3D 打印晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)終極指南：部件輕量化、功能化的絕佳選擇
魔猴君 知識(shí)堂 456天前
3D 打印中的晶格結(jié)構(gòu)是一種強(qiáng)大的設(shè)計(jì)工具。精心設(shè)計(jì)的晶格結(jié)構(gòu)可以使零件更輕、更堅(jiān)固，更有效地吸收沖擊力，并更好地根據(jù)最終用途進(jìn)行定制。了解如何使用和創(chuàng)建這些結(jié)構(gòu)是 3D 打印原型和生產(chǎn)部件的產(chǎn)品工程和工業(yè)設(shè)計(jì)的重要組成部分。
△設(shè)計(jì)成晶格結(jié)構(gòu)的3D打印頭盔（來源： Carbon 3D）
晶格結(jié)構(gòu)實(shí)際是3D打印填充模式的一種特殊應(yīng)用，但大多數(shù)非專業(yè)設(shè)計(jì)師都沒有充分將其作用充分發(fā)揮出來。如今，先進(jìn)的增材制造設(shè)計(jì)軟件在自動(dòng)生成各種晶格結(jié)構(gòu)方面有著巨大優(yōu)勢(shì)，這為晶格結(jié)構(gòu)應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)設(shè)備、火箭推進(jìn)器以及醫(yī)療植入物等領(lǐng)域奠定了良好的基礎(chǔ)。
△由于晶格結(jié)構(gòu)壁設(shè)計(jì)，這種單件式火箭推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的 3D 打印重量更輕（來源：SLM Solutions）
在本期文章中，南極熊對(duì)使用晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)零件的基本要點(diǎn)進(jìn)行了逐一介紹，包括晶格結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)、不同類型的晶格、如何使用它們以及何時(shí)使用，并展示了世界各地的設(shè)計(jì)師和工程師如何使用晶格來創(chuàng)造性能極佳的創(chuàng)新產(chǎn)品：從 Adidas 跑鞋和 Specialized 自行車座墊到工業(yè)散熱器和矯形膝關(guān)節(jié)植入物。最后，介紹了將晶格結(jié)構(gòu)應(yīng)用到設(shè)計(jì)中所需的頂級(jí)軟件。
要點(diǎn) 1. 為什么要使用晶格結(jié)構(gòu)
△Aidro3D 打印的具有晶格內(nèi)部結(jié)構(gòu)的熱交換器—— Toucan Beak（來源：Aidro）
晶格具有一些獨(dú)特的特性，在設(shè)計(jì)零件或產(chǎn)品時(shí)具有很大的優(yōu)勢(shì)，而傳統(tǒng)制造方法幾乎無法復(fù)制這些特性，例如：
減少材料使用
在您的設(shè)計(jì)中使用晶格可以通過移除非關(guān)鍵區(qū)域的大部分材料來顯著減少材料的使用量。如果目標(biāo)零件是使用基于粉末或樹脂的 3D 打印工藝制造的，則可以節(jié)省大量成本。
△盡管大小相同，但右側(cè)的晶格結(jié)構(gòu)的表面積比左側(cè)的圓柱體大 4 倍，重量輕 4 倍（來源：Printpool）
輕量化
減少材料使用還有另一個(gè)好處——減輕重量。在許多應(yīng)用中，零件或組件的最終組裝質(zhì)量是一個(gè)嚴(yán)格約束的目標(biāo)，通常越輕越好。根據(jù)所選的晶格類型，重量減輕效果可能非常顯著，這具有許多優(yōu)勢(shì)，從減少汽車應(yīng)用中的燃料使用到縮短醫(yī)療案例中的患者恢復(fù)時(shí)間。
吸收能量
晶格結(jié)構(gòu)具有許多有利于吸收能量的特性。通過改變不同區(qū)域的密度甚至細(xì)胞類型，可以進(jìn)行設(shè)計(jì)以有效地吸收不同方向的能量。與廣泛產(chǎn)品中使用的標(biāo)準(zhǔn)泡沫相比，復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)可以在多個(gè)方向重新定向和更好地分配能量以吸收沖擊力，同時(shí)利用現(xiàn)代增材制造樹脂的各種特性。
