晶格结构是一种可以使零件更轻、更坚固，更有效地吸收冲击力，并更好地根据不同用途进行个性化定制的强大设计功能。但在制造复杂内部晶格结构的零件时，无法通过传统制造技术来制作。而3D打印突破传统加工的思维模式，采用数字建模并直接打印成型的技术特性使之在晶格点阵结构制备方面具有独特的优势。
近日，升华三维采用自主研发的UPrise3D切片软件的填充功能进行独特的晶格结构设计，并完成了对指定区域的不同晶格结构的打印成型和脱脂烧结。重点展示了晶格结构在金属/陶瓷3D打印应用领域的设计制造。
UPrise3D切片软件晶格生成功能
UPrise 3D切片软件是升华三维——金属/陶瓷间接3D打印全工艺链解决方案的重要软件，是支持三维模型到打印成型的核心技术系统，拥有增材制造切片软件的全部功能。
▲3D打印的晶格结构综合展示样品（样件来源：升华三维）
而在轻量化设计填充模块中有网格、直线、三角形、内六角、立方体、立方体分区、八角形、四面体、同心圆、锯齿状、交叉、交叉3D、螺旋二十四面体等晶格图案，并且可根据设置实时显示已选择的晶格的元素数量，如角度、节点、体积，孔隙率等。
▲具有多种晶格设计结构
© 升华三维
由于晶格点阵结构的复杂性，使用典型的CAD工具将它们建模到零件中是不切实际的。通常情况下，零件实体会在CAD中进行绘制。然后，把设计好的零件模型导入到另一个软件包中以生成晶格结构。用于此目的的软件程序主要包括Netfabb和nTopology。而基于升华三维UPrise3D切片软件同样具有晶格生成能力，通过该软件可以产生非常复杂的点阵设计。基于软件自带的图案填充模块，对零件模型特定区域实现晶格设计，并且晶格图案及参数可自主调节。从而帮助用户设计出可3D打印的晶格结构。
3D打印晶格点阵结构的优势
·减少材料和使用成本：晶格设计可以通过去除非关键区域的大部分材料来减少材料浪费。比如在航空航天工业中，晶格结构的引入可减少钛或铬镍铁合金这些昂贵材料的使用。晶格结构的引入意味着将使用更少的材料，并在不牺牲零件结构刚性和完整性的情况下，节省更多成本。·轻量化：通过晶格技术减少材料使用还有另一个好处就是减轻重量。可以将晶格参数精确调整到零件上的物理负载，将零件的整体质量减少90％或更多。还具有许多优势，从减少汽车应用中的燃料使用到改善医疗案例中的患者恢复时间，还有减轻飞机、航天器的重量。
▲3D打印的氧化物陶瓷晶格构件（ 样件来源：升华三维）·改进的强度重量比。通过晶格结构设计，可以有效零件强度重量比。这对需要推重比最大化的汽车和航空航天领域具有非常重要的意义。·高表面积。一些应用侧重于最大化表面积，而不是机械强度。利用晶格技术，可以提供更多曲面，大量释放表面积，而不会增加其总体占地面积，这对于促进热交换和化学反应的产品而言是一个关键优势。·出色的减震和冲击保护。晶格结构在消散震力和冲击载荷方面非常有效，因为单元结构有助于整个结构的弯曲和能量分配。晶格可以集成到产品（例如橄榄球头盔）中以减少冲击应力，也可以用作牺牲特性以保护产品的关键组件免受意外跌落等动态事件的影响。·理想的生物相容。在医用植入物中创建晶格结构，令构造物具有接近周围骨组织的机械性能，让植入物与患者自身的骨骼结构形成更牢固的结合，以促进骨生长。晶格结构是最典型一种复杂结构。基于其复杂的结构形态，例如使用水射流切割、铸造、化学镀和电沉积等传统的制造技术制造，耗时、昂贵，并且无法达到高分辨率。© 3D科学谷白皮书
而采用3D打印的数字化制造方式，可实现以较低的成本和时间制造高分辨率和复杂形状的薄支柱和晶格几何形状，这一显著的优势让其成为理想的零件成形方式，并让其收获了各行业无数用户的拥趸。目前，除了在消费品、体育用品、工业设备等领域备受青睐之外，更适用于汽车零件、再生医学、航空航天等领域的设计制造。超轻和多功能特性的晶格结构已经向着多个行业的复杂应用进行着持续性的推广和研究：·再生医学领域：骨组织支架结构设计中的晶格，其规则的孔洞能够在促进组织生长的同时提供结构性支撑，其晶格成型难的问题可以采用3D打印技术得到解决。
▲3D打印的生物陶瓷晶格结构件（样件来源：升华三维）·汽车设计领域：汽车设计的多孔或者蜂窝状吸能盒可以有效提高汽车的安全性能，其具备优异力学性的结构面临着成型成本高昂的问题，但可以使用先进的3D打印技术进行优化解决。·航空领域：所需要的机翼夹层结构中的晶格设计同样具备很高的强重比优势，其成型工艺同样可以运用3D打印技术进行。同时，超轻型陶瓷晶格结构的开发也将解决深空探测器复杂结构的轻量化设计，实现极其复杂结构的功能集成。
▲3D打印的特种陶瓷晶格结构件（样件来源：升华三维）
总体来说，3D打印技术的最大价值之一在于能成型各种复杂结构，因此结构设计与创新成为3D打印技术深化应用的核心。但目前，在结构设计与制造工艺的结合方面仍具有局限性，晶格结构能否与打印路径匹配，晶格结构的打印效率如何以及在晶格单元胞结构的开发与创新、单元胞结构的性能研究方面仍有待探索。
同时目前市面上大多数的晶格设计软件也几乎都有局限性，比如晶格种类过少、生成的晶胞质量本身有问题、效果不理想，另外软件操作门槛较高等，种种弊端让晶格的设计与应用不能实现很好的衔接。升华三维作为具备金属/陶瓷材料开发制备、金属/陶瓷3D打印机研发生产、切片软件开发到3D打印工艺、脱脂及烧结工艺一整套金属/陶瓷间接3D打印工艺链及解决方案的增材制造-3D打印企业，一直致力于面向解决金属·陶瓷传统制造工艺无法制造的难题，积极贯通金属/陶瓷制造全链条、全流程、全配套的高附加值服务。基于升华三维搭载的系统性软件与控制方法，可根据用户产品开发需求进行多晶格结构的设计与填充制造，快速落地应用。
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