蜂窩、蜘蛛網、樹幹、珊瑚，甚至你自己的骨頭有什麼共同點？它們在自然界中都是晶格結構。
這些強大的結構通常由規則的、重複的互鎖“細胞”圖案組成，從簡單的盒子到複雜的連續表面。 其他晶格涉及更多有機的不規則結構。 在這兩種情況下，晶格結構由於其強度、柔韌性和表面積的獨特組合而具有獨特的功能。
重要的是，在3D列印（也稱為增材製造（AM））出現之前，晶格結構無法小規模製造。 由於增材製造技術逐層新增材料，而不是從塊中去除或“減去”材料，因此它們可以使用各種材料（從塑料到金屬再到樹脂）複製複雜的晶格結構。
萊迪思現已成為3D列印的標誌，增材製造解決方案附帶的工具使設計師和工程師能夠在各種產品型別中使用它們。
但格仔不僅僅是乙個不尋常的設計元素。 正如我們將看到的，它們正在改變許多行業的產品效能，從航空航天到運動鞋。
使用晶格結構的優點
晶格結構具有獨特的效能，使其對產品設計師和工程師非常有吸引力，因為它們具有令人驚訝的強度和剛度，同時比傳統製造的零件使用更少的材料。 雖然這似乎是乙個簡單的概念，但它帶來了廣泛的優勢：
減少材料
晶格比固體結構使用更少的材料。 基本上，這些結構不會在對保持強度和剛度不重要的任何地方新增材料。 這樣做的經濟影響可能是巨大的，使製造商能夠以更少的材料投資和更短的列印時間生產相同數量的產品。 重量更輕的產品在提高燃油效率方面也有很長的路要走。 晶格可以節省後端成本，因為3D列印比加工固體鈦坯等材料消耗的材料更少。
表面積
晶格的獨特結構使其總表面積比相同尺寸的固體部件大乙個數量級。 這對於使用表面積來實現高效流體、熱或化學相互作用的應用（例如熱交換器）特別有用。
強度重量比
為了提高零件的強度重量比，設計人員經常從非關鍵區域去除材料。 晶格結構為優化工藝提供了一種有效的方法。 由於其幾何設計，晶格可以幫助實現顯著的強度和剛度，同時最大限度地減少材料的使用量。 當然，其結果是比傳統製造的零件具有更好的強度重量比。
設計靈活性
也許3D列印晶格提供的更重要的優勢是，設計師能夠擺脫傳統製造的規則和限制。 在一套新的規則和可能性的控制下，晶格使設計師能夠追求創新、複雜和有機的設計，這些設計的效能與更傳統的設計一樣好或更好。
晶格結構有哪些不同型別？
晶格有幾十種亞型，但這些結構往往屬於幾大類之一。 這些類別是根據晶格晶胞的幾何形狀建立的。
平面晶格
平面晶格是一種相對簡單的晶格型別。 它採用二維（或平面）排列的細胞（更常見的是蜂窩狀）並在三維空間中拉伸它。 平面晶格的其他例子包括 voronoi（多邊形的混合）和 kagome（三角形）。
3D均勻週期晶格
這種型別的晶格，就像晶體一樣，可以由棋盤體積的 3D 單元構成。 此類元素的例子有二十面體（不規則）、四面體（四個三角面）、菱形（四邊形）、十二面體、截斷八面體或它們的組合。 3D Voronoi 是生成此類結構的另一種流行方法。
杆格
杆格，又稱單元杆格，由一系列各種構型的互連杆（或樑）組成。 支柱可以在頂點、邊或麵以及多個點連線。 使用3D均勻圖案或通過隨機演算法組合這些連線會產生各種晶格。
TPMS隱式建模晶格
三週期最小曲面 （TPMS） 依賴於傳統 CAD 工具無法生成的複雜方程（例如，sin（x）cos（y）+sin（y）cos（z）+sin（z）cos（x）=0）。 其中比較有名的是螺旋體，它天然存在於蝴蝶翅膀中，具有特殊的熱機械效能。
傳統的 FCOC 換熱器在 3DXPERT 中進行了重新設計，原來的管道被陀螺儀取代。 ）
晶格結構的設計與應用
晶格結構創造了各種有趣而強大的設計機會，可以幫助解決製造中一些最持久的挑戰。 晶格結構的常見應用包括：
輕
由於晶格中使用的材料較少，因此重量也更輕。 這種晶格結構可用於“輕量化”，這是一種設計過程，旨在以盡可能輕的結構實現特定的效能規格。
這個過程通常需要增材製造設計 （DFAM） 工具的幫助，使設計人員能夠建立使用傳統 CAD 軟體無法建立的形狀和幾何形狀。
輕量化部件對汽車和航空航天製造業的燃油效率有重大影響，每節省一克，就大大降低了燃油成本。
熱交換器
熱交換器是一種促進不同溫度的兩種流體之間熱交換過程的裝置。 您可以在許多工程應用中找到它們，例如製冷、供暖和空調系統、發電廠、化學加工系統、食品加工系統、汽車散熱器和廢熱**裝置。
格仔為換熱器優化開闢了新的機會，因為它們具有非常高的表面積與體積比，可實現非常高效的傳熱。
最近，代頓大學研究所與OQTON合作，重新設計了燃油冷卻機油冷卻器（FCOC），將原來的管子替換為螺旋結構。 陀螺儀用於增強傳熱，自動密封相對的流體域，優化流動路徑，同時允許不同尺寸的流體域適應不同粘度的燃料和機油。
能量吸收
晶格結構是吸收衝擊的理想選擇。 通過改變晶格的密度和晶胞型別，設計人員可以建立比傳統泡沫更有效地吸收和重定向能量的結構。