△CCM SuperTacks X 是世界上第一個(gè) 3D 打印曲棍球頭盔內(nèi)飾，用Carbon 3D 的 NEST Tech 晶格取代傳統(tǒng)的通用泡沫襯墊以增強(qiáng)保護(hù)（來源：Carbon 3D）
增加表面積
晶格的表面積比相同大小的實(shí)體組件的表面積大許多倍。這對(duì)于涉及依賴高表面積實(shí)現(xiàn)其功能的熱交換或化學(xué)催化的應(yīng)用非常有用。
美觀
除了晶格的許多技術(shù)優(yōu)勢(shì)外，很難忽視它們具有獨(dú)特而美麗的美感。越來越多的產(chǎn)品設(shè)計(jì)師選擇將晶格元素融入消費(fèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，僅僅是為了外觀。
要點(diǎn) 2. 晶格結(jié)構(gòu)類型
△Carbon的 Design Engine 晶格生成軟件中使用的晶格類型（來源：Carbon）
關(guān)于晶格類型的定義，Anton du Plessis等人對(duì)此做出了系統(tǒng)地論述，相關(guān)研究以題為“Properties and applications of additively manufactured metalliccellular materials: A review”的論文被發(fā)表在《Progress inMaterials Science》期刊上。
所有晶格類型都是基于同一個(gè)晶胞在多個(gè)方向上重復(fù)復(fù)制以使結(jié)構(gòu)成為一個(gè)整體的重復(fù)單元，以下是按細(xì)胞類型劃分的晶格類型：
TPMS晶格
當(dāng)使用三角方程生成晶胞時(shí)，會(huì)創(chuàng)建三重周期最小曲面 ( TPMS ) 晶格。例如，“陀螺儀”TPMS 單元由單元內(nèi)的所有點(diǎn)組成，并適用以下等式：
sin(x)cos(y) + sin(y)cos(z) +sin(z)cos(x)=0
像這樣不同但相似的方程產(chǎn)生不同的 TPMS 晶格類型。
支柱晶格
支柱晶格（或梁狀晶格）由相互連接的梁組成，按照晶胞定義的各種模式連接。支柱可以通過立方體的頂點(diǎn)、邊和面連接，這些連接點(diǎn)的不同組合產(chǎn)生不同的類型。
平面晶格
平面晶格是最簡(jiǎn)單的晶格類型，是在 3D 中擠壓 2D 晶胞時(shí)創(chuàng)建的。最常見的平面晶格類型是蜂窩結(jié)構(gòu)。
通過在不同方向隨機(jī)改變其參數(shù)，這些類型的格中的每一種也可以從周期性格變成隨機(jī)格。通過在每個(gè)方向上賦予結(jié)構(gòu)相似的屬性（使其各向同性），這在某些應(yīng)用中可能具有優(yōu)勢(shì)。
當(dāng)涉及到晶格生成軟件時(shí)，可能會(huì)遇到以下晶格類型：
- 二十面體：以空間中點(diǎn)的排列為特征的不規(guī)則晶格。
- 四面體：基于具有四個(gè)三角形面的四面體的晶格。每個(gè)頂點(diǎn)都通過邊連接到三個(gè)相鄰的頂點(diǎn)。
- 菱形：晶格中的晶胞為菱形（等長(zhǎng)的四邊形），并且它們?cè)谄漤旤c(diǎn)或邊緣處連接到相鄰的晶胞。
- Voronoi：一種晶格，其中根據(jù)與一組種子點(diǎn)的接近程度將空間劃分為單元格。
-
Kagome：由三角形單元的重復(fù)模式組成的晶格結(jié)構(gòu)
要點(diǎn) 3. 在實(shí)際產(chǎn)品中應(yīng)用晶格結(jié)構(gòu)
許多不同的行業(yè)在設(shè)計(jì)新產(chǎn)品時(shí)都利用了晶格結(jié)構(gòu)的特性，近年來，以晶格結(jié)構(gòu)為關(guān)鍵特征的新應(yīng)用和新想法大量出現(xiàn)。下面列出了一些最令人興奮和創(chuàng)新的產(chǎn)品。
