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(2)
時(shí)間：2023-06-21 09:36 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
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。與通常可用于 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。基于現(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 收購了一家英國小公司，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)模可調(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。
(責(zé)任編輯：admin)
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