3D 晶格结构：先进增材制造的设计原理和机械行为

发布于2022年5月3日

晶格结构是组装成复杂的三维几何形状的周期性框架。在增材制造中，顺应性晶格释放了前所未有的设计自由度，使工程师能够生产出以前无法实现的形状。

当由弹性体制成时，这些晶格表现出显着的变形能力。通过定制架构，设计人员可以微调刚度、屈曲行为和能量吸收，以满足广泛行业的需求。

创建兼容的 3D 晶格需要制造专业知识和先进的设计工具。在 SyBridge，我们设计并验证了涵盖众多产品类别的综合弹性体晶格库，并得到将结构与机械性能相关联的大量模拟数据的支持。

选择正确的晶格架构取决于了解每个设计变量如何影响零件的机械响应。以下指南提炼了基本的设计元素，并从我们的目录中介绍了四种具有代表性的格子类型。

弹性体 3D 晶格结构的关键设计元素

弹性体晶格项目通常评估以下核心要素：

• 几何： 支柱和节点的空间配置（包括单元尺寸、形状和整体拓扑）直接控制载荷路径和变形模式。
• 刚度/模量： 该指标针对小弹性变形而定义，表示实现给定应变所需的力，对于承载应用至关重要。
• 屈曲响应： 晶格单元在压缩载荷下弯曲的倾向决定了结构是否表现出弹性、表现出应力平台或逐渐塌陷。
• 能量耗散： 在装载和卸载循环过程中吸收和耗散机械能的能力使得某些晶格成为减轻冲击或隔离振动的理想选择。

3D 打印晶格结构的示例类型

简单立方晶格

该网格的单元格尺寸为 7.5mm，桁架宽度为 2mm，模量为 0.72MPa。

屈曲响应： 表现出明显的屈曲不稳定性；应变约为 0.05 后，应力稳定在 25kPa，进一步变形不会增加模量。

能量耗散： 非弹性屈曲行为会产生磁滞回线，使其适合需要吸收冲击的应用。

应用： 该晶格非常适合个人防护设备和作为保护敏感组件的牺牲层，还可以填充组件中的组件间间隙。

开尔文晶格

单元格尺寸10mm，桁架宽度2mm，模量0.44MPa。

屈曲响应： 缺乏明显的高原；梁弹性伸长直至完全压实，提供平滑的压缩曲线。

能量耗散： 弹性存储能量并快速恢复其原始形状 - 就像弹性弹簧一样。

应用： 适合作为坐垫和身体垫等静态压缩产品的泡沫替代品，其六边形几何形状为时尚设计提供了美感。

体心晶格

单元尺寸10mm，桁架宽度2mm，模量0.07MPa。

屈曲响应： 表现出渐进的拉伸行为，每次位移的力不断增加，直至完全压实；没有观察到应力平台。

能量耗散： 与开尔文单位类似，它的行为就像弹簧一样，在加载后恢复形状。

应用： 高应变、弹性响应使其成为静态压缩泡沫替代品的理想选择，而成角度的支柱则提供均匀的机械性能。

体心立方 (BCC) 晶格

这种混合结构结合了体心和简单立方拓扑，具有 7.5 毫米单元和 1 毫米桁架宽度。所得模量为 0.23MPa，高于单独的简单立方晶格和体心晶格。

屈曲响应： BCC晶格继承了简单立方体的屈曲，在0.12MPa处表现出稳定状态，但屈曲后行为更加稳定。

能量耗散： 通过混合弹性和屈曲模式，BCC 晶格可以针对特定用例精确调整能量存储和释放。

应用： 非常适合需要弹性恢复力和受控能量耗散的定制组合的产品，提供比纯屈曲晶格更可预测的响应。

利用 SyBridge 让新事物成为可能

上面突出显示的四个晶格仅触及弹性体 3D 晶格设计所能实现的表面。如果您准备好开始 3D 打印项目，请立即联系我们，让您的下一个项目成为可能。