3D打印晶格结构设计终极指南：部件轻量化、功能化的绝佳选择(2)
时间:2023-06-21 09:36 来源:南极熊 作者:admin 点击:次
要点 4. 晶格结构的局限性
△AntaresVersus Evo 00 Adaptive 座垫采用 Carbon 3D 打印机打印，具有经过调整的晶格结构区域，可提供最佳机械响应（来源：Carbon）
尽管是一个强大且未得到充分利用的功能，但晶格结构确实有一些局限性，认真对待在实际产品中使用它们的工程师和设计师需要考虑这些局限性。
制造方法的经济性
尽管制造复杂非平面晶格结构的传统方法确实存在，但总的来说，它们不如增材制造方法有效。因此，在将晶格纳入设计时，应仔细考虑增材制造特有的经济性、时间尺度和材料选择，尤其是在其他区域设计时考虑了注射成型等技术的情况下。
模拟过程复杂
当涉及大型晶格结构时，应力模拟，尤其是那些使用有限元方法的模拟，可能需要大量计算。大多数方法（包括上面提到的几个软件包使用的方法）都涉及在整个结构中推断晶胞的属性，但如果晶胞类型和大小差异很大，那么物理测试可能是准确评估晶胞性能的唯一方法非常大和复杂的晶格设计的性能。
文件内存大
同样，当将具有大晶格部分的零件设计转换为
STL（无论好坏，它仍然是增材制造中最常用的文件类型）时，文件大小超过 500MB 甚至 1GB
是常见的。这通常意味着进一步的处理和切片对于除了最强大的计算机之外的所有计算机来说都是一个缓慢而困难的过程。减小网格的大小当然是可能的，但这会大大简化单元，如果不小心操作，最终零件上会出现一些三角形单元。
晶胞类型有限
晶胞的类型是晶格结构最重要的特征之一，并且决定了整个结构将拥有的大部分不同特性，但大多数工程师和设计师可以轻松选择的选项有限. 一些软件包允许设计和创建新类型，但即使可以访问这些程序，这也是一项高度专业化和技术性的任务。
要素 5. 生成晶格结构的最佳软件
在CAD 软件中的晶格生成软件和晶格特征是创建晶格结构是一种常见的手段。与通常可用于 FDM 打印的各种切片程序相比，这些软件程序可用于创建用于多种用途的晶格，而不仅仅是作为材料填充，并且通常不用于直接生成 G 代码。
软件选项中有广泛的复杂性和功能，所以一定要有选择性，下面列出了一些典型的软件工具：
nTop
△nTop中新的场驱动设计使工程师能够使用仿真结果作为设计参数来控制您的设计。在这种晶格结构换热器中，模拟工具表明，收紧晶格可以改善传导，而在对流更重要的区域，晶格结构会松散（来源：nTop）
nTop 提供多种晶格选项和功能，使其比许多 CAD 程序更快。由于该软件基于隐式建模，其中 3D 几何被定义为数学函数，而不是外表面和边缘，因此工程师可以快速生成复杂的结构（如晶格），同时为自动化设计循环提供所需的可靠性。
nTop 包含的点阵功能非常强大，几乎可以完全控制点阵结构的各个方面，包括定制晶胞的能力。基于现场的设计对于成熟的 CAD 用户来说是一个需要熟悉的棘手概念，但是一旦克服了学习曲线，使用该套件进行设计的可能性将是无穷无尽的。
nTop 具有该公司所谓的 GPU 加速功能，可以快速实现晶格结构的实时可视化。该软件使用户能够预览设计更改并在几秒钟内重建高度复杂的网格。用户还可以调整空间中每个点的晶格周长，并将您的首选项保存在可重复使用的工作流程中。
Altair Sulis
去年，CAD 软件巨头 Altair 收购了一家英国小公司，该公司开发了一种名为 Sulis
的强大点阵工具。它现在是Altair公司的三个点阵产品之一，但却是该公司最出色的点阵工具。Sulis
用于创建复杂的晶格结构和流体流动通道，用于航空航天、汽车、医疗和工业机械等一系列行业。它是一种 3D
打印设计软件工具，具有专门为晶格化定制的隐式建模内核和一键式晶格创建功能，Sulis使用户能够向模型添加轻量级结构并微调它们的属性，可以创建任何比例的复杂几何体。
Altair公司表示：“由于Sulis 是专门为增材制造创建的 CAD 工具，工程师可以设计真正利用增材制造自由度的零件，释放隐式几何的力量并降低代价高昂的 3D 打印失败的风险。”
Sulis工具主要特征：
Autodesk Fusion 360 & Netfabb
如果您已经是 Autodesk 用户，那么自 2022 年 1 月以来，Fusion360
中已经提供了一些晶格结构选项，但为后期扩展预留了更广泛的晶格生成模式。自 2022 年 9 月以来，Autodesk
将该晶格设计功能添加为所谓的“设计扩展”当中，每年收费 595 美元，是 Fusion 360 年度订阅价格的两倍多。
尽管如此，标准 Fusion 360
中的网格化工具仍然非常有用。该工具可以沿一个方向逐渐改变晶格单元，并且与大多数涉及挖空零件并添加晶格的程序不同，Fusion360
允许其用户单独设计一个零件。用户可以先创建一个晶格，然后在其上形成一个蒙皮，让晶格单元结构在靠近蒙皮时收缩，从而产生一个能够有效将局部应力从表面分布到内部晶格的单元结构。这就是最自然的生成路径，以股骨头的一部分为例：
△零件内部晶格结构示例（来源：Autodesk）
对于 Autodesk Netfabb 用户来讲（Netfabb 通过两种产品捆绑到您的 Fusion
360
