金屬陶瓷3D打印晶格結構，升華三維有突破

來源：升華三維

晶格結構是一種可以使零件更輕、更堅固，更有效地吸收沖擊力，并更好地根據不同用途進行個性化定制的強大設計功能。但在制造復雜內部晶格結構的零件時，無法通過傳統制造技術來制作。而3D打印突破傳統加工的思維模式，采用數字建模并直接打印成型的技術特性使之在晶格結構制備方面具有獨特的優(yōu)勢。

晶格是由節(jié)點和梁或支柱組合的網絡組成的二維或三維微體系結構。簡單地說，它就是3D打印物件最常見的一種鏤空的結構，這種結構并不是隨機堆砌出來的，而是結合晶體學的力學和結構進行設計，所以這種鏤空的結構在專業(yè)上被叫做晶格。在業(yè)內，晶格結構被定義為包含在3D空間中重復對齊的互連支柱或板陣列的復雜架構。它是指某種結構的單胞在空間上按照一定的規(guī)律組合成的結構，按照排布形式可將單元胞分為均勻同構、均勻異構、非均勻同構和非均勻異構四種。

△3D打印的晶格結構綜合展示樣品（樣品來源：升華三維）

升華三維晶格設計打印能力
近日，升華三維采用自主研發(fā)的UPrise3D切片軟件的填充功能，進行獨特的晶格結構設計，并完成了對指定區(qū)域的不同晶格結構的打印成型和脫脂燒結。重點展示晶格結構在金屬陶瓷3D打印應用領域的設計制造。

△晶格結構打印案例（視頻來源：升華三維）

UPrise 3D切片軟件是升華三維——金屬/陶瓷間接3D打印全工藝鏈解決方案的重要軟件。是支持三維模型到打印成型的核心技術系統，擁有增材制造切片軟件的全部功能。而在輕量化設計填充模塊中有網格、直線、三角形、內六角、立方體、立方體分區(qū)、八角形、四面體、同心圓、鋸齒狀、交叉、交叉3D、螺旋二十四面體等晶格圖案，并且可根據設置實時顯示已選擇的晶格的元素數量，如角度、節(jié)點、體積，孔隙率等。

△具有多種晶格設計結構（來源：升華三維）

由于晶格結構的復雜性，使用典型的CAD工具將它們建模到零件中是不切實際的。通常情況下，零件實體會在CAD中進行繪制。然后，把設計好的零件模型導入到另一個軟件包中以生成晶格結構。用于此目的的軟件程序主要包括Netfabb和nTopology。而基于升華三維UPrise3D切片軟件同樣有強大的晶格生成能力，可以產生非常復雜的點陣設計�；谲浖詭У膱D案填充模塊，對零件模型特定區(qū)域實現晶格設計，并且晶格圖案及參數可自主調節(jié)。從而幫助用戶設計出可3D打印的晶格結構。

△晶格結構設計（視頻來源：升華三維）

3D打印中晶格結構的優(yōu)勢
·減少材料和使用成本：晶格設計可以通過去除非關鍵區(qū)域的大部分材料來減少材料浪費。比如在航空航天工業(yè)中，晶格結構的引入可減少鈦或鉻鎳鐵合金這些昂貴材料的使用。晶格結構的引入意味著將使用更少的材料，并在不犧牲零件結構剛性和完整性的情況下，節(jié)省更多成本。
·輕量化：通過晶格技術減少材料使用還有另一個好處就是減輕重量�？梢詫⒕Ц駞稻_調整到零件上的物理負載，將零件的整體質量減少90％或更多。還具有許多優(yōu)勢，從減少汽車應用中的燃料使用到改善醫(yī)療案例中的患者恢復時間，還有減輕飛機、航天器的重量。

△3D打印的氧化物陶瓷晶格構件（樣品來源：升華三維）

·改進的強度重量比。通過晶格結構設計，可以有效零件強度重量比。這對需要推重比最大化的汽車和航空航天領域具有非常重要的意義。

△3D打印的金屬晶格結構件（樣品來源：升華三維）

·高表面積。一些應用側重于最大化表面積，而不是機械強度。利用晶格技術，可以提供更多曲面，大量釋放表面積，而不會增加其總體占地面積，這對于促進熱交換和化學反應的產品而言是一個關鍵優(yōu)勢。

