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齐乐实业 | 什么是3D打印的晶格结构?

2021-12-24 11:06:17

3D打印最令人印象深刻的特点之一是能够制造具有复杂内部晶格结构的零件,这在传统制造技术中是不可能的。围绕晶格设计零件会减少其总质量,而不会显著影响其总强度。本文将讨论如何利用网格结构进行3D打印,以便在机械强度和成本降低方面将产品设计提升到新的水平。

 

一、什么是3D打印的晶格结构?

 

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。在重复3维结构的情况下,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。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。 

 

3D打印晶格结构通过仅在结构上需要的地方放置质量,使材料和打印机的独特功能得到最佳利用。因此,整体项目比完全实心的项目要轻得多。这就是为什么晶格结构在自然界中非常普遍的原因之一。多年来,这一原则只能在大型建筑(如钢结构建筑)上实施。然而,随着3D打印技术的出现和日益普及,创建具有内部晶格结构的更小、更普通的零件和产品已成为可能。它既可以用于机械强度,也可以用于美观。这种方法大大降低了零件的质量。

 


 

二、生成晶格结构

 

由于晶格结构的复杂性,使用典型的CAD工具将其建模到零件中是不切实际的。在大多数情况下,零件在CAD中绘制时就像是实体一样。然后,在零件设计完成后(考虑DFAM原则),将模型导入另一个软件包以生成晶格结构。这方面比较常见的程序有Netfabb或nTopology。

 

生成3D打印晶格结构的另一种方法是通过衍生式设计。在这种情况下,将定义零件的连接点、质量限制和预期载荷。然后,一个算法生成数百个满足要求的解决方案。由此,可以从解决方案中选择最优化的晶格单元结构和单元密度,或者通过进一步迭代生成。创建晶格结构时,了解哪些因素会影响最终零件的整体功能非常重要。这些因素如下:

 

1. 晶格材质:

在金属中进行3D打印时,晶格通常与整个零件的材质相同。但是,如果需要柔性晶格,则可以考虑多材料零件。一些产品使用柔软的柔性材料作为晶格,使用更具弹性的材料作为外壳来保护晶格。一个常见的例子是跑步鞋底。

 

2. 晶格结构:

最基本的3D打印晶格结构在整个零件上具有重复和均匀的图案。然而,更先进的方法将改变单元和梁结构,使其在需要额外强度的区域更密集,并在承受较少荷载的区域保持晶格密度较低。由于不同的结构将具有不同的机械性能,因此单元的单个形状对零件性能也有显著影响。

 

3. 单元方向:

3D打印晶格结构中单个单元的方向会影响打印的复杂性。例如,最佳实践是以这样一种方式定位单元,即它们可以在打印过程中自身支撑,而无需支撑结构。不建议尝试移除数百个小型蜂窝中移除支撑。

 


 

三、晶格结构的好处

 

用于3D打印的晶格结构提供了广泛的好处。下面列出了一些最重要的问题。

 

1. 降低零件成本:

取决于材料,3D打印可能是一个昂贵的过程。在航空航天工业中常见的钛或铬镍铁合金材料尤其如此。晶格结构的引入意味着将使用更少的材料,从而在不牺牲结构完整性的情况下使零件整体更便宜。

 

2. 改进的强度重量比:

如果根据公认的DFAM(增材制造设计)原则进行设计,则具有晶格结构的零件可以具有无与伦比的强度重量比。这使其成为汽车和航空航天应用(以及其他应用)的理想选择,在这些应用中,质量最小化至关重要。

 

3. 减震:

晶格结构在消散冲击和冲击载荷方面非常有效,因为单元结构有助于整个结构的弯曲和能量分配。

 

4. 增加表面积:

一些应用侧重于最大化表面积,而不是机械强度。例如,传热或化学反应可能是主要目标。晶格结构在这里很有用,因为它们为零件提供了更多的曲面,而不会增加其总体占地面积。

 

5. 骨整合:

这是指在医用植入物中创建晶格结构以促进骨生长的方法。由此产生的植入物与患者自身的骨骼结构形成更牢固的结合。

 

 

一般来说,3D打印的晶格结构允许工程师在降低整体零件质量的同时,突破材料科学的极限。由于3D打印机的日益普及和材料成本的降低,晶格结构最近才开始从先进的航空航天应用转向更常见的消费品。这种设计风格之所以能保持下去,仅仅是因为晶格非常高效。

 

明智的做法是学习如何将它们整合到您的设计中,以充分利用它们的优势。要了解更多有关零件如何从晶格结构中获益的信息,请立即联系速加。

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