3D打印中的陀螺儀晶格–終極指南
魔猴君 知識(shí)堂 335天前
在3D打印技術(shù)中，有一種自然結(jié)構(gòu)被越來(lái)越多地應(yīng)用于減輕產(chǎn)品重量，并使輕量級(jí)產(chǎn)品更加堅(jiān)固，這種結(jié)構(gòu)就是陀螺晶格。這種復(fù)雜的形狀曾經(jīng)幾乎無(wú)法制造，但現(xiàn)在對(duì)3D打印機(jī)來(lái)說(shuō)已不再是難題，它為產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)辟了一片新天地。
Protolabs使用金屬激光粉末床融合技術(shù)構(gòu)建的鈦合金陀螺晶格（來(lái)源：Protolabs）
陀螺形狀可以用多種3D打印技術(shù)制作出來(lái)，它是一種全新的、令人興奮的填充圖案，具有多種明顯的工程優(yōu)勢(shì)。從上圖中的直排輪滑鞋到外科植入物、航空航天部件和熱交換器，您會(huì)發(fā)現(xiàn)它被廣泛應(yīng)用于各種3D打印產(chǎn)品中。
陀螺結(jié)構(gòu)是一種復(fù)雜的三維幾何圖案，其特點(diǎn)是由錯(cuò)綜復(fù)雜的重復(fù)表面網(wǎng)絡(luò)組成，在跨越給定邊界的同時(shí)最大限度地減少了表面積。從技術(shù)上講，它們是一種三重周期性最小表面（TPMS）結(jié)構(gòu)，我們將在下文對(duì)此進(jìn)行深入探討。
Proto3000的工程師使用陀螺儀晶格填充物將螺旋錐齒輪的重量減輕了51%（來(lái)源：Proto3000）
一、什么是陀螺儀？
Desktop Metal的這款陀螺儀結(jié)構(gòu)3D打印扳手與實(shí)體工具一樣堅(jiān)固，但質(zhì)量和重量減輕了30%
（來(lái)源：Desktop Metal）
讓我們進(jìn)一步分解陀螺。三周期極小曲面意味著你可以在三個(gè)方向上創(chuàng)建陀螺儀圖案。在下圖中，陀螺單元的單個(gè)晶胞（灰色）可以在x、y和z軸上復(fù)制，以構(gòu)建更大的晶格，例如填充這個(gè)熱交換器模型的晶格。
極小表面是指跨越邊界點(diǎn)而不會(huì)產(chǎn)生超出絕對(duì)需要的表面積的表面。雖然試圖理解這個(gè)想法可能會(huì)讓你的泡泡破滅，但不用擔(dān)心，因?yàn)榉试砟ぴ趧?chuàng)造最小表面方面非常出色。想想泡泡棒環(huán)上的肥皂膜吧。
肥皂接觸到邊界（泡泡棒的邊緣）時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生任何額外的表面區(qū)域，如凸起或凹陷。肥皂膜會(huì)非常平整。對(duì)于形狀不規(guī)則的物體也是如此。雖然這是一個(gè)二維類比，但您可以理解為一個(gè)由相連表面組成的網(wǎng)絡(luò)，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，肥皂膜形成了一個(gè)連續(xù)的、相互連接的表面，橫跨魔棒的邊框。
作用中的晶格力學(xué)：左圖，3D邊界上的肥皂膜；右圖，二維邊界上的肥皂膜（來(lái)源：Protolabs）
二、為什么在3D打印零件中使用陀螺儀晶格？
3D打印及其創(chuàng)建陀螺晶格的能力為現(xiàn)有材料的新變化、輕量化、生物力學(xué)、熱傳遞等帶來(lái)了無(wú)數(shù)可能性。
