3D打印晶格结构赋能零件性能：轻量化、强化与减震

3D打印晶格结构是增材制造最大卖点之一。利用3D打印独特工艺易于制造，且具有诸多实用优势。

晶格结构本质是填充图案——构建3D打印零件内部几何体的方式。工程师可用重叠互锁的部分中空图案，替代实心塑料或金属块。设计得当时，晶格能大幅改善零件力学性能，使其更轻更强。

重要的是，任何专业级3D打印机均可制造晶格结构。更关键的是，其他制造技术无法充分生产此类结构。减材技术不切开外部无法切削内部，模具只是被液态材料“填满”——无法像3D打印机那样精准控制材料落点。

本文探讨3D打印晶格结构制造原理，及其在航空航天等领域日益广泛应用的原因。

如何制作3D打印晶格？

桥梁、木结构房屋随处可见晶格结构。埃菲尔铁塔或许是世界最著名的晶格/桁架结构例证，重叠梁构成稳定且大部分中空的结构。

可在3D打印零件中复制此类结构。通常无需手动设计晶格框架：多种晶格生成工具可基于用户参数自动生成晶格图案。商业工具包括topology、Autodesk Within、Meshify等。

但晶格结构千差万别，关键变体如下：

单元是晶格结构的基本单位。通常可识别为立方体、星形、六边形、八边形等几何形状，亦可组合多形状满足特定力学需求。有时单元完全非均匀、无规律可循。

单元结构的形状和尺寸最终影响零件强度、重量、弹性等行为表现。

确定单元结构和尺寸只完成一半。晶格内形状可按不同方式取向，也影响零件终极性能。取向还应考虑打印约束：某些取向需更多支撑结构等。

非所有材料均能打印所有晶格结构。软弹性材料一般不宜打印大单元结构，因大孔隙段可能导致零件下垂。多数情况下晶格材料与外壳/外部材料相同，但多挤出机打印机在此提供一定灵活性。

将晶格结构融入3D打印零件，工程师可获减重、提高强度、减震等收益。

减重或是最重要优势，也是工程师热衷用图案化内部几何优化打印结构的主因。晶格结构关键特征是部分中空：单元含空隙，故内部晶格图案零件比同等实心填充零件用料更少。

用料少意味着质量轻，对汽车、航空航天等行业AM用户是巨大优势，减重几克就能显著提升零件性能。事实上，最激动人心的晶格研究多在航空航天领域，波音等公司开发出超轻先进晶格材料。

用料少也意味着成本低。通过晶格结构制造零件，工程师能以更低成本创造性能更优的零件。

但晶格结构核心在于不牺牲零件完整性前提下减重。在零件随意打孔可能使其更脆易断，而3D打印晶格结构旨在以结构最高效方式利用材料，确保中空段非弱点而成强项。

带晶格结构的部分中空零件实际上可能比实心对应件更强，因晶格空隙改善减震、降低冲击应力。大单元晶格零件可高柔韧弹性，降低脆性和断裂可能。

虽次要但晶格美学也值得关注。这些复杂图案是工程师用3D打印机能制作的最令人惊叹形式，带打印晶格的零件往往既实用又极具视觉冲击力。

3D打印晶格优势总结：

简短回答：不能。CNC机床等减材制造技术无法制造3D晶格结构，因它们用切削刀具从实心块去除材料。CNC机床可切除第一排晶格单元的中空段，但刀具随后陷入死胡同。实心段挡路，无法切削下一排中空段。

3D打印机无此问题，因其按切片/横截面制造零件，从无到有构建而非从实心块切削。增材制造因此是创建晶格结构的最佳制造技术。

但请注意，CNC机床可有效制造2D晶格结构如格栅，这些特定CNC加工晶格可能比3D打印晶格更强。

3D打印晶格结构已在多行业应用，因跨商业领域的工程师和产品设计师持续寻求零件轻量化强化方案。

减重在航空航天和汽车行业尤为重要，因重零件通常降低车速、增加燃料消耗。轻量化零件更受青睐。

桁架结构在建筑存在数百年，微型化晶格在当今建筑领域流行不足为奇。因晶格可精准设计，研究者甚至找到创建降噪3D图案的方法，潜在改善建筑隔音材料。

3D打印晶格也见于服装和鞋类，如Adidas用3D打印弹性体晶格做鞋中底。这些晶格提供极大弹跳的轻量缓冲——远优于1990s普遍的“气垫”且更有科学依据。

3ERP是经验丰富的3D打印零件和原型提供商，能为多种应用生产高质量晶格零件。

我们的增材制造服务含FDM、SLA、SLS和SLM，均可用于创建复杂内部几何体。

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