小点阵、大洞天，一文洞悉3D打印为缓冲、防护产品创造新机遇的精益之道

随着带有3D打印鞋中底的运动鞋在消费市场上打开局面，其中的关键技术-基于弹性塑料材料的3D打印晶格结构（3D打印点阵结构）作为替代传统泡沫塑料的新一代缓冲、防护材料，引起了制造业的关注。

在生活中，运动鞋、矫形鞋垫、防护头盔、汽车座椅、耳机等众多产品中都不乏泡沫塑料的应用。那么，3D打印点阵晶格结构是否也可以用在更广泛的领域？运动、防护类零件/从产品制造商，怎样运用3D打印技术，实现产品性能升级？

国际著名塑料零部件制造商裕克施乐（OECHSLER）在点阵晶格结构3D打印领域已积累了大量生产案例，在塑料3D打印零件生产领域建立了从产品设计开发到量产的增材制造全价值链增值服务。本期3D科学谷与谷友通过位于中国太仓的裕克施乐3D打印点阵晶格结构生产案例，来共同领略关于大批量生产背后的精益之道。

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“扰乱”泡沫塑料的

3D打印点阵结构

消费级的泡沫塑料用途广泛... ...

硬质泡沫塑料可做热绝缘材料和隔音材料，管道和容器等的保温材料，漂浮材料及减震包装材料等。传统软质泡沫材料，如EVA，由于质量轻、柔软度好，具备缓冲、吸音、吸震、保温、过滤等功能，广泛应用于电子、家电、汽车、体育休闲等行业[1]，做衬垫材料，泡沫人造革等应用。[1]

工业级应用方面，用反应注射成型制得的玻璃纤维增强聚氨酯泡沫塑料，已用作飞机、汽车、计算机等的结构部件；而用空心玻璃微珠填充聚苯并咪唑制得的泡沫塑料，质轻而耐高温，已用于航天器中。[2]

在部分领域，3D打印晶格结构已开始替代传统泡沫塑料。

▲面向增材制造的点阵晶格设计

© 裕克施乐

以消费领域的体育用品为例，足球防护垫、运动鞋中底都是传统EVA 泡沫材料的应用场景，这一材料具有缓冲和能量回馈作用。其中运动鞋中底最常用的泡沫是称为EVA（乙烯醋酸乙烯酯）的闭孔泡沫。[3]

长期以来，EVA泡沫被用作鞋中底的制造材料。那么，在什么情况下，制造商能够将目光转向3D打印晶格结构呢？

仍以运动鞋中底制造为例。揭开3D打印晶格结构的“面纱”，引起运动鞋制造企业重视的重要原因是，3D打印应用能够使他们摆脱传统鞋中底制造方式的局限性，提供复杂的高性能整体设计。

使用传统工艺，制造商通常需要组装多个零件才能在单个中底中创建不同的性能区域，而使用3D打印技术则能够在同一塑料零件中以数字化的方式制造具有不同功能区的鞋底。在3D打印鞋中底中，起到关键作用的是3D打印晶格结构。

更广泛的应用成为可能！

3D打印晶格结构，可以认为是大量相同的点阵单元通过某种形式周期性地组合而构成的多孔结构。这种结构的性能具有很高的设计灵活性，通过调整点阵的相对密度、单胞的构型、连杆的尺寸，达到结构的强度、刚度、韧性、耐久性、静力学性能、动力力学性能的完美平衡。[4]

这意味着，设计师通过调整单个胞元尺寸、杆径和胞元形状，将可能实现产品更高的设计美感和力学性能。结合3D打印在制造复杂结构方面的能力，设计师能够更加能够专注于产品本身，这为3D打印晶格结构的应用打开了更大的空间。

接下来，我们通过裕克施乐已进行批量生产的案例，来看一看3D打印晶格结构怎样与产品结合，为产品设计创新以及性能提升带来哪些可能性。

/ 从运动鞋中底切入到3D打印精益制造全价值链

裕克施乐是面向大批量生产的高附加值产品的精益化制造解决方案提供商，在竞争中拥有独特的市场定位，裕克施乐还拥有代表最新技术水平的测量技术，极高水准的质量和环境管理。在中国，裕克施乐在太仓为汽车、医疗、工业和鞋类板块生产高质量的产品。

l 运动鞋中底

裕克施乐从运动鞋中底的制造切入到了3D打印市场，裕克施乐注重先进技术的创新与研发，在面向增材制造的晶格结构设计与这类结构的增材制造（3D打印）批量生产领域走在业界前列。裕克施乐通过位于德国、美国和中国（太仓）的生产基地，已经生产了超过200万个3D打印零件，在此基础上，裕克施乐建立了从3D打印产品设计开发，到成品批量生产的增材制造全价值链增值服务。