固定期限的使用许可中），可能已经非常熟悉该软降强大的晶格生成功能。就像这里提到的老软件一样，Netfabb的图形用户界面也很笨拙，但它仍然不失为一个功能强大的程序，可以生成非常复杂的点阵设计。它还具有非常方便的穿孔功能，可以在零件上打孔，从而轻松去除未使用的粉末或树脂。要获得更高级的
Netfabb 晶格化，需要订阅 Fusion 360 with NetfabbPremium（包括挖空和晶格化），或 Fusion 360
with Netfabb Ultimate（包括更高级的优化晶格工具）。
Carbon设计软件
△3D 打印晶格结构图像：Carbon Design Engine
本文中的许多图像都是来自 Carbon 3D 的真实晶格产品。这家硬件、材料和软件公司的晶格化需求如此之大，并开始让他们的晶格设计程序对外开源，这样你几乎可以在任何打印机上使用它。
这种基于云的晶格设计软件可在一系列细胞类型中创建稳健的共形晶格，但真正有用的设计功能类型仅适用于更昂贵的“Pro”版本，该版本在晶格类型之间引入了过渡和梯度设计。
这款设计软件可让精确控制产品中多个区域的性能特征，从而实现单一材料的大规模可调性。此功能利用不同的晶格单元类型、单元大小或支柱直径来创建不同的性能区域。Design
Engine 使用正在申请专利的技术来无缝混合区域，生成有吸引力的功能性网格，可随时用于实际应用。
Ultrasim 3D 晶格软件
△BASFForward AM 的新型 Ultrasim 3D Lattice Engine 旨在为特定应用在几分钟内生成经过验证的晶格（来源：BASF Forward AM）
巴斯夫 Forward AM 将推出由Hyperganic 提供支持的 Ultrasim 3D
Lattice
Engine，这是一种用于迭代具有晶格图案的设计的软件解决方案——一种具有许多潜在应用的工具。这款最新的软件解决方案旨在从晶格中提取数学知识，让探索不同的晶格几何形状变得更容易，并通过点击应用的方法更快地将它们实施到产品设计周期中。由总部位于慕尼黑的算法工程软件公司
Hyperganic 提供支持的 Ultrasim 3D Lattice
Engine为用户提供了多种晶格图案，每种图案都针对不同的应用组进行了测试和验证。
无论是设计新的鞋类产品还是防护运动设备，都有一种晶格几何形状可以满足每种应用的独特要求。用户可以访问物理测试垫形式的大量晶格库和机械特性的数字概览。通过输入所需的应用领域，可以找到针对类似用例进行验证的点阵设计。从那里，该软件使用隐式建模自动生成适合的设计参数的晶格部件，并为晶格生成一个
.stl 或 3mf 文件，最后可以打印和进一步验证。
Hyperganic
构建软件旨在设计出像自然界一样复杂、实用、优雅和可持续的对象。该公司表示：“我们的算法通过数字进化过程生成零件、结构和整台机器。我们的技术支持在先进的工业
3D 打印机上进行输出。自 2015 年以来，我们一直与世界各地的领先公司、工程师、设计师和科学家合作。”
Siemens NX
在西门子发布的 2022 版 NX 中，可以使用Simcenter 3D模拟对NX中的晶格结构进行优化，以在单一环境中推导出最佳晶格结构，这消除了传统上所需的多个设计分析步骤。
NX 是一款庞大而复杂的工程软件，购买它不仅可以获得点阵设计功能，还可以看到西门子为该应用程序设计的扩展点阵选项。
Materialise 3-Matic
Materialise 凭借其强大的增材构建Magics
准备软件包占据了强大的市场地位，而用于增材设计和数据优化的 3-Matic自 2004
年以来一直存在。虽然一些大公司也经常使用这款软件并且其功能非常丰富，但它的晶格化功能很难使用，部分原因是它的 GUI
非常过时。如果晶格结构的生成是所需的主要特征，则有更好、更便宜的选择。
Altair Optistruct 和Inspire
尽管Optistruct的主要是结构FEA
求解器、工程分析和优化工具，但它仍然值得一提，因为它能够使用其设计优化功能集生成一系列不同的晶格类型。Altair的晶格结构构建方法与众不同，因为它与拓扑优化过程有着内在的联系。在设计晶格后准确模拟晶格的能力非常有用，但只有在其他目的也需要
Optistruct 求解器时才值得考虑该工具包。
Altair 的另一款名为Inspire 的软件在 2020 年推出了晶胞晶格生成功能。AltairInspire 能够为 3D 打印生成轻量级的晶胞晶格结构，可以轻松编辑，评估不同设计变体的结构性能时刻。
2022 年，Altair 收购了一家专注于专门用于晶格生成的工具的软件公司，并提供了名为 Sulis 的解决方案，这一点在上文中对此进行了介绍。
General Lattice
△GeneralLattice 的 Frontier 软件提供了一个可搜索的经过验证的晶格机械性能数据库（来源：General Lattice）
General Lattice 的Frontier
软件（目前仍处于测试阶段）提供了一个可搜索的经过验证的机械性能数据库，以支持用户选择最佳晶格、材料和硬件组合以满足特定应用。用户可以搜索、分析和订购实物样品以进行实际评估，从而消除成本高昂的猜测和检查工作流程。Frontier
表示它在晶格化设计功能相当于提供了一个万能搜索键，避免了用户大海捞针，大大节省了时间、金钱和资源。
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