化的防护结构而言却并不简单。对于国防用户来说，所面对的是高速冲击性，具有高能量吸收能力的防护装甲，并非随便往里面塞个晶格就能满足要求的。

这也是合作双方测试24种结构的原因。所涉及的机构有菱形、棱柱体或类网格结构等；单元结构的厚度也存在差异，即可以是均一厚度，也可以是梯度厚度。

➡️集成载荷分散功能

笔者在介绍中留意到一个特别的说辞——集成载荷分散功能。

细查发现，它是指当装甲车辆受到冲击时，通过特殊设计的内部结构，将集中在某个点的巨大能量迅速分散到更大的面积或整个结构上。

这种效果恰好能够体现特殊三维结构的力学特性。这些几何结构本身就能把垂直方向的冲击力，转化为结构单元的拉伸、压缩、弯曲或扭转力，从而把力分散到多个支撑面上。此外，晶格密度设置为梯度效果，也可以引导能量按照设计好的路径传递和扩散，避免应力集中。

尼康SLM Solutions使用其12激光的NXG XII 600一次就打印完成了这24种设计。虽然并没有测试板材具体的尺寸数据，从图片中可以预测应该在30cm左右。随后研究人员对这些防护板进行了爆炸性测试，从中确定最优的结构。

➡️从国防到汽车应用

如果说国防和航空航天距离大多数人太远，那么汽车应用就与大多数相关。

笔者在此前介绍过，已经有研究开始探索将3D打印的晶格用在汽车防撞结构上。研究人员采用钢材，将螺旋晶格填充其中，借助冲击下晶格的扭转作用来吸收能量。

它的特别之处就在于能够实现自适应扭转。研究人员之处，当前的绝大多数防护材料都是静态的，无法适应不断变化的环境。而螺旋晶格的引入，可以根据装机类型和严重程度自行调整和改变自身特性，来减轻撞击影响。

结果表明，他们所开发的结构具有提供多种防护能力的潜力，从刚性屏蔽到柔性能量吸收均可实现。

➡️ 晶格结构的两种形式

晶格结构的性质取决于单元的几何形状、密度、尺寸、维度和排列方式。根据拓扑结构，它们可以分为基于支柱和基于表面两大类。

支柱晶格由支柱和节点组成。根据设计目标又可以分为仿生结构和工程结构。

仿生结构是在模拟生物系统和自然构造，如Voronoi结构、Kelvin单元、金刚石结构、菱形结构和八面体结构等；工程结构优先考虑力学性能的优化，而非模仿自然结构，如体心立方结构、简单立方结构、八面体梯形结构、六方结构、立方八面体结构和截角八面体结构。

表面晶格结构是由预定义的表面或几何形状生成，被大家所熟知的就是TPMS晶格，也就是三重周期极小曲面结构。此类晶格的设计目标是贴合表面轮廓、优化材料分布和力学性能。

TPMS晶格属于是仿生设计，它们模拟了生物系统中自然存在的几何形状，如骨小梁、生物膜等。笔者查询到，这些曲面能够用极少的材料保持很高的结构效率，从而实现轻量化和高比刚度。

讨论

从这些介绍就可以看出，不同的晶格结构类型在性能表现方面差异巨大，具体表现在机械强度、能量吸收、散热和生物相容性上的不同。所以，不同的应用领域，选择的晶格类型可能存在很大不同。

而在晶格结构生成方面，笔者注意到，漫格科技的软件在处理TPMS曲面晶格、支柱晶格方面具有显著优势，不仅能够高效设计，而且具有高速的处理能力。

此外对于应用来说，像尼康SLM Solutions这样的头部金属3D打印企业，仍然需要针对具体行业进行大量测试。因此我们能够得出结论，晶格结构的高效利用是一门学问，需要细致的研究。

注：本文由3D打印技术参考创作，未经授权，谢绝转载。#晶格结构 #3D打印 #点阵结构