行业动态

3D打印中的晶格结构是一种强大的设计工具。精心设计的晶格可以使零件更轻、更强，更有效地吸收冲击力，并更好地根据其最终用途进行定制。了解如何使用和创建这些结构是原型和生产零件3D打印中产品工程和工业设计的重要组成部分。

虽然您可能对填充结构（格状结构的一种特殊应用）并不陌生，但大多数非专业设计师对格状结构的利用率并不高。但在这里，您将了解到，如果您熟悉我们下面介绍的基本要素，应用格状结构并不难。此外，当今先进的增材制造设计软件可以自动生成各种晶格，应用范围从运动器材、火箭推进器到医疗植入物。

 

由于采用格子结构壁设计，这款单件式火箭推进发动机采用3D打印打火机（来源：SLM Solutions）

首先，我们将全面介绍使用网格结构设计零件的基本要素，包括立即开始使用这种方法所需的一切。然后，我们将介绍不同类型的网格结构、如何使用以及何时使用，并向您展示世界各地的设计师和工程师如何使用网格结构创造出性能极佳的创新产品，从阿迪达斯跑鞋和Specialized自行车座垫到工业散热器和整形外科膝关节植入物，不一而足。最后，我们还介绍了在设计中应用网格结构所需的顶级软件。

1. 为什么使用点阵结构

Aidro具有晶格内部结构的3D打印热交换器被称为Toucan Beak（来源：Aidro）

晶格具有一些独特的特性，在设计零件或产品时非常有用，而这些特性用传统制造方法几乎无法复制。您可以在任何类型的3D打印和几乎任何材料中使用网格结构。

减少材料使用

在设计中使用晶格可以去除非关键部位的大部分材料，从而大幅减少材料用量。如果您的零件是使用粉末或树脂三维打印工艺制造的，这将大大节约成本。

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4倍（来源：Printpool）

轻量化

减少材料用量还有另一个好处—减轻重量。在许多应用中，零件或组件的最终装配质量是一个严格限制的目标，通常越轻越好。根据所选晶格类型的不同，减重效果可能非常显著，这具有许多优点，从减少汽车应用中的燃料使用到改善医疗案例中病人的康复时间。

能量吸收

晶格结构具有许多有利于吸收能量的特性。通过改变不同区域的密度甚至细胞类型，可以设计出在不同方向有效吸收能量的产品。与各种产品中使用的标准泡沫相比，复杂的晶格结构可以在多个方向重新定向并更好地分配能量，从而吸收冲击力，同时还能利用现代快速成型制造树脂的各种特性。

CCM Super Tacks X是世界上首款3D打印曲棍球头盔内饰，用Carbon 3D的NEST Tech晶格取代传统的通用泡沫衬垫，以增强保护（来源：Carbon 3D）