奧克蘭大學(xué)創(chuàng)意設(shè)計(jì)和增材制造實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)，鞋墊可以采用螺旋晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)足部壓力圖自動(dòng)生成較硬和較軟的區(qū)域，以在需要的地方緩解壓力（來(lái)源：奧克蘭大學(xué)創(chuàng)意設(shè)計(jì)和增材制造實(shí)驗(yàn)室）增材制造實(shí)驗(yàn)室）
1、輕量化
瑞士應(yīng)用科學(xué)大學(xué)機(jī)械工程與材料技術(shù)學(xué)院的研究人員了解到，蝴蝶翅膀上的陀螺格子有助于保持翅膀的硬度，但重量卻很輕。
他們將陀螺儀晶格與碳纖維增強(qiáng)塑料肋條相結(jié)合，就像蝴蝶翅膀上的肋條一樣。格子是用立體光刻技術(shù)（SLA）用管子制成的，他們將碳纖維增強(qiáng)肋條安裝在管子中。通過(guò)測(cè)試，他們能夠在不增加密度的情況下制造出更堅(jiān)硬的晶格。他們還研究了棒材厚度和陀螺孔隙率等變量對(duì)最終材料的影響。這只是研究輕量化應(yīng)用中陀螺格子的眾多研究之一。
Restor3d設(shè)計(jì)和制造個(gè)性化植入物，例如這些具有螺旋晶格結(jié)構(gòu)的頸椎融合器
通過(guò)具有最大表面積的完全互連結(jié)構(gòu)促進(jìn)骨骼向內(nèi)生長(zhǎng)（來(lái)源：Restor3d）
2、骨與組織工程
陀螺儀為骨骼和組織支架提供了新的機(jī)遇。在骨骼受傷的情況下，醫(yī)生會(huì)安裝帶有支架格子的人工骨骼植入物來(lái)替代受損部位。這些支架的機(jī)械性能非常重要，但多孔性也同樣重要。隨著時(shí)間的推移，新組織將長(zhǎng)入支架。工程師們面臨的挑戰(zhàn)是，如何設(shè)計(jì)出具有足夠孔隙率的支架，使組織能夠生長(zhǎng)和流體運(yùn)動(dòng)，同時(shí)又不影響機(jī)械性能。
如今，在3D打印人工骨植入物中，使用了各種晶格結(jié)構(gòu)來(lái)復(fù)制天然骨的多孔性。理想情況下，可以根據(jù)患者的病情、植入物的類型以及所需的機(jī)械和生物性能來(lái)選擇每種晶格，它們都有各自的設(shè)計(jì)考慮因素和優(yōu)點(diǎn)。
一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，陀螺狀支架的抗壓強(qiáng)度高于所研究的其他陀螺狀支架。澳大利亞維多利亞州皇家墨爾本理工大學(xué)和迪肯大學(xué)的研究人員對(duì)陀螺狀支架的性能進(jìn)行了研究。他們的研究通過(guò)FDM使用聚乳酸制造陀螺。這項(xiàng)研究只關(guān)注材料測(cè)試，以及熔融沉積成型（FDM）陀螺是否是骨組織支架的良好選擇，研究結(jié)果很有希望。
蘇黎世大學(xué)更進(jìn)一步，在培養(yǎng)皿中測(cè)試了陀螺儀在體外和兔子體內(nèi)的性能。這項(xiàng)研究將三種類型的TPMS與傳統(tǒng)的晶格進(jìn)行了比較。如果您決定查看他們的研究論文，就會(huì)發(fā)現(xiàn)他們將我們一直在討論的陀螺形狀稱為菱形，但為了保持一致，我們?cè)谶@里還是稱之為陀螺。在測(cè)試的各種形狀中，陀螺的剛度和抗壓強(qiáng)度最高，彈性模量與骨骼相當(dāng)。與其他形狀的支架相比，陀螺形狀支架內(nèi)的組織量在統(tǒng)計(jì)學(xué)上有顯著增加。在為期4周的試驗(yàn)中，與其他TPMS形狀或傳統(tǒng)的格子相比，陀螺支架有更多的骨質(zhì)生長(zhǎng)，骨與植入物的接觸程度更高。研究得出結(jié)論，由于陀螺支架兼顧了機(jī)械性能、多孔性和低材料體積，因此在骨組織應(yīng)用方面大有可為。
Desktop Metal公司Aidro的3D打印熱交換器具有螺旋晶格內(nèi)部結(jié)構(gòu)，被稱為Toucan Beak（來(lái)源：Aidro）