▲裕克施乐生产的高性能运动鞋中底

© 裕克施乐

上图是裕克施乐采用Carbon 公司DLS™ 高速光固化3D打印设备生产的3D打印鞋中底，裕克施乐太仓生产基地每年可向客户交付近100万双的鞋中底。

裕克施乐有针对性的细化客户需求，利用晶格设计拥有的独特设计灵活性，达到客户产品所需的功能，性能等要求。晶格设计往往拥有复杂的几何结构，而制造复杂的结构恰好是增材制造技术在工业制造中的竞争优势之一，可以说晶格设计与增材制造的绝妙组合将能给客户的产品带来独特的创新性。

对于量产3D打印产品而言，保持质量一致性至关重要。裕克施乐通过严格的生产环境控制，选择合适的打印技术和优化的后处理工艺来实现打印量产质量的一致性。

裕克施乐整个生产车间，包括原材料存储仓库通过独立的控制系统实现温度湿度的稳定控制，配合不同区域点位的实施监控形成闭环管控，保证了整个打印生产过程环境的稳定性。

裕克施乐拥有全球最多的Carbon 3D打印机。采用逐层沉积原理的增材制造工艺，其机械性能取决于部件的打印方向（各向异性），而Carbon 的DLS 数字光合成技术所生产的零件在所有方向上都表现一致（各向同性）。这是保证打印产品质量一致性的条件之一。

对于某些需要二次固化的3D打印产品而言，产品的后处理好坏，除了会直接影响外观表现外，更是会直接决定最终产品力学功能特性。裕克施乐在后处理工艺研发方面的能力与丰富经验，为量产产品的质量一致性提供有效保证。

l 防护头盔

▲裕克施乐生产的高性能橄榄球头盔护垫

© 裕克施乐

极强冲击力的美式橄榄球头盔护垫，设计师通过运动员对保护头盔的性能要求，选择合适的晶格形状，通过精细调整每个支撑杆径的厚度来调整晶格结构的硬度，对十几万个独立的晶格支撑结构进行特别调整，最终实现了晶格结构中内部的阻尼支柱与运动员在运动中所经历的冲击方向相对来吸收和分散能量。

▲高性能橄榄球头盔护垫细节图

© Carbon

此外，该头盔衬垫除了提供卓越的保护性能，还能给运动员带来卓越的透气性和出色的贴合度。

l 防护面罩防护区域

在抗击新冠疫情的过程中，医护人员在长时间佩戴防护面罩后会感到不适。

▲裕克施乐生产的3D打印防护面罩

© 裕克施乐

裕克施乐生产的防护面罩，采用了面向增材制造的先进晶格设计，优化了晶胞形状，材料为高性能弹性体，打印成型后显著提升了该防疫面罩的佩戴舒适度和可靠性。

l 汽车座椅

3D打印晶格结构在舒适性方面所带来的新体验，引起了高端汽车制造商的兴趣，这种面向增材制造的先进设计被集成在了汽车座椅中。

▲裕克施乐生产的汽车座椅3D打印中间层材料（右）

© 裕克施乐

裕克施乐生产的3D打印晶格结构，可作为座椅的中间层材料，这里也是座椅的舒适层。在座椅的不同区域，3D打印晶格胞元的设计有所不同，晶格设计的多样性，使得座椅的不同区域具有不同的功能与性能。

座椅舒适层的应用，很好的体现了3D打印晶格结构的性能所具有的高设计灵活性。

/ 重塑产品的精益之道！

3D打印晶格结构为以往受到泡沫塑料工艺限制而无法实现的设计，带来突破的可能性。裕克施乐建立的增材制造全价值链增值服务体系，为面向增材制造的先进设计提供了转化为现实产品的大批量精益制造交付能力。

自行车座、鞋中底、汽车座椅、头盔衬垫、矫形鞋垫、头戴式耳机…..等应用是3D打印晶格结构的应用起点，随着高性能3D打印材料的丰富，产品开发团队将迎来更多通过全新设计思维、新材料和增材制造重塑产品舒适性、安全性的新机遇。

l 案例来源：

裕克施乐 www.oechsler.com/cn 

l 参考资料

[1] 360百科

[2] 3D科学谷.《 Carbon的3D打印结构如何对泡沫塑料行业带来冲击？》

[3] Carbon.‘Rethinking foam—the Carbon lattice innovation’

[4] 增材制造创新设计. 《点阵结构的设计经验分享》

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《金属增材制造嫁接打印应用》

——模具企业怎样降本、提质、增效？

延伸阅读:

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三维世界｜全球视角

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