增加表面积

晶格的表面积比相同尺寸的固体元件大许多倍。这对于涉及热交换或化学催化的应用非常有用，因为这些应用需要依靠高表面积来实现其功能。

美观

格子除了具有许多技术优势外，其独特的美学效果也不容忽视。越来越多的产品设计师选择在消费品设计中加入格子元素，原因无非是为了美观。

2. 晶格结构类型

Carbon的Design Engine晶格生成软件中使用的晶格类型（来源：Carbon）

一般来说，晶格类型是根据其特性划分的。人们已经撰写了整整一篇研究论文来定义许多不同的子类型，但要了解一种晶格与另一种晶格的基本区别并不难。

所有晶格都基于一个单元格。这是一个在多个方向上重复复制的重复单元，从而构成一个整体结构。以下是按晶胞类型划分的晶格类型。

TPMS网格

三周期极小面（TPMS）晶格是在使用三角方程生成单元格时产生的。例如，"陀螺"TPMS晶胞是由晶胞内的所有点组成的，对于这些点，下列方程成立：

sin(x)cos(y)+sin(y)cos(z)+sin(z)cos(x)=0

类似这样不同但相似的等式产生了不同的TPMS晶格类型。

支柱网格

支杆网格（或梁网格）由相互连接的梁组成，按照单元格定义的各种模式连接。支柱可以通过立方晶胞的顶点、边和面连接，这些连接点的不同组合产生了不同的类型。

平面网格

平面晶格是最简单的晶格类型，是将二维单元格挤压到三维空间后形成的。最常见的平面晶格类型是蜂巢结构。

通过在不同方向上随机改变其参数，这些类型的晶格都可以从周期晶格变成随机晶格。这在某些应用中具有优势，可以使结构在每个方向上都具有相似的特性（使其具有各向同性）。

在使用晶格生成软件时，您可能会遇到各种晶格类型：

二十面体：一种不规则晶格，其特点是空间点的排列。

四面体：一种基于四面体的网格，四面体有四个三角形面。每个顶点通过边与三个相邻顶点相连。

菱形：单位格是菱形（长度相等的四边形状），并在顶点或边与相邻单位格相连的网格。

Voronoi：根据与一组种子点的邻近程度将空间划分为单元格的网格。

Kagome：一种由三角形单元重复图案组成的网格结构

3. 在实际产品中应用点阵结构

许多不同行业在设计新产品时都会利用晶格结构的特性，近年来，以晶格结构为主要特征的新应用和新创意层出不穷。下面介绍几种最令人兴奋的创新产品。

汽车

Dynamis PRC电动赛车的Puntozero冷板（来源：nTop）

意大利产品开发机构Puntozero与方程式SAE车队Dynamis PRC合作，为他们的高压转换器设计了这款不同寻常的冷板（上图）。与之前的设计相比，该冷板基于陀螺单元的扭曲版本，重量减轻了25%，表面积增大了300%。使用nTop软件设计。

医疗的

NanoHive Medical骨科植入物采用促进骨骼生长的晶格结构（来源：NanoHive Medical）

NanoHive Medical是一家美国公司，专门设计用于治疗脊柱退行性病变手术的独特脊柱植入物。在这种情况下，晶格设计用于降低植入物的硬度，使力量更多地传递到脊柱本身，从而减少钛植入物周围的骨萎缩。

膝关节和髋关节植入物中的晶格结构已被证明能增加植入物的骨生长，即骨整合。最近在《骨与关节研究》（Bone&Joint Research）杂志上发表的一项研究发现，3D打印的"钛晶格植入物在[部分或全部膝关节置换术]后能保持胫骨近端自然的机械负荷，而传统的实体植入物则不能"。

3D打印植入物上的随机晶格结构可以使用Genysis（左）和nTop（右）等软件进行设计。

就像海绵一样，医用植入物中的格子状结构并不是完全均匀的。我们通常用来创建这种骨结构的块状结构类型称为小梁晶格或随机晶格。这些晶格模仿的骨类型称为骨小梁，从根本上说是随机泡沫。

专业的计算机辅助设计（CAD）软件使植入物工程师能够将这种表面结构应用于金属植入物。

运动设备

可变的网格结构使3D打印的自行车座椅具有不同的支撑区域。前两个来自Specialized和Fizik，均采用柔性树脂在Carbon 3D打印机上打印；Posedla的第三个是为个人骑手定制的，并在HP Multi Jet Fusion机器上用TPU进行3D打印（来源：Specialized、Fizik、Posedla）

自2019年推出Specialized格状自行车鞍座以来，这一概念已风靡全球。一些自行车装备制造商推出了自己的鞍座版本，放弃了泡沫衬垫，转而采用格子结构。这种先进技术通过在不同区域3D打印不同形状和尺寸的格子，产生可变的支撑力。制造商们夸耀这些鞍座非常耐用，而且通风、易清洗。Posedia Joyseat（上图右）是为每位骑手量身定做的，在他们提交照片和"微笑臀部套件"（一种专门开发的泡沫块，你坐在上面就能对自己的坐骨宽度和体重分布产生定制的印象）后，就能为他们量身定做合适的坐垫。

头盔是轻质抗冲击格子结构（通常称为"数字泡沫"）的另一个理想应用机会。它们已被应用于NFL橄榄球头盔、NHL曲棍球头盔、奥运会雪橇头盔和自行车头盔，并使用了各种方法和材料。事实上，美国国家橄榄球联盟的2023年头盔实验室性能测试结果对市场上的一系列头盔进行了排名和评级，其中采用3D打印格状结构的两款头盔分列第一和第二位。

