3D 晶格结构：设计元素和机械响应

晶格结构是重复的图案，当它们连接时，形成三维形状。在增材制造环境中，随着设计师利用 3D 打印技术来创建以前“无法制造”的形状和零件，顺从的晶格结构开辟了令人兴奋的产品设计可能性。由弹性体制成的 3D 打印晶格结构具有高度可变形性，其机械性能使其能够在广泛的响应范围内进行调整，并用于各种行业。

然而，设计兼容的 3D 晶格结构需要制造专业知识——更不用说正确的软件工具了。在 Fast Radius，我们为各种不同的产品和应用设计并测试了 3D 打印晶格结构。我们使用计算机模拟创建了一个大型数据库，对不同的晶格结构及其机械性能进行了分类。

如果您正在为您的制造项目寻找正确类型的 3D 晶格结构，那么了解不同的设计元素将如何影响成品零件的机械响应至关重要。考虑到这一点，为了帮助您探索项目的增材制造潜力，我们整理了一份关于关键 3D 晶格设计元素的简短指南，以及从我们的库中选择的四个合规晶格结构示例。

弹性体 3D 晶格结构的关键设计元素

弹性体 3D 点阵结构项目通常会考虑以下四个设计元素中的部分或全部：

几何： 晶格的几何形状是指其组件的物理尺寸和形状——以及它们的图案在整个零件结构中的排列方式。在重复的地方，晶格结构中的单个单元统称为晶胞 - 指的是晶格结构受自然界中的细胞和晶体结构启发的方式。
刚度/模量： 晶格的刚度或模量是指使其结构变形所需的力。当晶格响应完全弹性时，模量通常定义为小变形。
屈曲响应： 屈曲响应描述了晶格结构屈服的方式，并且取决于晶格元素变形时的结构不稳定性。并非所有的晶格结构都表现出屈曲——而且屈曲并不总是一个理想的特征。
能量耗散： 晶格结构的能量耗散是指其在变形时吸收能量的能力。

这个简单立方晶格的晶胞尺寸为 7.5 毫米，桁架宽度为 2 毫米。模量为0.72 MPa。

屈曲响应： 简单立方晶格的这种结构表现出屈曲不稳定性。在大约 0.05 的应变之后，模量在 25 kPa 的应力平台下是恒定的。额外的变形不会增加模量。

能量耗散： 简单立方晶格具有非弹性屈曲行为，在加载和卸载时会产生不同的响应。非弹性行为可用于多种用途，包括能量耗散。

应用： 这种简单立方晶格的屈曲响应产生了一个力阈值，使其成为个人防护应用和屏蔽敏感元件的理想选择。这种晶格类型对于填充组件中的组件之间的间隙也很有效。

这种开尔文晶格的晶胞尺寸为 10 毫米，桁架宽度为 2 毫米。模量为0.44 MPa。

屈曲响应： 与简单立方晶格不同，开尔文晶格结构的屈曲点较低，这意味着它的梁会随着力而伸展。开尔文晶格没有平台，以简单的弹性刚度连续压缩，直到完全压实。

能量耗散： 开尔文晶格通过弹性变形储存能量，当外力消失后，它会像弹簧一样迅速恢复到原来的形状。

应用： 开尔文晶格是在静态压缩下的产品（如座垫或身体垫）中替代泡沫的理想选择。凭借其错综复杂的六边形细胞，Kelvin 细胞晶格在视觉上非常引人注目，使其成为美学和时尚应用的选择。

这种以体为中心的晶格具有 10 毫米的晶胞尺寸和 2 毫米的桁架宽度。模量为0.07 MPa。

屈曲响应： 以体为中心的晶格结构具有拉伸响应，这意味着它会随着每单位位移的力的增加做出响应，直到完全压实。它的模量比简单立方晶格低很多，而且没有平台应力。

能量耗散： 与开尔文单元一样，体心晶格通过弹性变形储存能量，并在移除外力后恢复到原来的形状，就像弹簧一样。

应用： 凭借其高应变弹性响应，以体为中心的晶格是静态压缩产品中泡沫替代的理想选择。指向细胞中心的倾斜支柱使其反应均匀一致。

体心立方 (BCC) 晶格将体心晶格和简单立方晶格组合在一个结构中。该晶格的晶胞尺寸为 7.5 mm，桁架宽度为 1 mm。模量为 0.23 MPa，高于上面列出的简单立方和体心立方晶格。

屈曲响应： 由于 BCC 晶格结合了两种类型的 3D 打印晶格，因此它的响应是两者的结合。该晶格像具有平台应力（0.12 MPa）的简单立方晶格一样屈曲，但具有更稳定的后屈曲行为。

能量耗散： 由于 BCC 晶格结合了弹性和屈曲响应，因此可以调整能量存储和耗散以服务于特定应用。

应用： BCC 晶格对于受益于定制的弹性和屈曲响应的应用特别有用。当产品需要比简单立方晶格中的纯屈曲响应更稳定的能量耗散时，它也能很好地工作。

上面突出显示的四种结构仅涉及弹性 3D 晶格结构设计的表面。要了解更多信息，请浏览我们的案例研究并了解 Rawlings 和 Steelcase 等公司如何使用 3D 打印晶格结构创造创新的新产品。如果您已准备好开始自己的 3D 打印项目，请立即联系我们，让您的下一个项目成为可能。

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