晶格结构

1。简介：3D 打印中的仿生学

当工程师努力以最小的重量获得最大的稳定性时，他们通常会关注自然。我们的骨头（小梁）或鸟骨的内部不是由固体材料制成的，而是由海绵状的晶格结构（晶格）组成。这些结构极其有效地传递力，重量轻并且可以吸收能量。

传统的制造工艺无法生产如此复杂的内部网格。另一方面，基于粉末床的金属 3D 打印（例如 PBF-LB 或 EBM）可以轻松处理晶格。本白皮书重点介绍了晶格结构的潜力和缺陷。

2。晶格结构的类型

并非每个网格都是相同的。大致有两个主要家族：

• 基于支柱的晶格：示例有 BCC（体心立方）、Octet 或菱形晶格。它们类似于半木结构结构。它们非常具有可预测性，并且能够很好地消散力量。
• TPMS（三周期最小表面）：示例包括 Gyroid 或 Schwartz-P。它们基于复杂的数学方程，没有锋利的边缘或结，而是由连续弯曲的极薄壁组成。它们在结构上更为优越，因为它们在连接点处没有应力峰值（缺口效应）。

3。革命性的应用领域

网格结构提供了固体金属永远无法拥有的特性。

• 医疗技术（骨整合）：钛植入物（髋臼、脊柱笼）印有粗糙的 BCC 或小梁网格。骨头可以物理地生长到植入物中。此外，可以使用网格将种植体的刚度精确调整为真实骨骼的刚度，从而防止“应力屏蔽”效应（骨质流失）。
• 热交换器： TPMS 网格（如 Gyroid）完美分隔房间内的两个空间，并提供巨大的表面。如果您将热流体泵入一个腔体，将冷流体泵入另一个腔体，您就获得了世界上最高效的热交换器。
• 碰撞吸收器：在汽车领域，网格结构的构造方式可以使支柱在发生碰撞时专门弯曲（屈曲），从而消散巨大的冲击能量。

4。网格错觉的局限性

尽管令人兴奋，但晶格在粉床工艺中提出了巨大的挑战。

• 除粉：如果无法去除捕获的残留粉末，则具有晶格核心的封闭组件将毫无用处。必须建造足够的粉末出口孔，并且必须在摇床上旋转和抽空组件，有时需要几个小时。
• 数据量：具有数百万个小支柱的组件超出了经典 STL 格式的存储容量（文件大小变为数百 GB）。因此，现代 CAD 软件将晶格导出为数学元数据（切片或特殊 CLI 格式）。
• 支撑和构造角度：支柱网格的设计必须使每个支柱与打印板成超过 45 度的角度（自支撑），否则结构会在打印过程中倒塌或需要内部不可拆卸的支撑结构。

5。结论：几何作为材料

对于晶格结构，形式本身就变成了材料。设计师不再只是在“铝”或“钛”之间进行选择，而是在“实心铝”和“密度为30%的铝陀螺仪”之间进行选择。晶格是航空航天和医疗技术领域最终轻量化解决方案的绝对关键。