3D打印晶格结构是头盔中泡沫的理想替代品，具有卓越的抗冲击性（来源：Farsoon、Carbon、EOS）

Riddell公司的橄榄球头盔和Hexr公司的自行车头盔是头盔中使用格子结构的两种不同方法的典范。虽然两者都是为了尽可能有效地吸收冲击力和保护使用者，但不同之处在于制造方法和晶格类型，而不仅仅是运动项目。Hexr头盔使用的主要是平面六边形晶格结构，通过SLS印刷生产，并使用坚硬的尼龙6材料制成。而Carbon Riddell头盔则使用了高阻尼DLP弹性体和由超过140,000个独立支柱组成的复杂多区晶格。该工艺依靠Riddell的精确贴合头部扫描技术和碳晶格引擎，设计出适合每位球员头部和位置的头盔衬垫。

为了简化匹配材料、晶格形状和应用（尤其是头盔）的研发流程，美国陆军发展司令部士兵中心委托新成立的软件公司General Lattice开发一个预测建模工具集，用于根据真实世界的数据设计和生成晶格材料。该工具集建立在1000多万个物理数据点的基础上，是一个可搜索的数据库，允许用户根据机械性能查询晶格材料。"General Lattice的联合创始人尼克-弗洛雷克（Nick Florek）说："提供能让用户提前了解晶格结构潜在影响的工具，可以降低采用的风险，并建立起对3D打印能像广告宣传的那样实现目标的信心。

尽管陆军仍在坚持使用其工具集，但General Lattice拥有一个名为Frontier的公共版本，该版本提供了一个可免费搜索的经过验证的机械属性数据库，可帮助用户选择最佳的晶格、材料和硬件组合。

热交换器

GE Additive的晶格结构设计散热器（来源：GE Additive）

快速成型技术可以制造出任何其他制造方式都无法实现的几何形状，从而使体积更小、效率更高的热交换器成为可能。

上面这个复杂的热交换器是通用电气公司为优化900°C二氧化碳的流动而设计的，它是复杂晶格结构与金属增材制造相结合所能实现的非凡性能的绝佳范例。通用电气公司在设计中采用了仿生学方法，反映了人体肺部的特性，以促进有效的热交换。

Conflux等公司专门为各行各业设计使用晶格的3D打印热交换器。

消费产品

阿迪达斯运动鞋采用3D打印冲击吸收晶格结构（来源：Carbon）

阿迪达斯运动鞋公司与Carbon 3D合作，于2017年推出了4DFWD鞋，这是采用DLP树脂技术制造的一系列运动鞋中的最新产品。这款鞋的中底突出采用了晶格结构，旨在利用定制的FWD单元推动跑步者前进。

4. 格子结构的局限性

Antares Versus Evo 00 Adaptive车座采用Carbon 3D打印机打印，具有经过调整的晶格结构区域，可提供最佳的机械响应（来源：Carbon）

尽管晶格结构功能强大，但利用率却很低，认真将其应用于实际产品的工程师和设计师需要考虑到晶格结构的一些局限性。

制造

虽然确实存在制造复杂非平面晶格结构的传统方法，但总的来说，这些方法不如快速成型方法有效。因此，在将晶格纳入设计时，应仔细考虑增材制造所特有的经济性、时间尺度和材料选择，尤其是在设计其他区域时已考虑到注塑成型等其他技术的情况下。

模拟

当涉及到大型晶格结构时，应力模拟，尤其是使用有限元方法进行的应力模拟，计算量非常大。大多数方法（包括上述几种软件包所使用的方法）都涉及在整个结构中推断单元格的属性，但如果单元格类型和尺寸变化很大，那么物理测试可能是准确评估大型复杂晶格设计性能的唯一方法。

文件大小

同样，如果将具有大晶格部分的零件设计转换为STL（无论好坏，STL仍是AM中最常用的文件类型），文件大小超过500MB甚至1GB的情况也很常见。这通常意味着，除了最强大的计算机外，进一步处理和切片都是一个缓慢而困难的过程。当然也可以减小网格的大小，但如果操作不慎，可能会大大简化元素，以至于在最终部件上可以看到一些三角形元素。

有限的单元类型

单元格类型是晶格结构最重要的特征之一，它决定了结构整体所具有的大部分不同特性，但大多数工程师和设计师能轻易选择的单元格类型非常有限。一些软件包允许设计和创建新类型，但即使可以使用这些程序，这也是一项高度专业化和技术性的任务。

5. 生成晶格结构的最佳软件

nTop

Altair Sulis

Autodesk Fusion 360&Netfabb

Carbon Design Engine

Ultrasim 3D Lattice Engine

Siemens NX

Materialize 3-Matic

Altair Optistruct&Inspire

General Lattice