汽車
△DynamisPRC 電動(dòng)賽車的 Puntozero 冷板（來源：nTop）
意大利產(chǎn)品開發(fā)機(jī)構(gòu) Puntozero 與 Formula SAE 團(tuán)隊(duì) Dynamis PRC 合作，為其高壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)了這種不同尋常的冷板（見上圖）?；诼菪螁卧姵氐淖冃伟姹荆摾浒褰Y(jié)構(gòu)比以前的設(shè)計(jì)輕了 25%，表面積增加了 300%。使用nTop 軟件設(shè)計(jì)。
醫(yī)療
△NanoHiveMedical 骨科植入物使用促進(jìn)骨骼生長(zhǎng)的晶格結(jié)構(gòu)（來源：NanoHive Medical）
NanoHive Medical是一家美國(guó)公司，專門設(shè)計(jì)在手術(shù)中用于治療退行性脊柱疾病的獨(dú)特脊柱植入物。在這種情況下，晶格設(shè)計(jì)用于降低植入物的剛度，允許將更多的力傳遞到脊柱本身，從而減少鈦植入物周圍的骨萎縮。
膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)植入物中的晶格結(jié)構(gòu)已被證明可以促進(jìn)植入物中的骨組織生長(zhǎng)，稱為骨整合。Bone& Joint Research 雜志最近的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，3D 打印的“鈦晶格植入物在部分或全膝關(guān)節(jié)置換后保持了脛骨近端的自然機(jī)械負(fù)荷，但傳統(tǒng)的固體植入物卻沒有。
△3D 打印植入物上的隨機(jī)晶格結(jié)構(gòu)可以使用 Genysis（左）和 nTop（右）等軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。
醫(yī)療植入物中的格狀結(jié)構(gòu)并不完全均勻，而是像海綿一樣。我們通常用來創(chuàng)建這種骨骼結(jié)構(gòu)的塊狀結(jié)構(gòu)類型稱為小梁晶格或隨機(jī)晶格。這些晶格稱為仿生小梁骨類型，并且在基本水平上基本上是隨機(jī)泡沫孔結(jié)構(gòu)。專業(yè)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) (CAD) 軟件使植入工程師能夠?qū)⑦@種類型的表面結(jié)構(gòu)應(yīng)用于金屬植入物。
體育器材
△可變晶格結(jié)構(gòu)使 3D 打印自行車座椅具有不同的支撐區(qū)域。前兩個(gè)，來自 Specialized 和 Fizik，都是用柔性樹脂在 Carbon 3D 打印機(jī)上打印的；Posedia 的第三個(gè)是為個(gè)人騎手定制的，并在 HP Multi-Jet Fusion機(jī)器上用 TPU 3D 打印（來源：Specialized、Fizik、Posedia）
自 2019 年推出Specialized lattice 自行車座墊以來，3D 打印自行車坐墊這一概念開始流行起來。一些自行車設(shè)備制造商已經(jīng)推出了他們自己的鞍座版本，這些鞍座拋棄了泡沫填充物并選擇了晶格結(jié)構(gòu)。這一進(jìn)步通過在不同區(qū)域 3D 打印不同的晶格形狀和尺寸來產(chǎn)生可變支撐。制造商吹噓這些鞍座的耐用性，以及提供通風(fēng)和易于清潔。Posedia Joyseat（上圖右）是為每位騎手定制和定制的，這是一種專門開發(fā)的泡沫塊，騎行者坐在上面根據(jù)其坐姿創(chuàng)造定制的骨骼寬度和重量分布。
頭盔是輕型和減震晶格結(jié)構(gòu)的另一個(gè)理想應(yīng)用場(chǎng)景，通常被稱為“數(shù)字泡沫”。它們已通過各種方法和材料應(yīng)用于NFL 橄欖球頭盔、 NHL曲棍球頭盔、奧林匹克雪橇頭盔和自行車頭盔。事實(shí)上，NFL 的 2023頭盔實(shí)驗(yàn)室測(cè)試性能結(jié)果對(duì)市場(chǎng)上的一系列頭盔進(jìn)行了排名和評(píng)級(jí)，并將具有 3D 打印晶格結(jié)構(gòu)的兩款頭盔排在第一和第二位。
