理解3D打印点阵结构的性能以及设计规则

2018-11-30 11:15

胞元结构是增材制造的一个重要的研究领域，正如建筑用的空心砖，胞元的应用减少了材料的使用，有效帮助实现轻量化。四种常见的胞元结构包括蜂窝，开孔泡沫，闭孔泡沫与点阵结构。

点阵结构材料由于在热、电和光学性能等方面具有的优势，以及作为潜在的轻量化材料而受到人们关注。点阵结构，为实现零部件不同的外观和性能打开了一扇门。点阵结构所固有的复杂性，使得增材制造/3D打印技术与其制造有着天然的结合点。3D打印的一大优势是灵活性以及打印成本对产品的复杂性不敏感，这也是复杂的点阵结构成为3D打印领域的一大热门研究方向的主要原因。

在使用3D打印技术作为点阵结构的制造方式时，设计师能够释放和发掘点阵结构的功能和潜力，从而提高其产品的性能。同时，点阵结构的设计思路也可以促使设计者重新思考零件所需的性能，以探索更多的设计空间。

结构与功能的结合

自然界中随处可见点阵结构，如骨骼和金属晶体等。在产品设计时，利用点阵的机械效能，如超大表面积，优异的减震性能，抗冲击保护等，能够克服传统制造的限制，创造新的、更高性能的产品。

优异的强度-重量比

通常有两种途径可以改善部件的强度-重量比。传统制造中，是通过减少非关键区域的材料来减少材料的使用，以减轻重量。而点阵设计却可以同时减少零件关键区域中的材料以减轻重量，这样做有时确实降低了零件的整体强度，但却可以提高强度 – 重量比。

超大的表面积

点阵结构材料不仅重量轻，而且可以释放大量的表面积，这类结构能够促进热交换和化学反应。点阵结构可以显著增大有效表面积，如果散热器中充满冷空气，也可以快速带走热量。以计算机热交换器为例，计算机处理器的性能往往会受到产生的热量的影响，热交换器的工作就是在风扇的协助下，将热量从芯片中除去并将其排出到大气中，该系统的整体效率与散热器的表面积息息相关。然而，如果没有3D打印技术，“小” 特征想具有大表面积是难以实现的。

目前，从汽车、航空航天、能源到电子行业等都在尝试使用点阵结构提高热交换效率。比如说，根据市场研究，UTC联合技术在其燃气涡轮发动机部件内部设计了点阵结构，它们的作用是为燃气涡轮发动机部件提供有效的局部对流冷却，使得部件可以经受通过核心流动路径的热燃烧气体的高温。这些点阵结构可以通过粉末床激光熔融3D打印技术来生产，还可以通过电子束熔化（EBM）工艺来生产。由于点阵结构的存在，发动机保持了广泛的热交换表面，可以获得较高的散热表面/体积比。

出色的减震和冲击保护

点阵结构运动鞋中底，图片来源：Carbon

点阵还可以通过更好地吸收能量来保护产品。例如有点阵结构的运动鞋中底和橄榄球头盔缓冲结构，在受到外力作用时，它们可以吸收撞击力起到安全保护的作用。

1 2 下一页>