·出色的減震和沖擊保護。晶格結構在消散震力和沖擊載荷方面非常有效，因為單元結構有助于整個結構的彎曲和能量分配。晶格可以集成到產品（例如橄欖球頭盔）中以減少沖擊應力，也可以用作犧牲特性以保護產品的關鍵組件免受意外跌落等動態(tài)事件的影響。
·理想的生物相容。在醫(yī)用植入物中創(chuàng)建晶格結構，令構造物具有接近周圍骨組織的機械性能，讓植入物與患者自身的骨骼結構形成更牢固的結合，以促進骨生長。

3D打印中晶格結構的適用領域
晶格結構是最典型一種復雜結構�；谄鋸碗s的結構形態(tài)，例如使用水射流切割、鑄造、化學鍍和電沉積等傳統的制造技術制造，耗時、昂貴，并且無法達到高分辨率。而采用3D打印的數字化制造方式，可實現以較低的成本和時間制造高分辨率和復雜形狀的薄支柱和晶格幾何形狀，這一顯著的優(yōu)勢讓其成為理想的零件成形方式，并讓其收獲了各行業(yè)無數用戶的擁躉。目前，除了在消費品、體育用品、工業(yè)設備等領域備受青睞之外，更適用于汽車零件、再生醫(yī)學、航空航天等領域的設計制造。超輕和多功能特性的晶格結構已經向著多個行業(yè)的復雜應用進行著持續(xù)性的推廣和研究：
·再生醫(yī)學領域：骨組織支架結構設計中的晶格，其規(guī)則的孔洞能夠在促進組織生長的同時提供結構性支撐，其晶格成型難的問題可以采用3D打印技術得到解決。

△3D打印的生物陶瓷晶格結構件（樣品來源：升華三維）

·汽車設計領域：汽車設計的多孔或者蜂窩狀吸能盒可以有效提高汽車的安全性能，其具備優(yōu)異力學性的結構面臨著成型成本高昂的問題，但可以使用先進的3D打印技術進行優(yōu)化解決。

·航空領域：所需要的機翼夾層結構中的晶格設計同樣具備很高的強重比優(yōu)勢，其成型工藝同樣可以運用3D打印技術進行。同時，超輕型陶瓷晶格結構的開發(fā)也將解決深空探測器復雜結構的輕量化設計，實現極其復雜結構的功能集成。

△3D打印的特種陶瓷晶格結構件（樣品來源：升華三維）

創(chuàng)新和探索——升華三維從未止步
總體來說，3D打印技術的最大價值之一在于能成型各種復雜結構，因此結構設計與創(chuàng)新成為3D打印技術深化應用的核心。但目前，在結構設計與制造工藝的結合方面仍具有局限性，晶格結構能否與打印路徑匹配，晶格結構的打印效率如何以及在晶格單元胞結構的開發(fā)與創(chuàng)新、單元胞結構的性能研究方面仍有待探索。

同時目前市面上大多數的晶格設計軟件也幾乎都有局限性，比如晶格種類過少、生成的晶胞質量本身有問題、效果不理想，另外軟件操作門檻較高等，種種弊端讓晶格的設計與應用不能實現很好的銜接。

升華三維作為目前國內具備金屬/陶瓷材料開發(fā)制備、金屬/陶瓷3D打印機研發(fā)生產、切片軟件開發(fā)到3D打印工藝、脫脂及燒結工藝一整套金屬/陶瓷間接3D打印工藝鏈及解決方案的供應商。一直致力于面向解決金屬·陶瓷傳統制造工藝無法制造的難題，積極貫通金屬/陶瓷制造全鏈條、全流程、全配套的高附加值服務�；谏A三維搭載的系統性軟件與控制方法，可根據客戶產品開發(fā)需求進行多晶格結構的設計與填充制造，快速落地應用。

△多孔陶瓷構件應用案例（來源：升華三維）

未來，隨著先進制造工藝的快速發(fā)展，超材料的晶格結構的制造成為可能。升華三維將繼續(xù)深化對金屬、陶瓷及其他先進材料的開發(fā)與研究，增強對大尺寸、高性能、高復雜結構的設計與制造能力，實現對層內各種穿插、交織、多孔等三維結構達到強度、剛度、韌性、耐久性等多性能的完美平衡，為客戶提供理想的產品。相信，未來還會有更多晶格結構出現在更多領域中，讓我們不斷在改進結構優(yōu)化和功能設計中，贏得更廣闊的應用市場。

晶格結構做的很精細了