△3D 打印晶格結(jié)構(gòu)是頭盔中泡沫的理想替代品，具有出色的抗沖擊性（來源：Farsoon、Carbon、EOS）
Riddell 的橄欖球頭盔和Hexr的自行車頭盔是頭盔中兩種不同晶格結(jié)構(gòu)方法的例證。雖然兩者的設(shè)計(jì)都是為了盡可能有效地吸收沖擊力和保護(hù)使用者，但區(qū)別在于制造方法和晶格類型，以及運(yùn)動(dòng)方式。Hexr 頭盔主要采用平面六邊形晶格結(jié)構(gòu)，采用 SLS 打印技術(shù)生產(chǎn)，并使用堅(jiān)硬的尼龍 6 材料制成。另一方面，Carbon Riddell 頭盔使用高阻尼 DLP 彈性體和由 140,000 多個(gè)獨(dú)立支柱制成的復(fù)雜多區(qū)域網(wǎng)格。該過程依靠 Riddell 的 Precision-fit 頭部掃描技術(shù)和 Carbon Lattice Engine 來設(shè)計(jì)適合每個(gè)球員頭部和位置的頭盔內(nèi)襯。
為了簡(jiǎn)化材料、晶格形狀和應(yīng)用的匹配研發(fā)過程，特別是用于頭盔，美國(guó)陸軍發(fā)展指揮部士兵中心責(zé)成初創(chuàng)軟件公司General Lattice開發(fā)一個(gè)預(yù)測(cè)性建模工具集，以設(shè)計(jì)和生成基于真實(shí)世界數(shù)據(jù)的晶格材料。該工具集建立在1000多萬個(gè)物理數(shù)據(jù)點(diǎn)上，是一個(gè)可搜索的數(shù)據(jù)庫，允許用戶根據(jù)機(jī)械性能查詢晶格材料。GeneralLattice公司的聯(lián)合創(chuàng)始人Nick Florek說："提供使用戶能夠預(yù)先了解晶格結(jié)構(gòu)的影響潛力的工具，可以降低誤用的風(fēng)險(xiǎn)，并建立人們對(duì) 3D 打印能夠像宣傳的那樣交付的信心。"
盡管陸軍仍在堅(jiān)持使用其工具集，但 General Lattice 有一個(gè)名為Frontier的公共版本，它提供了一個(gè)免費(fèi)搜索的經(jīng)過驗(yàn)證的機(jī)械性能數(shù)據(jù)庫，以支持用戶選擇最佳的晶格、材料和硬件組合。
換熱器
△GEAdditive 的晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的散熱器（來源：GE Additive）
增材制造可實(shí)現(xiàn)任何其他制造類型無法實(shí)現(xiàn)的幾何形狀，從而使更小、更高效的熱交換器成為可能。上面這個(gè)復(fù)雜的熱交換器由GE設(shè)計(jì)，用于優(yōu)化 900°C 二氧化碳的流動(dòng)，是復(fù)雜晶格結(jié)構(gòu)與金屬增材制造相結(jié)合時(shí)可以實(shí)現(xiàn)的卓越性能的一個(gè)很好的例子。GE 在他們的設(shè)計(jì)中采用了仿生學(xué)方法，模仿人類肺部的特性以促進(jìn)有效的熱交換。Conflux等公司專門為各種行業(yè)專門設(shè)計(jì)使用晶格的 3D 打印熱交換器。
消費(fèi)產(chǎn)品
△阿迪達(dá)斯運(yùn)動(dòng)鞋采用 3D 打印沖擊吸收網(wǎng)格結(jié)構(gòu)（來源：Carbon）
Adidas Athletic Footwear 與 Carbon 3D 合作，于 2017 年推出了4DFWD鞋——這是采用 DLP 樹脂技術(shù)制造的一系列運(yùn)動(dòng)鞋中的最新款。這雙鞋的中底采用晶格結(jié)構(gòu)，旨在利用其定制的 FWD 單元推動(dòng)跑步者前進(jìn)。
要點(diǎn) 4. 晶格結(jié)構(gòu)的局限性