3、熱交換器
螺旋晶格的獨(dú)特形狀，除了材料體積小之外，使其成為熱交換器的理想選擇。
這就是陀螺儀的作用所在。格拉斯哥大學(xué)的研究人員利用計(jì)算機(jī)建模研究了兩種TPMS結(jié)構(gòu)與更傳統(tǒng)的印刷電路熱交換器（PCHE）的比較。測(cè)試的TPMS結(jié)構(gòu)之一是陀螺儀，另一種是Schwarz-D結(jié)構(gòu)。這兩種TPMS結(jié)構(gòu)的性能都優(yōu)于PCHE基線。這是因?yàn)檫@兩種TPMS結(jié)構(gòu)都有更大的表面積通過(guò)傳導(dǎo)進(jìn)行熱量傳遞，更重要的是，這兩種結(jié)構(gòu)都能在通過(guò)熱交換器的氣流中產(chǎn)生更多的湍流，從而通過(guò)對(duì)流進(jìn)行更多的熱量傳遞?？傮w而言，陀螺儀和Schwarz-D結(jié)構(gòu)的性能均優(yōu)于基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)15%-100%，具體取決于流動(dòng)條件。
雖然這項(xiàng)研究完全是通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬完成的，但它為其他研究打開(kāi)了大門，在這些研究中，可以將使用增材制造技術(shù)制造的實(shí)際熱交換器與更傳統(tǒng)的熱交換器進(jìn)行比較。
設(shè)計(jì)公司Slicelab設(shè)計(jì)的直排輪輪轂采用螺旋晶格結(jié)構(gòu)，以減輕重量和材料使用（來(lái)源：Slicelab）
4、消費(fèi)產(chǎn)品
在消費(fèi)品中，不乏重量更輕、用料更少的產(chǎn)品。從體育用品、廚房用具到玩具，所有產(chǎn)品都可以用更少的材料制成，但功能卻一樣好，甚至更好。此外，陀螺格子在視覺(jué)上也很吸引人。
由于將陀螺格子結(jié)構(gòu)應(yīng)用到消費(fèi)品上需要使用3D打印技術(shù)，因此目前市場(chǎng)上還沒(méi)有這方面的實(shí)例。但設(shè)計(jì)公司Slicelab展示了一個(gè)很好的例子，說(shuō)明3D打印陀螺結(jié)構(gòu)可以為直排輪滑鞋等產(chǎn)品帶來(lái)什么。
Slicelab的一位創(chuàng)始人在重新開(kāi)始滑冰之后，受到啟發(fā)，想要?jiǎng)?chuàng)造出與眾不同的、適合他所追求的滑冰類型的產(chǎn)品。他們使用nTop軟件，將標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)心塑料輪殼換成了陀螺格子輪殼，以實(shí)現(xiàn)輕量化。在車輪之間需要較少結(jié)構(gòu)的區(qū)域，一個(gè)戰(zhàn)略性的陀螺儀系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)開(kāi)口緊密結(jié)合。
這些部件采用尼龍PA-12材料在惠普全彩Jet Fusion 580粘合劑噴射機(jī)上進(jìn)行3D打印（該設(shè)備已停產(chǎn)）。
三、設(shè)計(jì)陀螺儀晶格的軟件
使用nTop軟件設(shè)計(jì)換熱器的陀螺晶格結(jié)構(gòu)（來(lái)源：nTop）
巴斯夫推出的一款名為Ultrasim 3D Lattice Engine的新產(chǎn)品非常簡(jiǎn)單。上傳您的零件STL，從庫(kù)中選擇一個(gè)晶格并嘗試一些設(shè)置以獲得您正在尋找的屬性，然后導(dǎo)出。
