设计3D晶格结构：原理、力学与应用

晶格结构是相互连接形成三维形状的重复图案。在增材制造背景下，顺应性晶格结构开启了激动人心的产品设计可能性，设计师利用3D打印技术创造以前“无法制造”的形状和零件。当由弹性体制成时，3D打印晶格结构高度可变形，其力学性能允许在宽范围内调节响应，并用于各行业。

然而，设计顺应性3D晶格结构需要制造专业知识——更不用说合适的软件工具。在Fast Radius，我们为大量不同产品和应用设计和测试了3D打印晶格结构。我们利用计算机仿真创建了大型数据库，对不同晶格结构及其力学性能进行分类。

如果您正在为制造项目寻找合适的3D晶格结构类型，了解不同设计元素如何影响成品零件的力学响应至关重要。为此，为帮助您探索项目的增材制造潜力，我们整理了关键3D晶格设计要素简明指南——以及从我们库中挑选的四个顺应性晶格结构示例。

弹性体3D晶格结构关键设计要素

弹性体3D晶格结构项目通常考虑以下四个设计要素的部分或全部：

• 几何： 晶格的几何指其组件的物理尺寸和形状——以及它们的图案如何在零件结构中排列。在晶格结构中重复的单个单元被称为单元胞——参照晶格结构受自然界细胞和晶体结构启发的方式。
• 刚度/模量： 晶格的刚度或模量指使其结构变形所需的力。模量通常针对晶格响应完全弹性时的小变形定义。
• 屈曲响应： 屈曲响应描述晶格结构屈服的方式，取决于晶格元素在变形时的结构不稳定性。并非所有晶格结构都表现出屈曲——且屈曲并非总是理想特征。
• 能量耗散： 晶格结构的能量耗散指其在变形过程中吸收能量的能力。

3D打印晶格结构示例类型

简单立方3D晶格结构

此简单立方晶格单元胞尺寸7.5mm，桁架宽度2mm。模量0.72MPa。

屈曲响应： 此简单立方晶格结构表现出屈曲不稳定性。应变约0.05后，模量在25kPa应力平台处保持恒定。额外变形不增加模量。

能量耗散： 简单立方晶格具有非弹性屈曲行为，加载和卸载时产生不同响应。非弹性行为可用于多种目的，包括能量耗散。

应用： 此简单立方晶格的屈曲响应产生力阈值，使其成为个人防护应用和屏蔽敏感组件的良好候选。此晶格类型也适用于组件间隙填充。

开尔文单元3D晶格结构

此开尔文单元晶格单元胞尺寸10mm，桁架宽度2mm。模量0.44MPa。

屈曲响应： 与简单立方晶格不同，开尔文单元晶格结构屈曲点低，意味着其梁在力作用下拉伸。开尔文单元晶格无平台，以简单弹性刚度连续压缩直至完全致密化。

能量耗散： 开尔文单元晶格以弹性变形储存能量，力移除时像弹簧一样快速恢复原形。

应用： 开尔文单元晶格是静态压缩产品（如座垫、护体垫）中泡沫替代的良好候选。凭借复杂六角单元，开尔文单元晶格视觉冲击力强，可作为美学和时尚应用选项。

体心3D晶格结构

此体心晶格单元胞尺寸10mm，桁架宽度2mm。模量0.07MPa。

屈曲响应： 体心晶格结构具有拉伸响应，意味着其以单位位移增加的力响应直至完全致密化。其模量远低于简单立方晶格，且无平台应力。

能量耗散： 与开尔文单元类似，体心晶格以弹性变形储存能量，力移除时像弹簧一样恢复原形。

应用： 凭借高应变弹性响应，体心晶格是静态压缩产品中泡沫替代的良好候选。指向单元中心的倾斜支柱使其响应均匀一致。

体心立方（BCC）3D晶格结构

体心立方（BCC）晶格将体心晶格和简单立方晶格结合在单一结构中。此晶格单元胞尺寸7.5mm，桁架宽度1mm。模量0.23MPa——高于上述简单立方和体心立方晶格。

屈曲响应： 由于BCC晶格结合两种3D打印晶格，其响应为两者结合。此晶格像简单立方晶格一样屈曲，有平台应力（0.12MPa），但后屈曲行为更稳定。

能量耗散： 因BCC晶格结合弹性和屈曲响应，可调节能量储存和耗散以服务特定应用。

应用： BCC晶格特别适用于受益于定制弹性和屈曲响应的应用。在产品需要比简单立方晶格纯屈曲更稳定的能量耗散响应时也效果良好。

与Fast Radius共创新可能

上述四种结构仅触及弹性体3D晶格结构设计可能性的表面。了解更多，请探索案例研究，看Rawlings和Steelcase等公司如何利用3D打印晶格结构创造创新新产品。如果您准备开始自己的3D打印项目，立即联系我们使下一个项目成为可能。

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