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)都能在通過熱交換器的氣流中產(chǎn)生更多的湍流,從而通過對(duì)流進(jìn)行更多的熱量傳遞。總體而言,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)研究完全是通過計(jì)算機(jī)模擬完成的,但它為其他研究打開了大門,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?。ㄔ撛O(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脂或粉末。正因?yàn)槿绱耍畛湮镌谄渌愋偷?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)等基于樹脂的技術(shù),在制作完成后需要將樹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)的殘留粉末問題要小得多。不過,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)沒有問題,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