然而，如果您希望晶格設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，更多CAD軟件包即將推出，以方便對(duì)陀螺晶格進(jìn)行建模。例如，Siemens NX現(xiàn)在擁有一個(gè)隱式建模模塊，面向增材制造領(lǐng)域的工程師。Autodesk Fusion 360很快跟進(jìn)，通過(guò)產(chǎn)品設(shè)計(jì)擴(kuò)展提供了體積晶格工具。然而，用于增材制造的高度有機(jī)零件設(shè)計(jì)的首要軟件是nTop，這并不奇怪，因?yàn)樗彩翘幚硗勇菥Ц竦慕^佳選擇。
生成晶格結(jié)構(gòu)的軟件：
nTop
Altair Sulis
Autodesk Fusion 360&Netfabb
Siemens NX
Materialize 3-Matic
Altair Optistruct&Inspire
PTC Creo
Carbon Design Engine
General Lattice
Metafold 3D
Ultrasim 3D Lattice Engine
在PTC Creo軟件中將陀螺儀結(jié)構(gòu)應(yīng)用到零件內(nèi)部（來(lái)源：PTC）
四、如何3D打印陀螺晶格
設(shè)計(jì)采用激光粉末床融合3D打印技術(shù)制成的螺旋晶格零件需要確保為未使用的粉末材料制定逃生計(jì)劃
（來(lái)源：Hyperganic）
快速成型技術(shù)為那些希望從陀螺格子中獲益的學(xué)術(shù)界和工業(yè)界人士帶來(lái)了福音。如果您想探索它們，請(qǐng)繼續(xù)閱讀將陀螺晶格融入設(shè)計(jì)的最佳實(shí)踐。
雖然每種3D打印技術(shù)都采用逐層打印的方法，但不同的技術(shù)對(duì)成功構(gòu)建陀螺格子有不同的要求。
在構(gòu)建陀螺格子時(shí)，有兩個(gè)主要問(wèn)題需要考慮：原材料滯留和支撐結(jié)構(gòu)滯留。
您可以使用熔融沉積建模(FDM)技術(shù)制作虛構(gòu)的陀螺晶格，如BigRep的這些輕量且靈活的擠出機(jī)案例所示
（來(lái)源：BigRep）
1、填充與格子
對(duì)許多人來(lái)說(shuō)，他們第一次接觸3D打印是使用聚合物絲作為材料的熔融沉積建模（FDM）。FDM的一大優(yōu)勢(shì)是填充。在準(zhǔn)備打印零件時(shí)，切片軟件會(huì)為您提供填充選項(xiàng)。這樣，零件的中間部分就不會(huì)是一個(gè)實(shí)心零件，而是一個(gè)晶格，從而節(jié)省了重量、材料和制作時(shí)間。填充的好處在于，切片軟件會(huì)為您制作格子，您只需選擇密度或填充壁厚度等設(shè)置即可。
流行的切片軟件UltiMaker Cura和PrusaSlicer都有陀螺儀填充選項(xiàng)。這為您提供了一種在零件中獲得陀螺結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)的直接方法。
填充是FDM和其他擠壓型技術(shù)所特有的。關(guān)鍵因素是在制造時(shí)，零件周圍除了空氣外沒(méi)有其他任何東西。對(duì)于許多其他類型的添加劑技術(shù)來(lái)說(shuō)，制造零件時(shí)周圍都是原材料，因此試圖用填充物制造零件意味著零件中充滿了樹(shù)脂或粉末。正因?yàn)槿绱?，填充物在其他類型?D打印中并不常用。
對(duì)于所有其他3D打印技術(shù)，必須由零件設(shè)計(jì)者在模型中構(gòu)建陀螺狀或其他形式的晶格。在本文的其余部分，我指的是內(nèi)置在模型中的晶格，而不是在切片過(guò)程中應(yīng)用的填充物。
2、原材料去除