△AntaresVersus Evo 00 Adaptive 座墊采用 Carbon 3D 打印機(jī)打印，具有經(jīng)過調(diào)整的晶格結(jié)構(gòu)區(qū)域，可提供最佳機(jī)械響應(yīng)（來源：Carbon）
盡管是一個(gè)強(qiáng)大且未得到充分利用的功能，但晶格結(jié)構(gòu)確實(shí)有一些局限性，認(rèn)真對(duì)待在實(shí)際產(chǎn)品中使用它們的工程師和設(shè)計(jì)師需要考慮這些局限性。
制造方法的經(jīng)濟(jì)性
盡管制造復(fù)雜非平面晶格結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)方法確實(shí)存在，但總的來說，它們不如增材制造方法有效。因此，在將晶格納入設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)仔細(xì)考慮增材制造特有的經(jīng)濟(jì)性、時(shí)間尺度和材料選擇，尤其是在其他區(qū)域設(shè)計(jì)時(shí)考慮了注射成型等技術(shù)的情況下。
模擬過程復(fù)雜
當(dāng)涉及大型晶格結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)力模擬，尤其是那些使用有限元方法的模擬，可能需要大量計(jì)算。大多數(shù)方法（包括上面提到的幾個(gè)軟件包使用的方法）都涉及在整個(gè)結(jié)構(gòu)中推斷晶胞的屬性，但如果晶胞類型和大小差異很大，那么物理測(cè)試可能是準(zhǔn)確評(píng)估晶胞性能的唯一方法非常大和復(fù)雜的晶格設(shè)計(jì)的性能。
文件內(nèi)存大
同樣，當(dāng)將具有大晶格部分的零件設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為 STL（無論好壞，它仍然是增材制造中最常用的文件類型）時(shí)，文件大小超過 500MB 甚至 1GB 是常見的。這通常意味著進(jìn)一步的處理和切片對(duì)于除了最強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)之外的所有計(jì)算機(jī)來說都是一個(gè)緩慢而困難的過程。減小網(wǎng)格的大小當(dāng)然是可能的，但這會(huì)大大簡(jiǎn)化單元，如果不小心操作，最終零件上會(huì)出現(xiàn)一些三角形單元。
晶胞類型有限
晶胞的類型是晶格結(jié)構(gòu)最重要的特征之一，并且決定了整個(gè)結(jié)構(gòu)將擁有的大部分不同特性，但大多數(shù)工程師和設(shè)計(jì)師可以輕松選擇的選項(xiàng)有限. 一些軟件包允許設(shè)計(jì)和創(chuàng)建新類型，但即使可以訪問這些程序，這也是一項(xiàng)高度專業(yè)化和技術(shù)性的任務(wù)。
要素 5. 生成晶格結(jié)構(gòu)的最佳軟件
在CAD 軟件中的晶格生成軟件和晶格特征是創(chuàng)建晶格結(jié)構(gòu)是一種常見的手段。與通?？捎糜?FDM 打印的各種切片程序相比，這些軟件程序可用于創(chuàng)建用于多種用途的晶格，而不僅僅是作為材料填充，并且通常不用于直接生成 G 代碼。
軟件選項(xiàng)中有廣泛的復(fù)雜性和功能，所以一定要有選擇性，下面列出了一些典型的軟件工具：
nTop
△nTop中新的場(chǎng)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)使工程師能夠使用仿真結(jié)果作為設(shè)計(jì)參數(shù)來控制您的設(shè)計(jì)。在這種晶格結(jié)構(gòu)換熱器中，模擬工具表明，收緊晶格可以改善傳導(dǎo)，而在對(duì)流更重要的區(qū)域，晶格結(jié)構(gòu)會(huì)松散（來源：nTop）