這種在多個方向上吸收和重新分配衝擊力的能力在需要強大而靈活的力的消費品中有著廣泛的應用，例如跑鞋和自行車頭盔。
骨幹症
骨整合是將活骨組織附著在植入裝置表面的過程。 晶格結構特別適用於促進骨骼生長的醫療植入物，因為它們可以作為植入物的一部分進行 3D 列印，而不是應用於機加工零件的單獨塗層。
這些植入物中的晶格結構類似於多孔網格，其中孔徑、支柱尺寸和孔隙率水平可以根據特定人的植入物進行調整。 這導致了更有效的骨整合，從而提高了患者的舒適度，加快了細胞生長速度，並使植入物和骨骼之間的結合更加牢固。
數字發泡
由聚合物製成的晶格結構的行為類似於泡沫，它們可以變形並恢復到原來的形狀。 這些3D列印的“泡沫”可用於增強自行車座椅、足球和曲棍球頭盔、其他運動器材和假肢裝置的緩衝能力。
產品設計
借助 3D 列印晶格，產品設計和工程團隊可以採用強大的方法來解決一系列現實挑戰。 換句話說，產品團隊可以結合晶格的功能，以前所未有的方式減輕重量、增加強度、吸收能量並改進定製。 此外，DFAM工具使生成和應用這些晶格變得比以往任何時候都更容易。
格仔有時被用作眼鏡的設計特徵。 使用 3DXPERT 設計和製造。 ）
3D列印晶格的工業用途
增材製造的晶格結構在廣泛的工業應用中產生了有意義的影響。 其中一些包括：
汽車
保持必要強度的輕質部件在汽車領域非常有吸引力。 例如，保時捷製造了乙個3D列印的電驅動外殼，其堅固的外部內部包含網格結構。 網架結構將外殼重量減輕了 40%，電驅動裝置的重量減輕了 10%。
在另乙個例子中，一家名為 Puntozero 的義大利產品開發公司使用陀螺儀為高壓轉換器設計了一種冷板，該冷板比以前的設計輕了 25%，表面積增加了 300%。
保健
晶格結構已被整合到退行性脊柱疾病的脊柱植入物中。 這些網格結構降低了剛度，並允許將力傳遞到脊柱，這有助於減少植入物周圍的骨萎縮。
膝關節植入物中使用的鈦晶格結構已被證明可以在膝關節置換手術後保持脛骨的自然機械負荷，這是傳統金屬植入物無法實現的。
航天
與汽車行業一樣，3D列印晶格結構使航空航天製造商能夠大幅減少零件的質量，從而提高燃油效率並降低燃油成本。 零件質量的任何降低也會增加車輛的有效載荷，這對盈利能力有直接影響。
例如，起落架部件使用3D列印金屬來提高可靠性，同時減輕重量，而發電機外殼則具有超過1000萬個元件的高密度晶格。 晶格在航空航天中的其他流行應用包括前面討論的熱交換器和吸收和重定向能量的結構，例如火箭體中的減振部件。
建築
晶格結構在建築中很有吸引力，因為它們能夠捕獲非常大的表面積，同時最大限度地減少材料。 例如，Branch Technology 使用碳纖維增強 ABS 塑料建立了乙個 3D 列印網格，作為輕巧耐用的模組化牆體系統的核心。
晶格結構的材料選擇
晶格結構可以由多種材料製成，包括金屬、聚合物和複合材料。 為特定應用選擇合適的材料很重要，因為材料的選擇會影響晶格的尺寸和密度。
一般來說，更柔軟、更有彈性的材料需要更小、更密集的單元排列和更厚的支柱和節點，以防止在 3D 列印過程中下垂。 金屬和較硬的材料允許您使用更大的電池和更薄的支柱。
利用 3D 列印晶格克服挑戰
雖然3D列印晶格結構為多個行業的產品設計師和工程師創造了重要機會，但它們並不是靈丹妙藥。 正如它們提供獨特的特性一樣，它們也帶來了獨特的挑戰。
複雜的晶格可能難以列印，因為 3D 模型對於計算機來說可能太大，無法輕鬆轉換為可列印的 STL 檔案。 這可能會導致速度變慢並增加資料丟失的風險。 因此，Oqton 的 3DXPert 軟體整合了設計和列印準備功能，無需在列印前將晶格轉換為 STL 檔案。
對於骨整合產品，毛孔的分布是骨骼生長的關鍵成功因素，也是非常難以評估的設計方面之一。 3DXPERT包括專用的孔隙分布直方圖，用於驗證醫療產品的這些晶格。 同樣，該軟體包括用於了解醫療應用中網格開放側與人體之間相互作用的工具。 這些工具有助於防止任何可能導致組織損傷的尖銳、突出的支柱。
3DXPert 還允許設計人員檢測和調整水平角度非常小的晶格支柱，這可能會影響可列印性，以及調整和定義專用切片引數，以確保最佳零件質量和更快的生產速度。
對於那些不太熟悉增材製造的所有細節的人來說，製造具有複雜晶格結構的產品似乎也令人生畏。 這就是 3DXPERT 的換熱器應用程式派上用場的地方。 它包括旨在簡化晶格結構設計和增材製造工作流程的功能，因此團隊可以輕鬆建立晶格結構並快速迭代以找到最佳方法。
保持3D列印晶格的領先地位
值得注意的是，這些晶格結構是多麼新。 其中一些幾何形狀在五年前幾乎不可能製造。 可以理解的是，產品設計師仍在探索如何在產品設計和新的3D列印技術中更好地利用這些結構。
令人興奮的是，這些結構有可能突破產品設計的極限，從而生產出更輕、更便宜、超出效能預期的產品。