設(shè)計(jì)帶有陀螺格子的零件的第一步是確保為原材料可以去除。您需要確保有通道來(lái)清理晶格。
對(duì)于SLA或數(shù)字光處理(DLP)等基于樹(shù)脂的技術(shù)，在制作完成后需要將樹(shù)脂從部件中清理出來(lái)，因此部件需要有排水孔。許多基于樹(shù)脂的工業(yè)打印機(jī)需要在構(gòu)建后進(jìn)行后固化循環(huán)，以鎖定零件的最終機(jī)械性能。如果有剩余的樹(shù)脂，就會(huì)在這個(gè)周期內(nèi)固化，從而堵塞晶格。
一些基于粉末的技術(shù)，如用于聚合物的選擇性激光燒結(jié)（SLS）或多重噴射熔融（MJF），或用于金屬的電子束熔融（EBM），可以生產(chǎn)零件餅。從機(jī)器上取下的成型件是大塊的粉末，有助于在成型過(guò)程中支撐零件。這些粉末需要壓縮空氣或壓縮空氣與粉末原料的組合來(lái)清除。這些類型的技術(shù)在構(gòu)建內(nèi)腔時(shí)是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈冃枰苯拥囊暰€，壓縮空氣才能完全清除晶格。雖然空氣會(huì)在零件內(nèi)部旋轉(zhuǎn)和渦流，但不足以使粉末完全脫落。對(duì)于SLS或MJF來(lái)說(shuō)，這可能意味著最終零件內(nèi)部會(huì)有松散的粉末，如果晶格看到流體流動(dòng)，這些粉末就會(huì)被打散。對(duì)于EBM零件（通常需要在制造后進(jìn)行熱處理），任何剩余粉末都會(huì)凝固并堵塞晶格。
其他類型的粉末打印，如激光粉末床熔融（LPBF），也稱為選擇性激光熔融（SLM），其粉末流動(dòng)松散，就像沙子一樣。晶格內(nèi)的殘留粉末問(wèn)題要小得多。不過(guò)，根據(jù)晶格的復(fù)雜程度，可能需要進(jìn)行大量的震動(dòng)、搖晃和滾動(dòng)才能確保所有粉末都消失。在Protolabs，我們有一臺(tái)特殊的粉末清除機(jī)，它可以幫我們完成所有這些工作，在清除復(fù)雜幾何體中的粉末方面，它比我們手工操作的效果要好得多。
3、自支撐陀螺
雖然格子外部的支撐結(jié)構(gòu)沒(méi)有問(wèn)題，但任何深入格子內(nèi)部的支撐結(jié)構(gòu)都很難拆除，甚至無(wú)法拆除。理想情況下，您希望您的陀螺格子完全沒(méi)有支撐物。事實(shí)上，選擇陀螺儀通常是因?yàn)樗鼈儽旧聿恍枰?，但這也取決于您的應(yīng)用。
從一個(gè)角度看陀螺格子，它是一系列螺旋狀的管子。這意味著，您可以根據(jù)所采用的技術(shù)，使用最小的無(wú)支撐槽直徑。以下是關(guān)于在需要使用支撐結(jié)構(gòu)之前，陀螺格子上的"通道"直徑可以有多大的一般指導(dǎo)原則。當(dāng)您超過(guò)這些建議的直徑時(shí)，您會(huì)發(fā)現(xiàn)朝下的表面會(huì)越來(lái)越粗糙，直到頂部無(wú)法長(zhǎng)入。
4、設(shè)計(jì)陀螺以避免支撐
對(duì)于使用SLA和LPBF等支撐的技術(shù)，格子的起止方式很重要。當(dāng)格柵以低角度的懸垂部分為終點(diǎn)時(shí)，可能需要支撐。但是，如果格子的終點(diǎn)是邊緣墻壁較為垂直的位置，則無(wú)需支撐即可成功建造。
理想情況下，花格應(yīng)該有墻，以達(dá)到最佳效果。如果花格的末端是墻，那么成功搭建的幾率就會(huì)高很多。對(duì)于獨(dú)立的陀螺花格來(lái)說(shuō)，外面的支撐并不是最糟糕的，因?yàn)樗鼈兒苋菀捉咏筒鸪?。但是，如果花格的末端位于需要支撐的部分?nèi)，那么支撐就很難拆除，甚至可能無(wú)法拆除。
編譯整理：ALL3DP