nTop 提供多種晶格選項(xiàng)和功能，使其比許多 CAD 程序更快。由于該軟件基于隱式建模，其中 3D 幾何被定義為數(shù)學(xué)函數(shù)，而不是外表面和邊緣，因此工程師可以快速生成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)（如晶格），同時(shí)為自動(dòng)化設(shè)計(jì)循環(huán)提供所需的可靠性。
nTop 包含的點(diǎn)陣功能非常強(qiáng)大，幾乎可以完全控制點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的各個(gè)方面，包括定制晶胞的能力?；诂F(xiàn)場(chǎng)的設(shè)計(jì)對(duì)于成熟的 CAD 用戶來說是一個(gè)需要熟悉的棘手概念，但是一旦克服了學(xué)習(xí)曲線，使用該套件進(jìn)行設(shè)計(jì)的可能性將是無窮無盡的。
nTop 具有該公司所謂的 GPU 加速功能，可以快速實(shí)現(xiàn)晶格結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)可視化。該軟件使用戶能夠預(yù)覽設(shè)計(jì)更改并在幾秒鐘內(nèi)重建高度復(fù)雜的網(wǎng)格。用戶還可以調(diào)整空間中每個(gè)點(diǎn)的晶格周長(zhǎng)，并將您的首選項(xiàng)保存在可重復(fù)使用的工作流程中。
Altair Sulis
去年，CAD 軟件巨頭 Altair 收購(gòu)了一家英國(guó)小公司，該公司開發(fā)了一種名為 Sulis 的強(qiáng)大點(diǎn)陣工具。它現(xiàn)在是Altair公司的三個(gè)點(diǎn)陣產(chǎn)品之一，但卻是該公司最出色的點(diǎn)陣工具。Sulis 用于創(chuàng)建復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)和流體流動(dòng)通道，用于航空航天、汽車、醫(yī)療和工業(yè)機(jī)械等一系列行業(yè)。它是一種 3D 打印設(shè)計(jì)軟件工具，具有專門為晶格化定制的隱式建模內(nèi)核和一鍵式晶格創(chuàng)建功能，Sulis使用戶能夠向模型添加輕量級(jí)結(jié)構(gòu)并微調(diào)它們的屬性，可以創(chuàng)建任何比例的復(fù)雜幾何體。
Altair公司表示：“由于Sulis 是專門為增材制造創(chuàng)建的 CAD 工具，工程師可以設(shè)計(jì)真正利用增材制造自由度的零件，釋放隱式幾何的力量并降低代價(jià)高昂的 3D 打印失敗的風(fēng)險(xiǎn)。”
Sulis工具主要特征：
- 一鍵創(chuàng)建晶格
- 定制晶格結(jié)構(gòu)的屬性
- 晶胞類型范圍
- 流動(dòng)路徑的實(shí)時(shí)視覺反饋
- 簡(jiǎn)單的共形幾何
-
自支撐流體通道
Autodesk Fusion 360 & Netfabb
如果您已經(jīng)是 Autodesk 用戶，那么自 2022 年 1 月以來，F(xiàn)usion360 中已經(jīng)提供了一些晶格結(jié)構(gòu)選項(xiàng)，但為后期擴(kuò)展預(yù)留了更廣泛的晶格生成模式。自 2022 年 9 月以來，Autodesk 將該晶格設(shè)計(jì)功能添加為所謂的“設(shè)計(jì)擴(kuò)展”當(dāng)中，每年收費(fèi) 595 美元，是 Fusion 360 年度訂閱價(jià)格的兩倍多。
盡管如此，標(biāo)準(zhǔn) Fusion 360 中的網(wǎng)格化工具仍然非常有用。該工具可以沿一個(gè)方向逐漸改變晶格單元，并且與大多數(shù)涉及挖空零件并添加晶格的程序不同，F(xiàn)usion360 允許其用戶單獨(dú)設(shè)計(jì)一個(gè)零件。用戶可以先創(chuàng)建一個(gè)晶格，然后在其上形成一個(gè)蒙皮，讓晶格單元結(jié)構(gòu)在靠近蒙皮時(shí)收縮，從而產(chǎn)生一個(gè)能夠有效將局部應(yīng)力從表面分布到內(nèi)部晶格的單元結(jié)構(gòu)。這就是最自然的生成路徑，以股骨頭的一部分為例：
