了解 3D 打印晶格：属性、性能和设计注意事项

增材制造 (AM) 工艺使工程师能够释放晶格结构的功能，以提高其产品的性能。晶格是由节点和梁或支柱组成的网络的二维或三维微架构，可显着减轻重量并保持结构完整性。

有无数的晶格类型可用

有无数的晶格类型可用，它们具有独特的特性（变形模式、材料效率等）和美学。这些晶格结构中的许多都受到天然晶体结构的启发。而且由于其固有的小特征，晶格很难——或者几乎不可能——通过传统的制造方法来创建。

晶格结构的结合使工程师可以通过重新思考其零件的预期性能来探索更多的设计空间。

通过晶格技术，通过将晶格参数精确调整到零件上的物理载荷，可以将整体零件质量减少 90% 或更多。

机械效益

格子的好处自古以来就广为人知。如果你看得足够近，你会看到自然界中的晶格（如骨骼、金属晶体学等）以及现代建筑。以埃菲尔铁塔为例：当它伸向天空时，铁塔的金属结构有效地支撑了它的重量。类似于简单的格子，这种自支撑结构是按体积计算的，主要是空气。格子的高强度重量比促成了这一巨大的建筑成就。

同样，在产品设计中，晶格的机械优势（例如，高表面积、出色的减震、冲击保护）使产品设计师能够克服传统制造的限制，创造出新的——通常是更高性能的——产品。

良好的强度重量比

通常有两种方法可以提高给定零件的强度重量比。通过传统制造，它是通过减少非关键区域的材料来优化材料使用来实现的。通过网格化，您可以去除零件关键区域的材料。虽然网格确实会降低零件的整体强度，但减轻重量可以提高这种强度重量比。

高表面积

晶格不仅重量轻，而且可以释放大量表面积——这对于促进热交换和化学反应的产品来说是一个关键优势。

考虑在服务器和数据中心的计算机中使用的热交换器。通常，处理器的性能受到产生的热量的限制。目标是去除芯片的热量并将其排放到大气中，通常由风扇辅助。该系统的整体效率与散热器（将热量从芯片中带走的金属片）上的表面积大小相关联。晶格可以显着增加可用的表面积，或者，通过避免复杂的加工程序，可以更经济地生产该表面积。事实上，这种效率提升可以在许多不同类型的热交换器应用中实现，在这些应用中，如果没有增材制造，很难或几乎不可能创建具有大表面积的小特征。

出色的减震和冲击保护

格子还可以通过更好地吸收冲击能量来帮助保护产品免受跌落或碰撞。格子既可以集成到产品中（例如足球头盔），以减少冲击应力，也可以用作保护产品关键部件的牺牲特征。例如，可以在电子元件周围或内部使用晶格，以保护其免受动态事件的影响，例如非常常见的意外跌落。

理想的减振和降噪

增材制造的晶格还为工程师提供了一种消除机械噪音（例如振动）的新方法，这些噪音可能会让用户感到不舒服，甚至会降低机器性能。

格子由于其低刚度以及承受和恢复大应变的能力而有效地抑制振动。例如，格子可以集成到重型设备上的隔离垫中，以减少进入制造系统的能量。晶格的可调特性允许工程师改进设计以匹配其特定应用。

遵循 DFAM 原则，释放晶格的潜力

的确，增材制造可以开辟许多新产品机会，但在打印功能点阵之前，您需要确认一些设计因素。这就是增材制造设计 (DFAM) 的作用所在。DFAM 可帮助设计工程师确保其打印的零件符合设计意图。

一些重要的 DFAM 考虑因素包括晶格单元结构、单元尺寸和密度、材料选择和单元方向。

• 细胞结构
  有大量的细胞结构，它们是晶格中的重复单元。细胞结构的列表非常长且不断增长。最常见的细胞结构包括立方、星形、八角形、六角形、菱形和四面体，仅举几例。可以调整甚至混合细胞结构以获得系统所需的响应，但您的选择会产生影响。一些结构更有效（更高的刚度重量比），另一些更好地抑制能量，还有一些更美观。需要相互权衡优势和优势，才能为您的角色做出正确的选择。
• 像元大小和密度
  单元格大小和密度是指单个单元格的大小以及在一个空间内重复多少个单元格。单元大小本身取决于其成员和连接节点的厚度和长度。较大的单元格可以更容易打印，但也可以表现得更硬；同样，较小的单元允许更均匀的系统响应，但会受到特征大小的限制。

• 材料选择
  您选择的材料可以定义哪些晶格属性是可能的。弹性体或软质材料通常需要更小和更密集的细胞群来减少印刷过程中的下垂。或者，使用更坚硬的材料打印的晶格通常允许更大的设计范围、更薄的构件和更大的单元尺寸。
• 单元格方向
  打印单元格的角度会影响打印的成功，因为它会影响所需支撑的数量和位置。一般来说，精心挑选和定向的晶格是自支撑的，不需要单独的支撑。通常，可以旋转结构以减少支撑。考虑一个大型立方体桁架——如果直接打印在构建平台上，水平构件将不受支撑。但是，如果结构简单地旋转 45 度，则构件现在是自支撑的。

晶格的重复单元格为无数尺寸、形状和性能属性打开了大门。晶格固有的复杂性使其几乎不可能通过增材制造以外的任何其他方式来制造。

如果您以前从未使用过格子进行设计，最好找一位可以帮助您入门的专家。在 Fast Radius，我们的团队专注于最大限度地提高添加剂的总价值，从开发性能更好的晶格产品到通过按需生产和虚拟仓储来提高供应链效率。如需详细了解添加剂的潜在价值，或开始为增材制造工艺设计产品，请立即联系我们。

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