△零件內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)示例（來源：Autodesk）
對(duì)于 Autodesk Netfabb 用戶來講（Netfabb 通過兩種產(chǎn)品捆綁到您的 Fusion 360 固定期限的使用許可中），可能已經(jīng)非常熟悉該軟降強(qiáng)大的晶格生成功能。就像這里提到的老軟件一樣，Netfabb的圖形用戶界面也很笨拙，但它仍然不失為一個(gè)功能強(qiáng)大的程序，可以生成非常復(fù)雜的點(diǎn)陣設(shè)計(jì)。它還具有非常方便的穿孔功能，可以在零件上打孔，從而輕松去除未使用的粉末或樹脂。要獲得更高級(jí)的 Netfabb 晶格化，需要訂閱 Fusion 360 with NetfabbPremium（包括挖空和晶格化），或 Fusion 360 with Netfabb Ultimate（包括更高級(jí)的優(yōu)化晶格工具）。
Carbon設(shè)計(jì)軟件
△3D 打印晶格結(jié)構(gòu)圖像：Carbon Design Engine
本文中的許多圖像都是來自 Carbon 3D 的真實(shí)晶格產(chǎn)品。這家硬件、材料和軟件公司的晶格化需求如此之大，并開始讓他們的晶格設(shè)計(jì)程序?qū)ν忾_源，這樣你幾乎可以在任何打印機(jī)上使用它。
這種基于云的晶格設(shè)計(jì)軟件可在一系列細(xì)胞類型中創(chuàng)建穩(wěn)健的共形晶格，但真正有用的設(shè)計(jì)功能類型僅適用于更昂貴的“Pro”版本，該版本在晶格類型之間引入了過渡和梯度設(shè)計(jì)。
這款設(shè)計(jì)軟件可讓精確控制產(chǎn)品中多個(gè)區(qū)域的性能特征，從而實(shí)現(xiàn)單一材料的大規(guī)?？烧{(diào)性。此功能利用不同的晶格單元類型、單元大小或支柱直徑來創(chuàng)建不同的性能區(qū)域。Design Engine 使用正在申請(qǐng)專利的技術(shù)來無縫混合區(qū)域，生成有吸引力的功能性網(wǎng)格，可隨時(shí)用于實(shí)際應(yīng)用。
Ultrasim 3D 晶格軟件
△BASFForward AM 的新型 Ultrasim 3D Lattice Engine 旨在為特定應(yīng)用在幾分鐘內(nèi)生成經(jīng)過驗(yàn)證的晶格（來源：BASF Forward AM）
巴斯夫 Forward AM 將推出由Hyperganic 提供支持的 Ultrasim 3D Lattice Engine，這是一種用于迭代具有晶格圖案的設(shè)計(jì)的軟件解決方案——一種具有許多潛在應(yīng)用的工具。這款最新的軟件解決方案旨在從晶格中提取數(shù)學(xué)知識(shí)，讓探索不同的晶格幾何形狀變得更容易，并通過點(diǎn)擊應(yīng)用的方法更快地將它們實(shí)施到產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期中。由總部位于慕尼黑的算法工程軟件公司 Hyperganic 提供支持的 Ultrasim 3D Lattice Engine為用戶提供了多種晶格圖案，每種圖案都針對(duì)不同的應(yīng)用組進(jìn)行了測(cè)試和驗(yàn)證。
無論是設(shè)計(jì)新的鞋類產(chǎn)品還是防護(hù)運(yùn)動(dòng)設(shè)備，都有一種晶格幾何形狀可以滿足每種應(yīng)用的獨(dú)特要求。用戶可以訪問物理測(cè)試墊形式的大量晶格庫和機(jī)械特性的數(shù)字概覽。通過輸入所需的應(yīng)用領(lǐng)域，可以找到針對(duì)類似用例進(jìn)行驗(yàn)證的點(diǎn)陣設(shè)計(jì)。從那里，該軟件使用隱式建模自動(dòng)生成適合的設(shè)計(jì)參數(shù)的晶格部件，并為晶格生成一個(gè) .stl 或 3mf 文件，最后可以打印和進(jìn)一步驗(yàn)證。
Hyperganic 構(gòu)建軟件旨在設(shè)計(jì)出像自然界一樣復(fù)雜、實(shí)用、優(yōu)雅和可持續(xù)的對(duì)象。該公司表示：“我們的算法通過數(shù)字進(jìn)化過程生成零件、結(jié)構(gòu)和整臺(tái)機(jī)器。我們的技術(shù)支持在先進(jìn)的工業(yè) 3D 打印機(jī)上進(jìn)行輸出。自 2015 年以來，我們一直與世界各地的領(lǐng)先公司、工程師、設(shè)計(jì)師和科學(xué)家合作。”
Siemens NX
在西門子發(fā)布的 2022 版 NX 中，可以使用Simcenter 3D模擬對(duì)NX中的晶格結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以在單一環(huán)境中推導(dǎo)出最佳晶格結(jié)構(gòu)，這消除了傳統(tǒng)上所需的多個(gè)設(shè)計(jì)分析步驟。
NX 是一款龐大而復(fù)雜的工程軟件，購(gòu)買它不僅可以獲得點(diǎn)陣設(shè)計(jì)功能，還可以看到西門子為該應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的擴(kuò)展點(diǎn)陣選項(xiàng)。
Materialise 3-Matic
Materialise 憑借其強(qiáng)大的增材構(gòu)建Magics 準(zhǔn)備軟件包占據(jù)了強(qiáng)大的市場(chǎng)地位，而用于增材設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)優(yōu)化的 3-Matic自 2004 年以來一直存在。雖然一些大公司也經(jīng)常使用這款軟件并且其功能非常豐富，但它的晶格化功能很難使用，部分原因是它的 GUI 非常過時(shí)。如果晶格結(jié)構(gòu)的生成是所需的主要特征，則有更好、更便宜的選擇。
Altair Optistruct 和Inspire
盡管Optistruct的主要是結(jié)構(gòu)FEA 求解器、工程分析和優(yōu)化工具，但它仍然值得一提，因?yàn)樗軌蚴褂闷湓O(shè)計(jì)優(yōu)化功能集生成一系列不同的晶格類型。Altair的晶格結(jié)構(gòu)構(gòu)建方法與眾不同，因?yàn)樗c拓?fù)鋬?yōu)化過程有著內(nèi)在的聯(lián)系。在設(shè)計(jì)晶格后準(zhǔn)確模擬晶格的能力非常有用，但只有在其他目的也需要 Optistruct 求解器時(shí)才值得考慮該工具包。
Altair 的另一款名為Inspire 的軟件在 2020 年推出了晶胞晶格生成功能。AltairInspire 能夠?yàn)?3D 打印生成輕量級(jí)的晶胞晶格結(jié)構(gòu)，可以輕松編輯，評(píng)估不同設(shè)計(jì)變體的結(jié)構(gòu)性能時(shí)刻。
2022 年，Altair 收購(gòu)了一家專注于專門用于晶格生成的工具的軟件公司，并提供了名為 Sulis 的解決方案，這一點(diǎn)在上文中對(duì)此進(jìn)行了介紹。
General Lattice
△GeneralLattice 的 Frontier 軟件提供了一個(gè)可搜索的經(jīng)過驗(yàn)證的晶格機(jī)械性能數(shù)據(jù)庫（來源：General Lattice）
General Lattice 的Frontier 軟件（目前仍處于測(cè)試階段）提供了一個(gè)可搜索的經(jīng)過驗(yàn)證的機(jī)械性能數(shù)據(jù)庫，以支持用戶選擇最佳晶格、材料和硬件組合以滿足特定應(yīng)用。用戶可以搜索、分析和訂購(gòu)實(shí)物樣品以進(jìn)行實(shí)際評(píng)估，從而消除成本高昂的猜測(cè)和檢查工作流程。Frontier 表示它在晶格化設(shè)計(jì)功能相當(dāng)于提供了一個(gè)萬能搜索鍵，避免了用戶大海撈針，大大節(jié)省了時(shí)間、金錢和資源。
